Опыты показывают, что при переходе от нормального горения к турбулентному скорость распространения пламени и? резко увеличи­вается, соответственно увеличивается количество свежей смеси, реаги­рующей на единице осредненного фронта пламени в единицу времени.

Распространение ламинарного пламени в § 8-3 было пред­ставлено как непрерывный процесс прогрессирующего ускорения реак­ции при прохождении газа через узкую зону пламени в условиях параллельного переноса тепла теплопроводностью и диффузионного пе­реноса продуктов горения, в том числе и активных центров, в свежую смесь и свежей смеси в зону горения.

В турбулентном пламени реакции развиваются в таких же условиях по температуре и составу реагирующего газа, как и в лами­нарном пламени. Однако в турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии вещества и турбулентной теплопроводности. Кривые осредненных температур и концентраций имеют такой же характер, как и кривые температур и концентраций в ламинарном пламени. Так как процессы турбулентного переноса явля­ются функцией числа Рейнольдса (Ие), то скорость турбулентного рас­пространения пламени ((7Т) также зависит от величины Ие. Поэтому ит зависит от средней скорости потока в данной точке, она возрастает с увеличением скорости потока. Соответственно она также увеличивает­ся при искусственном повышении степени турбулентности.

Фронт турбулентного пламени пульсирует (очерчен нерезко), силь­но искривлен, имеет размытые контуры и значительную толщину, в ре­зультате чего его поверхность сильно развита.

Можно полагать, что размытый фронт турбулентного пламени образуется колебаниями различных точек более тонкой поверхности зоны воспламенения, перемещаемых вследствие пульсаций скорости.

Имеются две теории, объясняющие механизм турбулентного распро­странения пламени: теория фронтового или поверхностного горения и теория объемного горения.

Первая теория заключается в том, что под действием турбулентно­сти фронт пламени искривляется, размывается, его поверхность сильно увеличивается, но структура зоны горения не нарушается, так как она очень тонка. Вследствие этого пламя распространяется с постоянной

Скоростью ламинарного горения по всей развитой поверхности, что пред­полагает следующую непосредственную связь между скоростями тур­булентного и ламинарного горения. Скорость турбулентного распростра­нения пламени относительно свежей смеси увеличивается пропорцио­нально увеличению поверхности пламени, т. е.

(8-54)

Где /ч и /’л — собственно поверхность фронта турбулентного и ламинар­ного пламени.

Однако пользоваться соотношением (8-54) нельзя, так как опреде­лять Рт не представляется возможным.

Нормальное распространение пламени приводит к сокращению искривленной поверхности фронта пламени, а воздействие пульсации — к ее увеличению.

Механизм турбулентного распространения пламени и величина <7Т зависят от масштаба турбулентности. В случае мелкомасштабной тур­булентности, когда длина пути смешения мала по сравнению с шириной зоны ламинарного горения, считают, что фронт пламени в потоке имеет некоторое среднее положение и среднюю толщину и, так же как при горении в ламинарном потоке, сгорание происходит путем распростране­ния непрерывного фронта пламени. Увеличение же скорости турбулент­ного распространения пламени вызвано увеличением скорости горения на единице поверхности такого осредненного фронта пламени. Это про­исходит вследствие того, что на процессы молекулярного переноса на­кладываются процессы турбулентного переноса, увеличивающие коэф­фициент переноса до аш + ат, где ат — коэффициент турбулентной тем­пературопроводности.

Поэтому аналогично выражению (8-44), указывающему, что ип пропорциональна корню квадратному из температуропроводности, мож­но принять скорость турбулентного распространения пламени пропор­циональной квадратному корню из ам + ат:

(8-55)

Что позволяет написать соотношение между турбулентной и нормальной скоростью распространения пламени в следующем виде:

(8-56)

Поскольку в (8-56) ат = &т = 1ти’, то

(8-57)

При вполне развитой турбулентности величиной ам по сравнению с ат можно пренебречь и тогда получим:
т. е. скорость распространения пламени в мелкомасштабном турбулент­ном потоке пропорциональна корню квадратному из числа Яе. Следова­тельно, ит зависит от гидродинамических условий в потоке и поэтому не является физико-химической константой.

