Опыты с различными стабилизаторами пламени и пилотными (дежурными) пламенами показывают, что проблема стабилизации пламени в высокоскоростных потоках имеет две стороны. Во-первых, должен быть обеспечен постоянный источник воспламенения с помощью стабилизатора или пилотного пламени и, во-вторых, должно быть гарантировано распространение пламени из зоны течения с низкой скоростью в поток с высокой скоростью. При высокой скорости срыв пламени происходит тогда, когда тепло, получаемое вихревой циркуляционной зоной от горячих продуктов горения, становится недостаточным для поддержания температуры, настолько высокой, чтобы можно было вызвать воспламенение. Иногда наблюдается, что срыв пламени происходит в два этапа. Вначале пламя перестает распространяться на весь поток горючей смеси, хотя все еще существует остаточное горение (пламя) за стабилизатором. При некотором увеличении скорости потока гаснет и это остаточное пламя.
Стабилизировать пламя в высокоскоростном потоке можно, используя препятствия (плохообтекаемые тела), помещаемые в этот поток. Тем самым за препятствием создается зона вихревого циркуляционного течения, которая может функционировать как постоянный источник поджигания для формирующегося в потоке обращенного конуса (клина для плоских препятствий) пламени, т. е. пламени, исходящего из зоны за плохообтекаемым телом и распространяющегося поперек потока горячей смеси под углом к нему. Вихревой поток за телом получает тепло от пламени, передает его вверх против течения к кромкам тела и поджигает поток горючей смеси, с которым он контактирует.
Течение вокруг тела, помещенного в воздушный поток, характеризуется прежде всего формированием за телом зоны циркуляционного течения. Обычно наибольшая ширина циркуляционной зоны превышает поперечный размер тела на величину, зависящую главным образом от его формы. Кроме того, в случае газового потока, заключенного в трубу или канал, эта величина определяется также степенью геометрического загромождения канала телом, т. е. отношением площади поперечного сечения тела к площади сечения потока (канала), называемым также степенью стеснения потока BR. Это происходит потому, что при течении газа в трубе жесткие стенки препятствуют свободному движению газа вблизи тела и, следовательно, осевая скорость потока вблизи тела выше, чем в случае, когда тело находится в неограниченном потоке. Одним из результатов этого увеличения осевой скорости и является уменьшение ширины рециркуляционной зоны. Таким образом, для данного размера стабилизатора пламени любое увеличение BR, вызванное, например, уменьшением сечения канала, уменьшит размер рециркуляционной зоны и тем самым ухудшит стабилизацию пламени. Соотношение, связывающее отношение ширины следа за телом к ширине тела (уголкового профиля) с коэффициентом его сопротивления и величиной BR, было получено Лефевром [46].
Для топлив с точкой кипения примерно в том же диапазоне температур, что и для керосина, было установлено, что с топливами меньшей плотности устойчивое горение возможно при более бедных топливно-воздушных смесях. Таким образом, топлива парафинового ряда будут, вообще говоря, стабилизироваться при более бедных составах смеси, чем производные жидкие топлива с высоким содержанием ароматических углеводородов (например, синтойль, DF-1, SRC, EDS, тяжелое и легкое топлива из нефтей шт. Юта, топливо из угля). Аналогично легкие бензиновые топлива имеют меньшие значения отношения топливо/воздух на «бедном» пределе срыва пламени, чем газойль. В какой мере эти улучшения устойчивости горения на «бедном» пределе являются следствием увеличенной теплотворности топлива, а в какой следствием увеличения его летучести, не вполне ясно.
Тип топлива влияет на устойчивость горения главным образом через воздействие вязкости и поверхностного натяжения на такие важные характеристики факела распыления, как распределение капель по размерам и взаимодействие их с воздухом, которые определяют скорость смешения топлива с воздухом и тем самым оказывают заметное влияние на пределы стабилизации пламени. В устройствах испарительного типа скорость испарения топлива и его последующего смешения с воздухом зависит в основном от особенностей конструкции камеры сгорания, поэтому пределы стабилизации практически нечувствительны к физическим свойствам топлива.
