ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 2, с. 61-64
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.3
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА АЭРОВЗВЕСИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИСКРОЙ
© 2015 г. А. Г. Егоров, А. И. Сафронов, А. С. Тизилов*
Тольяттинский государственный университет *Е-таИ: andrewtizilov@mail.ru Поступила в редакцию 22.05.2013; после обработки 22.09.2014
На основе модели очагового теплового зажигания исследован процесс воспламенения турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия порошка марки АСД-4. Определен критический радиус очага зажигания и выявлено влияние начальной турбулентности на развитие очага.
Ключевые слова: очаг зажигания, критический радиус очага, электроискровое зажигание, турбулентность, аэровзвесь частиц алюминия.
Б01: 10.7868/80207401X15020041
ВВЕДЕНИЕ
В тепловой модели зажигания газовоздушной смеси, предложенной Я.Б. Зельдовичем [1], искровой разряд приравнен к точечному, мгновенно действующему тепловому источнику, и энергия, выделяемая искровым зарядом, нагревает до некоторой температуры сферический объем газа радиусом г. Накопленное в этом объеме тепло за счет теплопроводности передается окружающей смеси, вследствие чего температура в первоначально нагретом объеме снижается, а окружающей смеси — увеличивается.
Зажигание горючей газовой смеси искровым разрядом сводится к нагреванию некоторого сферического объема этой смеси, радиус которого, гсг, должен превышать характерную ширину фронта ламинарного пламени 5,:
Гсг > 3.75,. (1)
Это условие обеспечивает воспламенение окружающей смеси до момента остывания первоначального объема.
Условие (1) можно рассматривать только как качественную связь между мощностью источника воспламенения и параметрами горючей смеси. Полученное значение коэффициента пропорциональности указывает лишь на порядок этой величины ввиду допущений, принятых при выводе формулы (1). Поэтому окончательная оценка справедливости условия зажигания начального очага, выраженного этой формулой, может быть сделана только на основании экспериментальных исследований [2]. Таким образом, как и для газовоздушной смеси, в турбулентном потоке аэро-
взвеси частиц алюминия зажигание сведется к нагреванию сферического объема, радиус которого должен превышать характерную ширину пламени — 5,.
В настоящей работе представлены результаты исследования процесса воспламенения турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия порошка марки АСД-4 на основе модели теплового очагового зажигания и выявлено влияние начальной турбулентности на развитие очага.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Схема экспериментального стенда, описание узлов и деталей конструкции установки, а также методика проведения исследования представлены в работах [3, 4]. Опишем лишь основные условия проведения эксперимента: рабочий участок экспериментальной установки представляет собой осе-симметричный канал диаметром БсЬ = 0.04 м с диаметром входного отверстия d0 = 0.02 м. Начальная скорость потока аэровзвеси на входе в рабочий участок канала изменялась в пределах и0 = 5—50 м/с.
Интенсивность турбулентности е варьировалась от 5 до 22% при помощи турбулизирующей решетки, которая устанавливалась на различных расстояниях от плоскости внезапного расширения. Для визуализации процесса развития начального очага воспламенения в зоне рециркуляции при искровом зажигании турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия применялся оптический метод с использованием кинокамеры СКС-1М со скоростью съемки 600 кадров в секунду.
62
ЕГОРОВ и др.
В качестве горючего использовался порошок алюминия марки АСД-4 (^32 = 7.4 мкм). Окислителем служил воздух с начальной температурой 293 К.
Наиболее удобным и достаточно удовлетворительным источником зажигания является электрический разряд, эффективно преобразующий электрическую энергию в тепло, которое концентрируется в относительно малом объеме. Поэтому для зажигания турбулентного потока аэровзвеси
Рис. 2. Зависимость г^ = Дт) для распространяющегося (кривая 1) и затухающего (кривая 2) пламени.
частиц алюминия использовалась электрическая свеча поверхностного разряда.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты визуализации процесса развития очага зажигания показали, что на начальном этапе происходит увеличение размера очага. Затем наблюдается либо взрывной рост очага в случае распространяющегося пламени (рис. 1б), либо полное угасание очага в случае затухающего пламени (рис. 1а).
Для обоих случаев зажигания на начальном этапе, при т « 1.0 • 10-3 с, происходит формирование начального очага. Затем в случае затухающего пламени (рис. 1а) размеры очага за время т « ~ (1.6^3.2) • 10-3 с остаются постоянными, после чего он угасает. В случае распространяющегося пламени (рис. 1б) при т « 1.6 • 10-3 с размер очага остается неизменным (ть ~ 1 мм). После чего происходит резкое увеличение начального очага и заполнение зоны рециркуляции при т « 3.2 • 10-3 с. Далее, при т « 4.8 • 10-3 с, пламя из зоны рециркуляции распространяется в основной поток алю-миниево-воздушной смеси.