Более важное значение для топочной техники имеет крупномасш­табная турбулентность. В этом случае, когда длина пути смешения больше ширины зоны горения, элементарные объемы горящего газа и продуктов сгорания в процессе хаотического движения, перемещаясь из зоны горения в прилежащие слои свежей смеси, создают новые очаги горения. Элементарные же объемы свежей смеси, попадая в зону горе­ния, разрывают фронт пламени на отдельные очаги горения элементар­ных объемов (молей) свежей смеси (рис. 8-9). При этом горение этих

Молей свежей смеси происходит с по­верхности за счет нормального распро­странения пламени. Такой же пеленой ла­минарного пламени окружаются моли продуктов сгорания, попавшие из зоны горения в прилегающие слои горючей смеси, что обусловливает сгорание окру­жающей среды свежей смеси. Фронтом пламени является суммарная поверх­ность турбулентных молей, находящихся в данный момент в зоне горения. Размеры молей непрерывно меняются, некоторые из них уничтожаются, одновременно в зону горения прони­кают свежие моли. При такой сложной структуре зоны горения суммар­ная поверхность фронта пламени сохраняет некоторое среднее значение.

Принимают, что фронт пламени со стороны свежей смеси опреде­ляется поверхностью, которой достигают отдельные воспламенные моли, выбрасываемые из зоны горения за счет пульсаций, и где во многих точках начинается локальное воспламенение, т. е. поверхностью, на ко­торой начинается воспламенение отдельных молей. Конечная граница пламени образуется слиянием всех отдельных воспламененных молей и созданием сплошного воспламененного потока.

В результате при крупномасштабном турбулентном режиме горения фронт пламени становится волнистым и может разрываться на отдель­ные зоны. При этом поверхность фронта пламени увеличивается, на ней за единицу времени сгорает большее количество смеси. Поэтому фронт пламени должен двигаться с большей скоростью или потребуется боль­шая скорость свежей смеси, чтобы удержать фронт пламени стационар­но. Такое объяснение крупномасштабному турбулентному горению было дано К. И. Щелкиным [Л. 21].

Поскольку распространение пламени в этом случае совершается по­средством перемещения горящих молей, то время реакции будет опре­деляться временем смешения

В формуле:

/т — длина пути смешения;

V’ — средняя квадратичная пульсационная скорость.

При развитом турбулентном потоке слагаемым молекулярной тем­пературопроводности в выражении коэффициента турбулентного обмена можно пренебречь и считать его равным величине 1ти’. Подставляя в выражение (8-55) это значение турбулентной температуропроводности и одновременно вместо т его выражение из (8-60), получаем:

(8-61)

Следовательно, при сильной турбулентности скорость турбулентного распространения пламени £/т пропорциональна средней пульсационной скорости, т. е. определяется аэродинамическими характеристиками пото­ка, и не зависит от физико-химических свойств газовой смеси. Послед­нее сказывается в отношении ее теплоты сгорания, влияющей на вели­чину температуры горения. Высокая температура горения обусловливает высокое теплосодержание частиц продуктов сгорания, перебрасываемых турбулентностью в свежую смесь, и, следовательно, большую скорость распространения пламени.

Из (8-61) непосредственно следует, что

Ит/"Єт и ит Ие.

В описанных двух моделях поверхностного горения предполагается распространение фронта пламени в виде нестационарных поверхностей малой толщины, разделяющих свежую смесь от продуктов сгорания. Фронт пламени перемещается турбулентными пульсациями, имея одно­временно собственное движение относительно свежей смеси со ско­ростью ип.

Согласно теории объемного и, в частности, микрообъемного горе­ния, предложенной Е. С. Щетинковым [Л. 22], горение молей свежей сме­си происходит в основном в объеме моля, а не только с поверхности за счет нормального распространения пламени.

В этих теориях исходят из представления турбулентного потока как совокупности хаотически движущихся объемов турбулентных молей. Размеры молей различны и изменяются от крупных, соизмеримых с раз­мерами сечения потока, до самых мелких, причем мелкие моли могут как существовать самостоятельно наряду с большими, так и распола­гаться внутри них. Движение мелких молей внутри крупных создает внутримольное перемешивание.

