Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное (турбулентное) горение Турбулентное горение представляет собой нестационарный процесс смешения продуктов сгорания и свежей смеси и реагирование последней вследствие повышения ее температуры Перенос термически и химически активных частиц осуществляется путем турбулентной диффузии, т. е. переноса целых объемов смеси, причем Dт>>Dмол и т>> л Схема турбулентного распространения пламени при слабой (а) и сильной (б) турбулизации реагирующей смеси Классификация турбулентного горения

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное (турбулентное) горение При масштабе турбулентности i меньшем толщины фронта пламени т ее относят к мелкомасштабной, при большем - к крупномасштабной. Механизм действия мелкомасштабной турбулентности обусловлен интенсификацией процессов горения за счет ускорения процессов тепломассопереноса в зоне пламени. При описании мелкомасштабной турбулентности в формулах для скорости распространения пламени коэффициенты диффузии и температуропроводности заменяются на коэффициент турбулентного обмена. Наибольшие скорости горения наблюдаются при крупномасштабной турбулентности. В этом случае возможны два механизма ускорения горения: поверхностный и объемный.

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное (турбулентное) горение Поверхностный механизм состоит в искривлении фронта пламени турбулентными пульсациями. В этом случае скорость горения возрастает пропорционально увеличению поверхности фронта. Однако это справедливо лишь для условий, когда химические превращения в пламени завершаются быстрее, чем успеет произойти турбулентное смешение. В том случае, когда турбулентное смешение обгоняет химическую реакцию, зона реакции размывается турбулентными пульсациями. Такие процессы описываются закономерностями объемного турбулентного горения. Ускорение горения за счет турбулентных пульсаций происходит по поверхностному механизму, если выполняется условие и по объемному, если Здесь – масштаб турбулентности, - пульсационная скорость , - время турбулентного смешения, - время протекания химической реакции

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное (турбулентное) горение Для оценки скорости распространения турбулентного пламени при поверхностном ускорении К. И. Щелкиным предложена формула: где В - слабо меняющееся число, не превышающее единицу. В пределе при сильной турбулентности турбулентная скорость пламени стремится к пульсационной скорости, т. е. В - к единице. При объемном турбулентном горении где - коэффициент турбулентной диффузии. При объемном механизме турбулентного горения скорость горения зависит как от кинетических характеристик смеси, так и от турбулентности

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное (турбулентное) горение Нормальное горение неустойчиво и в закрытом пространстве склонно к самоускорению. При распространения пламени в трубе Схема возникновения взрывного горения. Сначала у открытого конца трубы пламя распространяется с нормальной скоростью, т. к. продукты горения свободно расширяются и выходят наружу. Давление смеси не изменяется. Длительность равномерного распространения пламени зависит от диаметра трубы, рода горючего и его концентрации.

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Дефлаграционное (турбулентное) горение По мере продвижения фронта пламени внутрь трубы продукты реакции, имея больший объем по сравнению с исходной смесью, не успевают выходить наружу и их давление возрастает. Это давление начинает давить во все стороны, и поэтому впереди фронта пламени исходная смесь начинает двигаться в сторону распространения пламени. Прилегающие к стенкам слои тормозятся. Наибольшую скорость имеет пламя в центре трубы, меньшую – у стенок (из-за теплоотвода в них). Поэтому фронт Изменение относительной скорости пламени вытягивается в сторону распространения пламени коксового газа в смеси с распространения пламени, а поверхность воздухом в зависимости от числа Рейнольдса его увеличивается. Пропорционально этому увеличивается количество сгораемой смеси в единицу времени, которое влечет за собой возрастание давления, а то в свою очередь – увеличивает скорость движения газа и т. д. Таким образом, происходит лавинообразное повышение скорости распространения пламени до сотен метров в секунду, но не более скорости звука данной среде (а = 330 м/с). .

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Автотурбулизация горения (теория Л. Д. Ландау) Анализируя гидродинамические особенности горения, Л. Д. Ландау пришел к выводу, что малые возмущения (искривления) плоского пламени вызывают такие локальные изменения давления и скорости движения газа в зоне горения, которые должны приводить к прогрессивному возрастанию искривлений и росту поверхности пламени, при этом оно будет превращаться из тонкого слоя в размытую турбулентную область. Согласно теории, такое прогрессивное самоускорение должно быстро развиваться при условии, что критерий Рейнольдса для пламени велик по сравнению с единицей. Таким образом, плоское пламя принципиально неустойчиво, независимо от соотношения D и х, и должно самопроизвольно турбулизоваться. Это явление, получило название автотурбулизации нормального горения.