В обоих случаях постоянное значение размера начального очага зажигания (ть ~ 1 мм) за период времени т « (0^1.6) • 10-3 с говорит о том, что скорость роста распространяющегося пламени равна нулю, а температура в центре очага практически
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА
63
не изменяется. Этот момент соответствует критическому состоянию очага. Такая особенность характерна для области вырожденного очагового взрыва [5].
На рис. 2 представлена зависимость гк = /(т) для затухающего (кривая 2) и распространяющегося (кривая 1) пламени. Из этого рисунка видно, что для частиц алюминия порошка марки АСД-4 с размером й31 = 7.4 • 10-6 м период индукции составляет т « 2.0 • 10-3 с. Определенное в настоящей работе значение т « 2.0 • 10-3 с, согласуется с величиной периода индукции, полученной при воспламенении аэровзвеси порошка алюминия марки АСД-4 за отраженными ударными волнами в атмосфере чистого кислорода [6].
Таким образом, чтобы воспламенить аэровзвесь частиц алюминия порошка марки АСД-4 в зоне рециркуляции электрической искрой, критический радиус очага должен быть гсг > 1 мм. При этом можно предположить, что ближайшие частицы алюминиево-воздушной смеси успеют воспламениться прежде, чем нагретый искрой начальный очаг остынет. Учитывая, что для порошка алюминия 5, = 2 • 10-3 м [7], условие Я.Б. Зельдовича (1) для аэровзвеси частиц алюминия порошка марки АСД-4 запишется следующим образом:
гс„ > 0.55,.
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НА РАЗВИТИЕ ОЧАГА
Поведение начального очага зависит от того, будет ли скорость выделения тепла в процессе горения превосходить скорость теплоотвода в окружающую среду вследствие излучения и турбулентной диффузии. Поскольку теплоотвод от очага осуществляется посредством турбулентной диффузии, а его интенсивность определяется величиной пульсационной скорости, необходимо установить влияние начальной турбулентности на процесс развития начального очага в зоне рециркуляции.
Влияние начальной турбулентности на развитие очага зажигания для порошка марки АСД-4 представлено на рис. 3. На первой стадии процесса зажигания (т « 1.3 • 10-3 с) наблюдается положительное влияние турбулентности на рост очага за счет увеличения интенсивности тепло-массообменных процессов, протекающих на поверхности частицы и приводящих к увеличению скорости химической реакции. На второй стадии (т « 1.5 • 10—3—3 • 10-3 с) турбулентность снижает скорость развития начального очага за счет интенсивного теплоотвода из зоны реакции.
Полученное значение радиуса критического очага можно использовать для расчета минимальной энергии искрового разряда, ЕтПп. Согласно
гь, мм
1
2
т ■ 10-
Рис. 3. Влияние начальной турбулентности на развитие очага зажигания для порошка марки АСД-4: кривая 1 — 5 = 5%, кривая 2 — 5 = 22%.
Я.Б. Зельдовичу [1], создание очага горения, способного к распространению в аэровзвесях частиц алюминия, так же как и в газовоздушных смесях, будет обусловлено равенством его диаметра ширине зоны горения 8,. Соответственно, Ет1п должна обеспечить нагрев определенного объема аэровзвеси радиусом гсг от начальной температуры Т0 до температуры горения Ть, а также должна быть пропорциональна ширине фронта пламени [1]:
ЕтЫ = Ъ/СрР(Ть - То),
(2)
где ср — теплоемкость аэровзвеси при постоянном давлении, р — плотность аэровзвеси (1782 кг/м3) [8].
Расчет минимальной энергии по формуле (2) показал, что для воспламенения аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4 минимальное значение энергии искры должно составлять 0.025 Дж, что соответствует экспериментально полученному значению энергии воспламенения порошка алюминия с размером частиц, соответствующим порошку марки АСД-4 [9]. Начальная скорость распространения пламени, измеренная по кинограмме, составляет 20 м/с для аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4, что подтверждается экспериментальными значениями скорости распространения пламени в аэровзвеси частиц алюминия [10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований определен критический радиус очага при электроискровом зажигании потока аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4, изучена динамика процесса и установлено влияние начальной турбулентности на развитие очага в зоне рециркуляции.
Полученные результаты можно использовать для разработки средств пожаробезопасности при
6
4
2
0
с
64
ЕГОРОВ и др.
расчете минимальной энергии зажигания потока аэровзвеси частиц алюминия в трубопроводе с переменным сечением; уточнения существующих математических моделей воспламенения аэровзвеси частиц алюминия в турбулентном потоке воздуха, а также при организации процесса зажигания порошкообразного алюминия в камерах сгорания перспективных энергетических и технологических установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980.
2. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.
3. Егоров А.Г., Иванин С.В., Малинин В.И. // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. № 3. С. 1.
4. Егоров А.Г. // Хим. физика. 2006. Т. 25. № 1. С. 74.
5. Буркина Р.С., Князева А.Г. // Физика го
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.