При интенсивной турбулентной диффузии горячие моли из зоны го­рения выбрасываются пульсациями в свежую смесь и, не успев воспла­менить соседние моли, перемешиваются с ними, повышая их температу­ру, увеличивая концентрацию активных центров и понижая концентра­цию горючего. Кроме того, предполагается, что микродиффузия внутри молей за счет мелкомасштабных пульсаций протекает так быстро, что за время существования моля первоначально неравномерно распреде­ленный его состав и температура успевают выровняться. Так происхо­дит непрерывное исчезновение и образование молей газа. При этом содержание молей изменяется, концентрация и температура выравнива­ются, т. е. происходит быстрое смешение свежей смеси с продуктами сгорания. В молях, в которых после смешения температура окажется достаточно высокой, во всем объеме интенсивно протекают гомогенные химические реакции и смесь успевает сгореть раньше, чем она могла бы сгореть при таком сравнительно медленном процессе, как ламинар­ное горение. Образующиеся продукты реакции в свою очередь смеши­
ваются с молями свежей смеси, и таким путем происходит распростра­нение пламени.

Напротив, в других молях в процессе турбулентного смешения не создаются благоприятные температурные или концентрационные усло­вия для химического реагирования и поэтому за время существования моля реакции горения не успевают полностью завершиться или совсем не происходят.

Такая модель горения Е. С. Щетинковым [Л. 22] была названа микрообъемной, так как химические реакции горения происходят в отдельных микрообъемах, неравномерно распределенных по всей ши­рине зоны турбулентного горения. При этом предполагается, что искрив­ленные и мелкомасштабные фронты, распространяющиеся по законам ламинарного пламени, отсутствуют. Они не успевают сформироваться на границах между молями свежей смеси и продуктов сгорания вслед­ствие их быстрого относительного движения и конечного периода индук­ции в реагирующих молях.

Так как турбулентное смешение происходит много быстрее, чем ламинарное, суммарная скорость горения будет значительно больше.

Следовательно, в глубине зоны горения должна наблюдаться мик­ронеоднородность газа. На малых расстояниях друг от друга могут находиться сгоревшие, несгоревшие и реагирующие моли. В этих усло­виях интенсивного протекания турбулентной диффузии ламинарный фронт горения не успевает образоваться.

Таким образом, согласно этой теории турбулентное пламя представ­ляется как зона горения, раздробленная на отдельные очаги. Химиче­ское реагирование происходит во всем объеме отдельных молей в гомо­генной среде — смеси исходных веществ и продуктов сгорания подобно тому, как происходит самовоспламенение смеси.

Как известно, особенность протекания экзотермических реакций горения заключается в том, что реакция самоускоряется и завершается воспламенением, т. е. образованием пламени. Первично образованное пламя, установившееся в процессе переноса от горящих молей на сосед­ние или возникшее в результате самовоспламенения тех объемов, где произошло быстрое смешение свежей смеси с продуктами горения, рас­пространяется на соседние слои. Поэтому предполагается, что турбу­лентное горение происходит как путем распространения пламени, так и объемных реакций, развивающихся в тех местах, где турбулентное смешение опережает распространение пламени.

А. С. Соколиком предложена теория турбулентного распростране­ния горения через пульсирующее самовоспламенение микрообъемов. При этом в отличие от непрерывного молекулярного обмена с плавным изменением температуры и концентрации, в турбулентном потоке теп — ло — и массообмен носит пульсирующий, прерывистый характер, обу­словливающий такой же характер изменения температуры и концентра­ции смешивающих газов.