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Механизм перехода горения в детонацию Во фронте ударной волны происходит скачкообразное повышение давления и температуры среды. Скорость ударной волны равна сумме скоростей звука а и среды u Давление в переднем фронте волны: где -плотность среды Скачок давления, адиабатически разогревающий систему, повышает в ней температуру до температуры воспламенения и обеспечивает тем самым высокую скорость распространения реакции. В свою очередь выделяющаяся теплота способствует дополнительному разогреву и повышению давления, поддерживает распространение детонационной волны с постоянной для данной системы скоростью, компенсируя затраты энергии на сжатие вещества и потери в окружающую среду. Передача энергии от продуктов реакции к исходному веществу ударной волной обеспечивает сверхзвуковую скорость распространения взрывного процесса. Скорость детонации смесей горючего газа с воздухом находится в диапазоне 1 – 3 км/с.

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей Механизм перехода горения в детонацию Скорость распространения детонации зависит от количества выделяющейся при реакции теплоты: где – удельная теплота взрыва, – соотношение теплоемкостей продуктов детонации при постоянных давлении и объеме (константа адиабаты) Концентрационные (об. %) пределы детонации и дефлаграции Горючий газ Детонация Дефлаграция С 2 Н 2 4, 20 50, 00 2, 50 80, 00 Н 2 18, 30 58, 90 4, 00 74, 00 С 3 Н 8 2, 57 7, 37 2, 10 9, 50 С 6 Н 6 1, 6 5, 55 1, 30 7, 90 СН 4 5, 00 15, 00 NH 3 15, 50 27, 00 CO 12, 50 74, 20 ТГВ

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Механизм перехода горения в детонацию C B D N 3 В р е м я E A N 2 N 1 0 Е Е А Расстояние А Схема перехода горения газовоздушной смеси в детонацию При распространении горения в трубе по мере удаления фронта пламени (кривая ОЕ) от края трубы скорость его распространения увеличивается вследствие искажения фронта пламени и перехода горения на конвективный режим. Следствием этого является увеличение давления в зоне горения, что связано с увеличением скорости образования горючих газов и увеличивающимся сопротивлением отрезка трубы, через который они отводятся. При повышении давления в зоне горения из нее со скоростью звука в среде распространяются волны сжатия. Так как давление постоянно повышается, то можно условно представить себе процесс как распространение последовательных дискретных волн сжатия. Первая из них распространяется со скоростью звука в невозмущенной среде, каждая из последующих – со все большей скоростью, так как среда распространения оказывается сжатой и разогретой предыдущей волной, что приводит к увеличению в ней скорости звука. Положение таких волн сжатия, исходящих из точек N 1, N 2, N 3 фронта пламени, показано на графике прямыми.

Лекция 6 Теория горения газо-воздушных смесей ТГВ Механизм перехода горения в детонацию Последующие волны сжатия, распространяющиеся с повышенной скоростью, в конечном счете догоняют предыдущие и складываются с ними в точке А, образуя фронт ударной волны, достаточно интенсивной для возбуждения в среде самораспространяющейся химической реакции, т. е. детонации. Эта точка лежит впереди фронта пламени и отмечает на схеме положение плоскости, в которой инициируется детонация. Поскольку между этой плоскостью и фронтом пламени имеется слой непрореагировавшего вещества, детонация распространяется по трубе как вперед, так и назад до встречи с фронтом пламени в точке, где детонационная волна вырождается в ударную. Процесс, распространяющийся навстречу фронту пламени, называется ретонацией. Преддетонационный участок - расстояния от точки воспламенения до точки возникновения детонации Длина преддетонационного участка зависит от следующих факторов: v чем выше скорость и теплота горения, тем короче этот участок; v увеличение диаметра трубы уменьшает возмущающее воздействие стенок на фронт горения и увеличивает преддетонационный участок; v факторы, способствующие турбулизации и искажению фронта пламени, сокращают длину преддетонационного участка: o увеличение степени шероховатости стенок трубы, o наличие на пути распространения фронта пламени выступов или каких-либо других препятствий, o увеличении начального давления.

