CC BY
81
УДК 536.3+621.438
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПЛАМЕНИ В ПОТОКЕ АЛЮМИНИЕВО-ВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
©2013 А. Г. Егоров, А. С. Тизилов
Тольяттинский государственный университет
На основе контактной модели представлены результаты исследования механизма стабилизации пламени в потоке алюминиево-воздушной смеси.
Стабилизация, контактная модель, зона рециркуляции, воспламенение, скорость потока.
Введение
Для большинства горелочных устройств, где имеет место турбулентное течение горючего и окислителя, скорость на входе в камеру сгорания значительно больше, чем скорость распространения пламени. В связи с этим для поддержания стационарного распространения пламени необходимо наличие постоянного источника поджигания. Чаще всего практикуется стабилизация пламени аэродинамической стабилизацией,
основанной на создании за телом плохообтекаемой формы или в канале с внезапным расширением зоны
рециркуляции (ЗР), которая является источником постоянного подвода тепла для свежей горючей смеси [1].
В общем случае, стабилизация пламени осуществляется за счёт взаимодействия основного потока горючей смеси с ЗР, при котором поддерживается баланс между количеством теплоты, необходимым для зажигания основного потока горючего, и количеством теплоты, передаваемым из ЗР. Аэродинамическая стабилизация пламени подразумевает зажигание свежей смеси от стационарного источника поджигания в области, где имеет место равенство скоростей набегающего потока свежей смеси и распространения пламени. На рис. 1 представлена схема аэродинамической стабилизации пламени в канале с внезапным расширением. При скорости набегающего потока ш
устойчивое распространение пламени будет происходить до тех пор, пока не нарушится условие равенства скоростей набегающего потока ш и распространения фронта пламени ип. При ш < ип будет наблюдаться проскок пламени, при ш > ип будет происходить срыв пламени.
Рис. 1. Схема аэродинамической стабилизации пламени в канале с внезапным расширением
Теория стабилизации пламени, предложенная В.Ф. Дунским [2], основана на учёте соотношения между временем соприкосновения элементарных объёмов свежей смеси с продуктами сгорания ЗР, т.е. временем контакта тк свежей смеси с ЗР и временем задержки воспламенения твп, необходимым для нагрева смеси до температуры воспламенения. Стабильное распространение пламени будет наблюдаться при соотношении тк/твп > 1.
Целью настоящей работы является исследование механизма стабилизации пламени в высокоскоростном потоке алюминиево-воздушной смеси на основе контактной модели.
Расчёт времени контакта частицы алюминия с зоной рециркуляции
Проведёнными исследованиями [3] установлены основные факторы, воздействующие на аэродинамику потока алюминиево-воздушной смеси, и выявлены закономерности влияния каждого фактора: диаметра частиц порошка алюминия; геометрических размеров канала с внезапным расширением Бк, й0; скорости
набегающего потока горючей смеси ш. Факторами, определяющими тк, являются: длина ЗР Ь Зр, диаметр частицы порошка йз 2 и скорость набегающего потока ш. Размер ЗР является функцией от геометрических параметров канала с внезапным расширением ЬЗр = /(/)к; й0) [4]. С ростом степени расширения канала Ок/й0 осуществляется увеличение длины ЗР, что способствует повышению времени контакта. Увеличение диаметра частиц алюминия вследствие большей
инерционности также приводит к повышению к.
Поскольку к зависит от скорости, с которой движется частица, и длины ЗР, следовательно с увеличением скорости набегающего потока горючей смеси к пропорционально уменьшается.
Изменение траектории движения частиц вследствие соударения друг с другом незначительно влияет на к, поэтому влиянием концентрационного состава смеси на время контакта можно пренебречь.
Учитывая влияние каждого фактора на к, была получена формула
= Л \,
к ШК \ Ок/'
(1)
где К = 3,3 • 10 5 для порошка марки АСД-1; К = 2,0 ■ 10 -5 АСД-4.