Определение массового расхода газа в зоне рециркуляции особенно важно для оценки эффективности этой зоны при стабилизации пламени. По отношению расходов газа внутри зоны обратного тока и в ее пограничном слое можно определить интенсивность рециркуляционного (вихревого) движения. Траверсирование зоны датчиками скоростного напора осуществляется обычно по нормали к оси симметрии. Пограничные слои зовы обратного тока можно легко определить по положению точек, в которых скорость потока газа изменяет свое направление с обратного на прямое. Профили массовой скорости позволяют определить, какая доля основного потока вовлекается в возвратное течение к горелке. В целом вихрь рассматривается как замкнутая структура, приводимая в движение основным потоком, так что суммарный массовый расход газа поперек пограничного слоя равен нулю. Граница вихря, следовательно, проходит через точки на радиусе, в которых расход газа в прямом потоке равен расходу газа в обратном потоке в данном сечении. Эта граница совпадает с нулевой линией тока, которая также определяется интегрированием радиального распределения скорости. Интегрирование профилей скорости до границы зоны обратного потока дает величину массового расхода газа в обратном потоке через плоскость, параллельную срезу плохообтекаемого тела — стабилизатора пламени (или завихрители), т. е. с учетом осевой симметрии
(2.53)
Границы вихря шире границ зоны обратного тока, но эти границы встречаются в точке разделения потоков на кромке стабилизатора и в застойной точке (в конце зоны обратного тока). Если вращающийся вихрь не примыкает к твердой поверхности, обе его границы сходятся в верхней и нижней (по потоку) застойных точках. Эти две зоны различают как «зону обратного тока» (она ограничена линией нулевой скорости) и как «рециркуляционную зону» (она ограничена линией нулевого расхода). Центр, или полюс вихря находится на границе зоны обратного тока и в случае диска или другого плохообтекаемого тела представляет собой точку, в которой статическое давление имеет минимум
С точки зрения стабилизации пламени большую роль играет величина потока массы от зоны обратного тока в прямой поток. Перенос массы поперек пограничного стоя зоны обратного тока отсутствует: а) в передней застойной точке, б) в центре вихря, в) в нижней по потоку застойной точке. Для пламени, стабилизированного за плохообтекаемым телом (или за завихрителем) вся передача тепла конвекцией от зоны обратного тока к прямом) потоку происходит между точкой отрыва потока от кромки тела и центром вихря В дополнение к этому конвективному потоку тепло и вещество передаются посредством турбулентной диффузии от рециркуляционной (вихревой) зоны к основному потоку.
Характеристики стабилизации пламени плохообтекаемым телом во многом определяются аэродинамикой обтекания этого тела потоком. Наличие плохообтекаемого тела создаст в потоке области течения типа пограничного слоя, прилегающие к зоне, где постоянно существует рециркуляционное течение, благодаря которому в пограничные слои поступают тепло и химически активные вещества, в результате чего в этих слоях может распространяться волна горения. Особенности течения позволяют пламени стабилизироваться при широком диапазоне изменения скорости набегающего потока и состава топливно-воздушной смеси.
В наружных областях следа за стабилизатором, в которых закрепляется пламя, волна горения распространяется в зоне течения с большими градиентами скорости, где пламя испытывает растяжение. Когда коэффициент растяжения пламени (число Карловица) превышает критическое значение, происходит срыв горения Количественное описание процесса стабилизации пламени плохообтекаемым телом может быть выполнено на основе детальной информации об аэродинамических характеристиках течения, таких, как распределения средней скорости и статического давления и распределение турбулентных характеристик. Большая часть работ по стабилизации пламени на плохообтекаемых телах вплоть до недавнего времени имела экспериментальный характер и почти исключительно касалась осредненных характеристик течения в ближнем следе.
Данные предшествующих экспериментальных исследований аэродинамики осесимметричного следа суммированы в табл. 2.1. Поскольку характер окружающего потока сильно влияет на структуру течения в следе, указанные исследования классифицированы в соответствии с тем, был ли окружающий поток неограниченным, трубным или струйным. Некоторые дополнительные сведения об аэродинамике обтекания осесимметричных тел можно найти в работах но стабилизации пламени [48—50].
Из табл. 2.1 следует, что систематических исследований аэродинамики свободной кольцевой струи вблизи сопла (образованного плохообтекаемым телом, установленным на срезе трубы) проведено не было. Наиболее подробные исследования были выполнены Винтерфельдом [50], который изучал осредненное по времени течение за телом, установленным в трубе В то же время единственное исследование характеристик турбулентности было проведено Кармоди (51) для диска в свободном потоке.
Таблица 2.1. Экспериментальные исследования осесимметричного следа за плохообтекаемыми телами.
Структура течения в следе за плохообтекаемым телом, помещенным в однородный воздушный поток, схематически изображена на рис. 2.15. Воздух истекает (из сопла) в виде кольцевой струи, которая затем расширяется вследствие эжектирования (вовлечения) вещества из окружающей среды.
Рис. 2.15. Структура течения в следе за плохообтекаемым телом [52]. Степень стеснения потока ΒR = (d/D); полуугол отклонения потока телом — а, град.
1 — рециркуляционная зона; 2 — переходный участок; 3 — установившееся течение; 4— эжекция вещества из окружающей среды; 5 —основной поток.
Рис. 2.16. Влияние степени стеснения потока на распределение вдоль оси расхода газа в обратном токе (а) и на геометрию циркуляционной зоны (б) для дисков [52].
Рис. 2.17. Влияние формы плохообтекаемого тела на расход газа в обратном потоке (а) и на границе циркуляционной зоны (б). Степень стеснения потока ВR= 0,25 [58].
В рециркуляционной зоне за телом формируется тороидальный вихрь (ЦТВЗ), рассматриваемый как замкнутая структура, приводимая во вращение основным потоком воздуха, так что суммарный поток массы через границу между ними отсутствует. Эта граница определяется по точкам на радиусе, в которых поток массы в прямом направлении равен потоку массы в обратном направлении в данном сечении. Граница совпадает с нулевой линией тока, определяемой интегрированием радиальных профилей осевой скорости.