Лекция 6 Теория детонации газов ТГВ Гидродинамическая теория детонации газов Ударная волна распространяется по системе, способной к крайне быстрой реакции (взрывчатая газовая смесь) под действием скачка давления. Исходное состояние системы характеризуется начальным давлением Р 0 и начальным удельным объемом v 0. Под действием ударной волны состояние исходного вещества скачком изменяется и соответствует точке Р 1, v 1 адиабаты Гюгонио (кривая 1). Скорость изменения состояния в сильной ударной волне так велика, что приближенно переход из состояния Р 0, v 0 в состояние Р 1, v 1 можно считать мгновенным. Изменение состояния на диаграмме Р – v по мере прохождения реакции 1 – ударная адиабата для исходного BB, 2 – то же, для состояния, когда часть ВВ уже прореагировала На самом деле через некоторое время прореагирует только часть вещества и выделилось определенное количество тепла Δq и процесс пойдет по кривой 2. Скорость ударной волны равна

Лекция 6 Теория детонации газов ТГВ Гидродинамическая теория детонации газов Из графика следует: D ~ tgφ Из сопоставления формул следует, что Состояние Р 1, v 1 на диаграмме рис. 6. 1 отвечает фронту ударной волны и распространяется по веществу со скоростью D. Изменение состояния в процессе химической реакции должно происходить по прямой, соединяющей точки Р 1, v 1 и Р 0, v 0; только на этой прямой все промежуточные состояния распространяются по веществу с той же скоростью D, что и фронт волны Прямая Михельсона:

Лекция 6 Теория детонации газов ТГВ Условия перехода от адиабаты Гюгонио для исходного вещества к адиабате для конечных продуктов Точка касания 2 (точка Жугэ) отвечает конечному состоянию продуктов детонации после завершения химического превращения и выделения полного тепла Из рисунка видно, что: Р 2 < Р 1 и v 2 > v 1. Процесс химического превращения в детонационной волне сопровождается расширением вещества и падением давления. По мере прохождения реакции и выделения тепла давление падает и после завершения реакции оказывается значительно меньшим, чем в сжатом исходном веществе. Условие касания т. 2 Переход от адиабаты вещества к адиабате продуктов детонации: 0– 6– 1– 3 – адиабата Гюгонио для исходного вещества, 5– 2– 4 – то же, для конечных продуктов реакции, 0 – состояние исходного вещества

Лекция 6 Теория детонации газов Поскольку в точке касания адиабата Гюгонио совпадает с изэнтропой: то Используя формулу для скорости детонации (слайд 12) получим: Из уравнения сохранения массы Исключая v 0, получим: следует, что ТГВ

Лекция 6 ТГВ Теория детонации газов Величина – представляет собой местную скорость звука а 2, т. е. скорость звука в продуктах взрыва, в точке касания, тотчас после завершения реакции. Следовательно Скорость распространения детонации относительно продуктов равна местной скорости звука в продуктах реакции Связь между D и температурой продуктов взрыва (а) где k – константа адиабаты, равная отношению теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме; n - число молей на единицу веса. Вместо величины n можно ввести средний молекулярный вес продуктов взрыва (б)

Лекция 6 Теория детонации газов . ТГВ Связь между D и теплотой взрыва Т 2 – температура детонации, которая не равна температуре мгновенного превращения при постоянном объеме , где q - удельная потенциальная химическая энергия, выделяемая при реакции в виде тепла (удельная теплота взрыва). Из-за дополнительного разогрева при сжатии в детонационной волне . После ряда преобразований формулы (б) получим (в) Формула (в) справедлива лишь для продуктов взрыва, подчиняющихся уравнению состояния идеального газа.

Лекция 6 Теория детонации газов ТГВ Факторы, определяющие детонационную способность и параметры детонации газовоздушных и паровоздушных систем 1. Прибавление к гремучей смеси аргона или дополнительного количества водорода, являющихся в энергетическом отношении балластом, снижающим теплоту и температуру детонации, не уменьшает, а увеличивает скорость детонации. Из уравнения (а или б) видно, что скорость детонации при этом возрастает, так как введение балласта значительно снижает Т 2, но одновременно увеличивает n (уменьшает μ, ), а также k. Зависимость температуры от содержания аргона в стехиометрической смеси водород-кислород-аргон Зависимость параметра k от содержания водорода в киспородо-водородной смеси Зависимость скорости детонации от содержания водорода в кислородоводородной смеси, * - экспериментальные значения

Лекция 6 ТГВ

Лекция 6 ТГВ

Лекция 6 ТГВ