Приведем некоторые результаты экспериментальной проверки возможности электромоделирования турбулентного горения. Как указывалось ранее (см. § 5-3), к числу важных факторов, влияющих на ^акрокинетику турбулентного горения, относятся пульсации температуры. Непосредственное выявление их роли в прямом экс­перименте с горящим факелом представляет значительные труд­ности. Поэтому целесообразно попытаться применить для этой цели аналогию, описанную в предыдущем параграфе.

‘it7 Заказ № 2565

Эксперимент, поставленный на модели в турбулентном потоке слабо ионизированного газа — продуктов сгорания, преследовал следующие основные цели.1 Первой, методической, задачей явля­лась проверка возможности достаточно надежных измерений мгно­венных и усредненных значений электропроводности в потоке газа с быстро меняющейся температурой. Эта задача решалась путем измерений проводимости в потоке, температура газа в котором

Периодически менялась по за­данному закону. Критерием точ­ности измерений и методики в целом служило сопоставление результатов с данными теорети­ческого расчета.

Вторая, основная, задача эксперимента состояла в прове­дении измерений проводимости в реальном потоке (по оси сво­бодной турбулентной струи про­дуктов сгорания). Результаты этих опытов и сопоставление данных, относящихся к одина­ковой средней температуре газа и разным уровням турбулентно­сти, позволили выявить влияние пульсаций температуры, оценить их уровень и по аналогии сде­лать заключение о влиянии их на среднюю скорость реакций при турбулентном горении.

Экспериментальная установ­ка для измерения проводимости газа в пульсирующем потоке 1С заданными частотой и формой колебаний состояла из камеры — сгорания, обеспечивающей при сжигании смеси бутана и пропана с воздухом получение газовой — струи с температурой порядка 2000° К (рис. 10-5). Пульсирующий поток создавался путем пе­риодического пересечения струи специальными вращающимися заслонками,. расположенными на расстоянии 5 мм от среза сопла. Это обеспечивало свободный выход газов в момент перекрытия струи и предотвращало нарушение заданного режима горения.

Температура пульсирующего потока измерялась двумя мето­дами. В области низких частот (до 10 гц) использовался платиновый термометр сопротивления с диаметром нити 30 мк. Температура газа в области более высоких частот измерялась фотопирометри­ческим методом. В качестве датчика применялся фоторезистор

ФС-А4 (постоянная времени 4-Ю" сек). Сигнал с фоторезистора подавался на вход осциллографа С1-8А. Электрическая схема из­мерений пульсаций температуры фотопирометрическим методом приведена на рис. 10-6, а.

Электропроводность газа измерялась с помощью двойного зонда, выполненного в виде двух дисковых электродов (диаметром 8 мм и толщиной 0,2 мм), закрепленных на специальном микрокоорди — натнике, обеспечивавшем точную установку зазора между электро­дами (5 мм). Электроды были изготовлены из спектрально-чистой

Платины. Электрическая схема измерения сопротивления газового промежутка (при заданной разности потенциалов 1,5 в) изображена на рис. 10-6, б.

Для колебаний рассматриваемого вида нетрудно получить выра­жение для отношения среднего значения электропроводности [19] к рассчитанному по измеренной средней температуре:

+ (Зехр

Т

Для малых пульсаций (при Т’/Т < 1) выражение (10-3) пере­ходит в формулу (5-6):

В этих формулах * «= а (Т)/а (Г); р =* т2/тх — отношение про­должительности импульсов низкой и высокой температуры; | т | = | Ті — Т; | Т21 = | Т — Т2 ; значение постоянной А было

Определено при измерении за­висимости а (7) в потоке малой турбулентности. Было получено А = 3,5-104 °К.

На рис. 10-7 приведено сопо­ставление опытных и рассчитан­ных по формуле (10-3) значе­ний *. Как видно из графика, в исследованном интервале из­менения частот результаты опыта удовлетворительно согласуются с расчетом. В частности, в опы­тах (рис. 10-7) подтверждено от­сутствие влияния частоты пре­рываний (при со ^ 100 гц) на *. Зависимость коэффициента х от А т’.ГТ

Комплекса — ——————— при постоянной частоте в диапазоне из-

Т 1 + (Г;/т)

Менения значений р от 1 до 4 приведена на рис. 10-8. Эти результаты дают основание считать, что принятая мето­дика зондовых измерений и регистраций пульсаций может быть использована для иссле­дования в турбулентном по­токе. Таким образом первая задача эксперимента была решена.