В работе [52] были выполнены подробные измерения средних по времени скоростей, статических давлений и турбулентных напряжений для ряда тел, отличавшихся формой передней части и создаваемой ими степенью стеснения потока ВR = — (d/D)2 На рис. 216 показано влияние степени стеснения на распределение вдоль оси относительной величины расхода газа в обратном токе (тr/m0) и на положение в пространстве границы рециркуляционной зоны (φ/φ0 = 0) за диском. Из рис. 2 16, б следует что ширина рециркуляционной зоны практически не меняется при изменении BR. Основное влияние увеличения ВR заключается в том, что оно вызывает уменьшение длины рециркуляционной зоны по сравнению с максимальной относительной длиной l — 2,6d, измеренной Кармоди [51]. Для диска в свободном (неограниченном) потоке. Наибольшее отклонение потока (от осевого направления) происходит при обтекании лиска. Уменьшение угла отклонения потока (за счет изменения формы передней части плохообтекаемого тела) до 45° (конус), а затем до 0° (цилиндр) сопровождается сокращением размеров рециркуляционной зоны. Влияние формы передней части плохообтекаемого тела на положение границы рециркуляционной зоны за этим телом показано на рис. 2.17. Относительная величина расхода газа, участвующего в рециркуляционном движении в следе за телом, сильно увеличивается с ростом BR, а для данного значения BR она выше для диска (с острыми кромками), чем для конуса или цилиндра (установленных на срезе трубы или в сопле). Аналогичной зависимостью от формы передней части характеризуется и размер циркуляционной зоны (рис. 2.17,б). Причина этого заключается в том, что отношение сил давления к инерционным силам растет в следе за телом с увеличением степени стеснения потока, и в результате расстояние до нижней по потоку застойной точки уменьшается. Характеристики турбулентности в сопле (с плохообтекаемым телом на срезе) измерялись термоанемометром с нагретой проволокой постоянной температуры. Детали этих измерений можно найти в работах [52, 58|. Наконец, о влиянии горения на аэродинамику обтекания потоком осесимметричных плоских тел сообщается в работах Винтерфельда [50] и Кармоди 151].
Суммируя экспериментальные данные ряда работ [46, 47], можно дать следующие развернутые заключения о факторах, улучшающих стабильность горения:
а) уменьшение местной скорости газа;
б) увеличение поперечного размера стабилизатора;
в) изменение формы стабилизатора пламени, сопровождающееся увеличением коэффициента сопротивления;
г) увеличение начальной температуры смеси и конечной температуры при ее сгорании;
д) увеличение давления газа;
е) изменение типа топлива и отношения топливо/воздух (способствующих повышению температуры сгорания);
ж) уменьшение степени стеснения потока стабилизатором пламени.
Зукоски и Марбл [57] в экспериментальных исследованиях со смесями бензина и воздуха при изменении геометрии стабилизаторов и скорости основного потока (105>Re> 103) показали, что срыв пламени может определяться временем, за которое элемент свежей смеси проходит вдоль рециркуляционной зоны.
Рис. 2.18. Распространение пламени в следе за плохообтекаемым телом [56].
Это время можно записать как t = l/и, где l — длина зоны рециркуляции, и — скорость.
Условие стабилизации пламени заключается в том, что указанное время должно превышать время, необходимое для подготовки смеси к воспламенению. Льюис и Эльбе использовали полученные Зукоски и Марблом данные [57] и концепцию растяжения пламени, чтобы определить характерное время прохождения элемента свежей смеси вдоль рециркуляционной зоны Как можно легко видеть из рис. 2.18, для волны горения, стабилизированной в трубке тока вблизи твердой поверхности тела, требуется столько времени, чтобы распространиться вдоль пути у со скоростью Su, сколько необходимо элементу свежей горючей смеси, чтобы пройти расстояние l со скоростью и. Таким образом, t = l/u=y/Su. Вдоль пути у скорость потока и возрастает по сравнению с ее начальным значением вблизи твердой стенки, равным Su и определяемым величиной градиента du/dy, и, следовательно, волна горения подвергается растяжению. Это означает, что тепло, которое диффундирует из зоны реакции в элементе волны, не возвращается полностью к этому элементу посредством конвекции во время его движения вдоль рециркуляционной зоны. Поскольку рециркуляционная зона представляет собой «резервуар тепла», то потери тепла пламенем в результате растяжения могут восполняться за счет «запасенного» в рециркуляционной зоне тепла, до тех пор пока рассматриваемый элемент находится вблизи этой зоны. Благодаря этому срыв пламени не происходит. Предполагая, что коэффициент растяжения пламени
(где η0 — ширина зоны подогрева в пламени) равен своему критическому значению вдоль всего пути у, Льюис и Эльбе определили верхний предел расстояния у, до которого пламя может распространиться. Считая, что критическое значение числа Карловица равно примерно единице, они проинтегрировали уравнение
в пределах от Su до ит
Это лает для типичных пламен в углеводородовоздушных смесях с параметрами Su = 0,4 м/с, ит = 100—200 м/с, η= 5-10-5 м значения
что хорошо согласуется с экспериментально определенной Зукоски и Марблом [57] величиной t= 3-10-4 с.