В турбулентном потоке происходит интенсивное смешение свежей смеси с продуктами сгорания. Смешение происходит на элементарном пути турбулентной диффузии /т, который при малых периодах индукции есть лангранжев масштаб турбулентности. Характеристическое время турбулентности, в течение которого микрообъемы перемешиваются на расстоянии /т, является временем смешения и обозначается через тт-

В результате смешения образуются микрообъемы с различным со­ставом по содержанию исходной смеси и продуктов сгорания. В микро­молях с высокой концентрацией продуктов сгорания и поэтому с высо­

Кой температурой, близкой к температуре горения, со значительной кон­центрацией химически активных центров, реакции весьма быстро раз­виваются. В течение малого периода индукции тг<тт наступает самовос­пламенение в результате превышения тепловыделения в микрообъеме над теплоотводом с его поверхности. В микромолях с неблагоприят­ными температурными и концентрационными условиями реакции слабо развиваются, или они, не успев воспламениться в течение малого перио­да индукции, вступают в последующее смешение. Таким образом рас­пространение турбулентного пламени представляется как пульсирую­щее самовоспламенение микрообъемов.

Рассматривая самовоспламенение как мгновеишый охват пламенем объема сферы диаметром /т, А. С. Соколик получил для скорости тур­булентного распространения пламени соотношение

11т = (8-63)

В формуле:

/т — минимальное значение лангранжева масштаба (и соответствен­но величины микрообъема), для которого возможно самовоспламенение;

Тг — период индукции, время реакции самовоспламенения в микро­объеме, отражающее также условия турбулентного смешения;

И’ — средняя квадратичная пульсационная скорость;

ТГт—характеристическое время существования пульсации, время смешения.

При тгО>тт самовоспламенение в микрообъемах становится невоз­можным и в этих молях реакции затухают.

Таким образом, турбулентное горение представляет собой распрост­ранение пульсирующего самовоспламенения, т. е. взрывов микрообъемов, что и проявляется в характерном шуме турбулентного пламени.

По этой теории механизм турбулентного распространения пламени представляется отличным от ламинарного, без непосредственного моле­кулярного тепло — и массообмена и, следовательно, без участия механиз­ма ламинарного горения.

Этот вывод подтвержден в опытах следующего рода.

Во-первых, в некоторых, например водородно-воздушных смесях, у которых с составом изменяется коэффициент молекулярного переноса, максимум ламинарной скорости соответствует составу смеси с избытком горючего, имеющему повышенную температуропроводность, тогда как максимальная скорость турбулентного горения соответствует смеси с максимальной температурой.

Во-вторых, установлено, что для различных метано-кислородных смесей с инертными (N2, Аг, Не) примесями, взятыми в таком количе­стве, чтобы обеспечить одинаковую температуру горения, турбулентная скорость остается одинаковой при значительном изменении ламинарной скорости.

Следовательно, изменение скорости турбулентного горения следует за изменением скорости реакции в пламени, определяемой главным образом температурой горения, а в разбавленных смесях и соотноше­нием горючее — кислород, но никак не связано с изменением коэффи­циентов молекулярного переноса.

Опыты также показывают, что скорость турбулентного горения дан­ной смеси растет линейно с интенсивностью турбулентности вплоть до пределов распространения пламени. Это означает, что при неизменном масштабе турбулентности скорость горения линейно зависит от коэффи-

10— 541 145
циента турбулентной диффузии £)т = /т^/, т. е. существенно отлична от зависимости (8-44). Отсюда следует, что по соображениям размерности для скорости турбулентного распространения пламени надо принять зависимость

Ит~’№р~ ехр (—ЕЭ/ЯТГ) вместо зависимости для ламинарного пламени’

(8-65)

Соотношение (8-64) также непосредственно следует из (8-63). По­лученные с помощью (8-64) из опытных данных по зависимости /п£/т = =/(1/Гг) значения эффективной энергии активации Еэ для реакции в турбулентных пламенах близки к энергии активации основной реакции разветвления. Эта величина также близка к значению Е реакций в лами­нарных пламенах тех же смесей. Следовательно, ламинарные и турбу­лентные пламена сходны в том отношении, что в них реакции развива­ются в ходе перемешивания свежей смеси с продуктами сгорания. Вместе с тем различная зависимость скорости горения от скорости реак­ции в ламинарном и турбулентном пламенах свидетельствует о корен­ном различии механизма распространения пламени в условиях массо — обмена через молекулярную и турбулентную диффузию.