ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 630-633
УДК 532.529
ГЕНЕРАЦИЯ СВОБОДНЫХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ОГНЕННЫХ ВИХРЕЙ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
© 2015 г. А. Ю. Вараксин12, М. В. Протасов1, М. Э. Ромаш1, В. Н. Копейцев1
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва 2Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана E-mail: varaksin_a@mail.ru Поступило в редакцию 15.08.2014 г.
Продемонстрирована принципиальная возможность физического моделирования свободных концентрированных огненных вихрей без использования принудительной закрутки. Генерация вихревых структур происходила при горении таблеток уротропина (гексаметилентетрамина), располагаемых на подстилающей поверхности (лист алюминия). С использованием фотосъемки получены первые данные, касающиеся особенностей процесса возникновения огненных вихрей. Проведены оценки некоторых интегральных параметров генерируемых огненных вихревых структур (время жизни, высота, диаметр).
DOI: 10.7868/S0040364415040237
ВВЕДЕНИЕ
Вихревое течение является одной из основных форм движения сплошной среды. В огромном многообразии вихревых потоков отчетливо выделяются концентрированные вихри, широко распространенные в природе (воздушные, водяные смерчи и огненные смерчи, пыльные "дьяволы") и находящие свое применение во многих технических устройствах (вихревые топочные камеры и горелки, центробежные форсунки, циклонные сепараторы, вихревые трубы, различные турбули-заторы) [1—5]. Поэтому физическое моделирование концентрированных вихрей в лабораторных условиях является актуальной задачей.
Ограниченные стенками вихревые течения формируют посредством тангенциального соплового подвода среды, использования механических закручивающих устройств [6—9] и интенсивного вращения корпусных элементов каналов (вращающихся труб). Генерацию свободных (не ограниченных стенками) концентрированных вихрей (в том числе и огненных) осуществляют, как правило, с использованием вентиляторов и/или путем вращения основания (подстилающей поверхности) экспериментальной установки [10— 12]. Получаемые указанными способами стационарные вихревые потоки удобны для детального экспериментального изучения, однако их характеристики могут значительно отличаться от параметров реальных нестационарных вихревых структур, наблюдаемых, например, в земной атмосфере.
Исследование свободных нестационарных концентрированных вихрей осложнено вследствие целого ряда причин: спонтанности образования, пространственно-временной нестабильности, практической невозможности управления характеристиками и т.д. Из-за указанных выше особенностей к настоящему времени практически отсутствуют экспериментальные работы, где получены результаты по устойчивости и динамике свободных нестационарных концентрированных вихрей, приемлемые для верификации математических моделей. Исключением являются работы авторов по изучению возможностей генерации и управления поведением свободных нестационарных воздушных вихрей (например, [13—18]).
Целью настоящего исследования является демонстрация принципиальной возможности генерации свободных концентрированных огненных вихрей в лабораторных условиях без использования механических закручивающих устройств, а также оценка их интегральных параметров.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И РЕЗУЛЬТАТЫ
Для генерации нестационарных огненных вихрей использовалась простая установка, схема которой показана на рис. 1. Она располагалась в комнате с полом 1 площадью 6 х 6 м2, потолком 2 высотой 3.3 м на расстоянии 0.5 м от одной из стен 3. Экспериментальная установка представляла собой стол 4 высотой 0.35 м, имеющий три ножки 5. В качестве горизонтальной поверхности
Рис. 2. Схема расположения таблеток горючего на Рис. 1. Схема экспериментальн°й установки. подстилающей поверхности (режим № 3).
стола 4 выступал лист алюминия (марка Д16АМ) диаметром 1100 мм и толщиной 1.5 мм. Верхняя (подстилающая) поверхность алюминиевого листа была зачернена жаростойкой краской. Перед проведением экспериментов в центральной части подстилающей поверхности размещались таблетки уротропина 6 (гексаметилентетрамин, химическая формула — C6H12N4). Масса каждой таблетки — 21 г (диаметр — 40 мм). Теплота сгорания уротропина — 30 МДж/кг.
Эксперименты проводились для разного количества горючего (числа таблеток). Первый, второй и третий режимы соответствовали случаям горения 1, 7 и 19 таблеток соответственно. Так, для режима № 3 19 таблеток располагались в центре подстилающей поверхности, формируя вписанный в окружность (диаметр — 300 мм) шестиугольник (рис. 2). При проведении эксперимента они поджигались, формируя пламена 7 (рис. 1). В процессе горения таблеток наблюдалась генерация огненных вихрей 8 (рис. 1), высота которых, как правило, существенно превосходила средне-интегральную высоту пламени над областью расположения горючего.
Фотосъемка процесса горения и генерируемых вихревых структур проводилась с использованием располагаемого на стойке 9 цифрового фотоаппарата 10 (модель Canon SX20, Япония). Для измерения температуры воздуха применялась хромель-алюмелевая термопара.