для порошка марки
Воспламенение алюминиево-воздушной смеси
Согласно представлениям
установившимся за температуру воспламенения принимается та минимальная температура частиц или среды, при которой тепловыделение за счёт реакции окисления металла превышает теплопотери в окружающее пространство, и температура частицы начинает возрастать с увеличивающейся скоростью [6]. Время прогрева частиц металла от начальной температуры, при которой начинает выполняться указанное условие, и определяет время задержки воспламенения. Основными параметрами, определяющими время задержки воспламенения одиночной частицы алюминия в продуктах сгорания гетерогенных конденсированных систем, является температура газового потока и гранулометрический состав порошка алюминия. Известно [6], что для одиночной частицы алюминия прогрев от начальной температуры до критической температуры Гпкр (близкой к точке плавления окиси алюминия)
осуществляется теплопроводностью от среды с температурой п в тонком пограничном слое, окружающем частицу. Выражение для времени задержки воспламенения
3,33
Ст' рт
1+0 . 2 7-Я е0 • 5
1п
Т-т
Т —Т
п
кр
(2)
где рт - плотность частицы; Ст -удельная теплоёмкость частицы; й -радиус частицы; Хд - теплопроводность газа; Ие - число Рейнольдса; Тп -температура среды.
Например, для частицы алюминия с ^32 = 17.4 мкм при скорости потока ш = 70 м/с время задержки
воспламенения будет составлять 3.42 мс. С учётом того, что время воспламенения потока алюминиево-воздушной смеси твп зависит от физико-химического состава частиц алюминия и концентрации частиц
в зоне реакции, при этом твп смеси будет меньше по отношению ко времени воспламенения одиночной частицы алюминия твп за счёт диффузионного теплообмена между частицами. Тогда уравнение для вп смеси запишется в виде
^п = -4т [(« - 1.1)2 + 1]. (3)
По условию стабилизации время контакта частиц алюминия с ЗР тк должно быть больше времени задержки воспламенения алюминиево-воздушной смеси твп при различных значениях скорости потока и состава смеси. Тогда для фиксированных значений параметров канала с внезапным расширением при однородном физико-химическом составе порошка алюминия тк будет являться функцией скорости потока ш; а твп -функцией скорости потока и состава смеси а. На основании вышеизложенного запишем граничное условие срыва пламени алюминиево-воздушной смеси
Тк(<о )= Твп (а; о). (4)
Экспериментальное определение времени контакта частиц алюминия с зоной рециркуляции
Схема экспериментальной установки подробно описывается в [7]. Определение длины ЗР проводилось методом холодных продувок в канале с внезапным расширением.
В [4] установлено, что длина ЗР при холодных продувках в 1,4 раза меньше, чем в случае с горением алюминиево-воздушной смеси при равных прочих условиях. Основываясь на данных работы [3] о зависимости скорости срыва пламени от состава смеси в диапазоне изменения 0,5 < а < 2,5, с использованием полученной длины ЗР методом холодных продувок были установлены пределы стабилизации высокоскоростного потока алюминиево-воздушной смеси в виде зависимости т( а), где т - это граничное время, при котором тк = твп = т.
Анализ результатов
На рис. 2 представлена расчётная и экспериментальная зависимости тк на границе устойчивого распространения пламени от состава смеси. Видно, что тк, достаточное для надёжного
воспламенения потока алюминиево-воздушной смеси, уменьшается при приближении к стехиометрическому составу. По мере отклонения состава смеси от стехиометрического (а 1) время воспламенения потока горючего увеличивается, вследствие чего условия стабилизации пламени ухудшаются.
Т
мсек
8
4
0
Рис. 2. Зависимость времени контакта частиц алюминия с ЗР от состава смеси: о - экспериментальные данные [4]; - - расчётные данные по формулам (1), (3)
Установлено [3], что для порошкообразного алюминия так же, как и для газообразных и жидких топлив, для стабилизаторов в виде плохо обтекаемых тел существуют оптимальные с точки зрения стабилизации значения затенения сечения. Затенение сечения /ст -отношение площади миделевого сечения стабилизатора к площади канала с внезапным расширением - позволяет рассчитывать оптимальные параметры плохо обтекаемого тела и подбирать смесь подходящего состава для надёжной стабилизации пламени в
высокоскоростном потоке воздуха.
Для канала с внезапным расширением параметром затенения сечения является отношение площади характерного размера стабилизатора (Я = Б к — й 0) к площади выходного отверстия канала (см. рис. 1):
Устойчивое горения
ч
съ
Срыв пламени -1-
1
2
_ Як _ 1 _ й0 (6)
ст _ ^ _ 1 п 2 , (6)
к к
где - площадь поперечного сечения входного отверстия канала диаметром ;
к - площадь поперечного сечения выходного отверстия канала к.
Из формул (1), (3), (4) получена зависимость максимальной скорости набегающего потока смеси, при которой происходит срыв пламени от затенения сечения канала ш ср (/ст).