Экспериментально изуча­лась электропроводность в затопленной турбулентной струе. Выбор такого вида те­чения был обусловлен тем, что струя представляет собой один из простейших и наиболее изученных типов развитого турбулентного движения. Наряду с этим она является весьма удобным в экспериментальном отноше­нии объектом исследования. Так, в частности, проводя измерения в различных точках струи, можно получить данные, относящиеся к различным уровням и масштабам турбулентности.

Принципиальная схема установки, на которой производились измерения проводимости в турбулентной струе продуктов сгорания, показана на рис. 10-9. Установка представляла собой прямоточную камеру сгорания, в которой сжигалась смесь бутана с воздухом. Для обеспечения устойчивого горения на различных режимах камера была снабжена стабилизирующим устройством. Коэффициент избытка воздуха а изменялся в пределах от 0,8 до 2. Газовая струя вытекала из керамического сопла с диаметром вы­хода d0 — 22 мм. При работе на богатых смесях происходило ча­стичное догорание газа в струе, т. е. образовывался турбулентный

Диффузионный факел. Как и на первой установке, опыты проводи­лись на чистых газах без присадки легко ионизируемых веществ.[20]Для измерения электропроводности использовался двойной зонд с платиновыми дисковыми электродами диаметром 4 мм. Пе­ремещение зонда вдоль оси струи проводилось с помощью коорди — натника, обеспечивающего точность отсчета порядка 0,1 мм. При измерении осредненного значения проводимости следует во избежа­ние искажений применять зонды, характерные размеры которых больше размеров температурных неоднородностей в турбулентном потоке. Поэтому измерение проводилось на оси струи, т. е. в об­ласти, где поперечный градиент температуры близок к нулю, а масштабы турбулентности минимальны.

На разных режимах работы установки были сняты вольт-ам­перные характеристики зонда, на основе которых выбиралось на­пряжение, подаваемое на зонд, в пределах линейного участка ха­рактеристики. Вся установка была снабжена экранами, устраняв­шими помехи от внешних источников.

Температура струи измерялась с помощью платинородиевой термопары с диаметром спая 0,3 мм. Температура струи на выходе из сопла изменялась в опытах от 900 до 2000° К.

На рис. 10-10 приведены данные по изменению средней темпера­туры вдоль оси струи при различных режимах работы установки.

Из графиков видно, что при обогащении смеси происходило замет­ное догорание газа в струе. Вследствие этого при снижении значе­ния а наблюдалось менее интенсивное падение температуры по оси, а при а < 1 — даже увеличение ее по сравнению с начальной.

Для выяснения влияния состава омеси на электропроводность была измерена проводимость в потенциальном ядре струи (при Г/Г» 1 -4- 2%) при различных значениях избытка воздуха (рис. 10-11, кривая 1). Из графика видно, что экспериментальные точки, относящиеся к различным режимам, группируются вблизи одной кривой. Это показывает, что в ядре струи проводимость определяется только средней температурой потока и не зависит от избытка воздуха.

Результаты измерения электропроводности в зоне турбулентного смешения (на оси струи на расстояниях до 12 калибров от сопла) приведены на рис. 10-11. Из графиков видно, что в этой области турбулентной струи проводимость существенно слабее зависит от средней температуры, чем в ядре струи. По абсолютному значению эффективная проводимость при удалении от сопла резко (до пяти порядков) превышает значение, измеренное в ядре струи при той же средней температуре. Это может быть объяснено влиянием пуль­саций температуры, интенсивность которых, как известно [Л. 109], возрастает вниз по потоку. Простейшая оценка порядка эффектив­ной величины пульсаций температуры (по формуле (5-6) — для прямоугольных пульсаций] показывает, что ТЧТ« 30 — г- 50%. Это значение согласуется сданными работы [Л. 57]. Обнаруженное следует, что при турбулентном горении (и близком значении энер­гии активации) превышение среднего по времени значения кон­станты скорости реакций над значением ее, соответствующим сред­ней температуре, будет порядка той же величины *, что и в опытах по измерению проводимости. Иначе говоря, при значениях средней температуры газа в интервале 900—2000° К и уровне температур­ных пульсаций порядка 20—50% значение х в соответствии с тео­ретическими представлениями (см. § 5-3) изменяется в пределах от 10 до 107.

Этот результат, полученный с помощью электромоделирования, позволяет рассчитывать на перспективность метода для исследова­ния турбулентного факела.