Описанная простая экспериментальная установка позволяет осуществлять сжигание твердого горючего с выделением контролируемого количества теплоты, а также фотосъемку некоторых особенностей процесса сгорания таблеток и генерации огненных вихрей.
Зависимости температуры воздуха от времени на расстоянии 1 м от центра подстилающей поверхности и максимальной (над центром поверхности) высоты пламени для разных режимов приведены на рис. 3 и 4 соответственно.
Сильная зависимость высоты пламени (так же как и температуры воздуха) от времени связана с существенной нестационарностью процесса горения таблеток горючего. Сначала они разгораются — это приводит к росту высоты пламени. Затем следует непродолжительный период относительной стабилизации (высота пламени изменяется слабо), и вскоре начинается достаточно продолжительный период их затухания. Следует заметить, что процесс горения обладает и собственной высокочастотной нестационарностью (неустойчивостью).
Образующиеся (наблюдаемые) вихревые структуры также являются существенно нестацинарны-ми и характеризуются относительно небольшими временами жизни и пространственно-временной нестабильностью параметров (высота, диаметр, характерная скорость и др.).
В процессе горения таблеток наблюдалась генерация огненных вихревых структур, высота которых, как правило, значительно (до 2—3 раз) превосходила среднеинтегральную высоту фронта пламени над областью расположения горючего (рис. 5). При этом признаком возникновения огненных вихревых структур также являлось появление винтовых траекторий у нагретых частиц продуктов сгорания.
Многократное повторение опытов позволило сделать следующие заключения. Образование огненных вихревых структур наблюдалось лишь при сжигании 7 и 19 таблеток горючего, т.е. при работе в режимах № 2 и № 3. Количество и размеры генерируемых вихрей были значительно боль-
632
ВАРАКСИН и др.
Та, °С
т, с
Рис. 3. Распределения температуры воздуха: 1 — режим № 1, 2 — № 2, 3 — № 3.
ше при работе в режиме № 3, который и был выбран в качестве основного.
Фотосъемка производилась в ручном режиме с выдержкой 0.01 с. Покадровый анализ позволяет получать информацию о следующих параметрах процесса генерации огненных вихрей и их интегральных характеристиках: 1) временном диапазоне образования огненных вихревых структур,
2) области возникновения огненных вихрей,
3) количестве наблюдаемых огненных вихрей за один эксперимент, 4) времени жизни огненных вихревых структур, 5) высоте огненных вихрей, 6) диаметре огненных вихрей.
Многократное проведение экспериментов (режим № 3) позволило сделать несколько важных заключений. Первые огненные вихри начинали образовываться через 4 минуты, а самые последние — через 12 мин после поджога таблеток. Генерация огненных вихревых структур происходила как в центре области расположения горючего, так и на ее периферии. Количество фиксируемых огненных вихрей — до 15 за один эксперимент. Несколько раз в экспериментах наблюдалась практически одновременная генерация сразу двух огненных вихревых структур (см. рис. 5в). Время жизни подавляющего большинства генерируемых вихрей составляло от 1 до 5 с; наибольшая высота огненных вихрей достигала 0.7 м, а их максимальный диаметр — 0.05 м.
Процесс формирования огненного вихря, вероятно, сопровождается заметным радиальным притоком воздуха со всех направлений к основанию основного (центрального) конвективного потока и сопутствующим закручиванием потока относительно вертикальной оси вследствие нали-
Ь, м
т, с
Рис. 4. Зависимости высоты пламени над центром подстилающей поверхности: 1 — режим № 1, 2 — № 2, 3 — № 3.
чия градиентов скоростей и температур. Поток продуктов сгорания в огненном вихре состоит из комбинации относительно тонких вихревых нитей, вращающихся и взаимодействующих друг с другом.
Таким образом, в работе показана принципиальная возможность физического моделирования огненных вихрей без использования принудительной закрутки. Генерируемые огненные вихревые структуры являются лабораторными аналогами огненных вихрей и смерчей, часто возникающих при лесных пожарах и возгораниях на больших площадях в городских районах при плотной застройке, а также на лесоперерабатывающих предприятиях.
(а) (б) (в)
Рис. 5. Типичные фотографии (режим № 3, размер изображений — 840 х 1100 мм): (а) — обычное горение таблеток, (б) — зафиксированный огненный вихрь, (в) — зафиксированные два огненных вихря.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показана принципиальная возможность физического моделирования свободных концентрированных огненных вихрей в лабораторных условиях без использования механических закручивающих устройств. Описана простая экспериментальная установка, позволяющая осуществлять генерацию нестационарных огненных вихревых структур путем сжигания твердого горючего (уротропина), располагаемого на металлической подстилающей поверхности. С использованием фотосъемки получены некоторые данные об условиях генерации и интегральных параметрах огненных вихрей.
Работа вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.