На рис. 3 представлены расчётные и экспериментальные данные зависимости ш срС/ст). Видно, что увеличение размеров стабилизатора в значительной мере увеличивает устойчивость процесса распространения пламени алюминиево-воздушной смеси.
°}ср
м/с 75
5Р
25
Р
0.2.0,4 0,6 0,8 /т
Рис. 3. Влияние/ст на скорость срыва пламени: • - канал с внезапным расширением [3]; ▲ - пластина с центральным отверстием
диаметром 33 мм в канале 62x62 мм; о - перфорированная пластина: сотовое расположение отверстий диаметром 7.3 мм [9]; + - плохообтекаемое тело (конус) [10]; -- расчётная кривая
При исследовании контактной модели стабилизации алюминиево-воздушного пламени диапазон состава смеси а < 0.3 не рассматривался, так как в этом случае протекает экзотермическая реакция азотирования, требующая проведения дополнительных
исследований для описания механизма стабилизации.
Библиографический список
1. Талантов, А.В. Основы теории горения [Текст] / А.В. Талантов - Казань.
- 1975. - 253 с.
2. Дунский В.Ф. Исследование
стабилизации пламени в следе за плохо-обтекаемым телом [Текст] / М.: ЦИАМ. -№ 208. - 1951. - 9 с.
3. Егоров, А.Г. Процессы горения порошкообразного алюминия в прямоточных камерах реактивных двигательных установок [Текст] / А.Г. Егоров - Самара.
- 2004. - 376 с.
4. Егоров, А. Г. Время пребывания частиц алюминия в камерах сгорания с внезапным расширением [Текст] / А.Г. Егоров // Химическая физика. - 2003. - Т. 22. - № 11. - С. 54-63.
5. Горение порошкообразных металлов в активных средах [Текст] / П.Ф. Похил, А.Ф. Беляев, Ю.В. Фролов [и др.].
- М.: Наука, 1972. - 294 с.
6. Малинин, В.И. Воспламенение и горение аэровзвеси алюминия в реакторе высокотемпературного синтеза порошкообразного оксида алюминия [Текст] / В.И. Малинин, Е.И. Коломин, И.С. Антипин // Физика горения и взрыва. - 2002. - Т. 38. -№ 5. - С. 41-51.
7. Егоров, А.Г. Определение времени пребывания гетерогенного топлива в зоне обратных токов [Текст]/А.Г. Егоров, М.М. Русаков, А.П. Шайкин // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1999. - №2. - С. 69-71.
8. Ягодников, Д. А. Распространение пламени по аэровзвеси алюминия при пониженных давлениях [Текст] / Д. А. Ягодников, А.В. Воронецкий, В.И. Лапицкий // Физика горения и взрыва. - 1995. - Т. 31. -№ 5. - С. 23-31.
9. Ягодников, Д.А. Организация процессов воспламенения и горения порошкообразных металлов в камерах сгорания реактивных двигательных установок [Текст]: автореф. дис. д-ра техн. наук / Д. А. Ягодников. - М.: МГТУ. 1998. - 32 с.
10. Ягодников, Д.А. Влияние внешнего электрического поля на горение аэровзвеси частиц алюминия [Текст] / Д.А. Ягодников, А.В. Воронецкий // Физика горения и взрыва. - 1998. - Т. 34. - № 6. - С. 23-28.
STUDY OF THE MECHANISM OF FLAME STABILIZATION IN AALUMINUM-AIR MIXTURE
© 2013 A. G. Egorov, A. S. Tizilov
Togliatti State University
This paper presents a study of the mechanism of stabilization of aluminum-air plume model based on the contact.
Stabilization, contact model, recirculation zone, the ignition, the flow rate.
Информация об авторах
Егоров Александр Григорьевич, доктор технических наук, профессор, Тольяттинский государственный университет. Е-mail: [email protected]. Область научных интересов: горение порошкообразных металлических горючих в потоке активного газа.
Тизилов Андрей Сергеевич, аспирант, Тольяттинский государственный университет. Е-mail: [email protected]. Область научных интересов: внутрикамерные процессы реактивных двигателей летательных аппаратов.
Yegorov Alexander G., Ph.D., Professor of Togliatti State University. Е-mail: [email protected]. Area of research: powdered metal fuel combustion in the flow of active gas.
Tizilov Andrew S., a graduate student of Togliatti State University. E-mail: [email protected]. Area of research: intrachamber processes in aircraft jet engines.
