Источники турбулентности в потоках

Имеется два основных типа источников турбулентности — источники, генерируемые самим пламенем, и источники, через которые распространяется пламя. Первые из них образуются в результате нарастания толщины пограничных слоев над поверхностями, ограничивающими объем, в котором распространяется пламя.

Волны давления, генерируемые пламенем, приводят к движению газа перед фронтом пламени. Это движение при взаимодействии потока с какими-либо поверхностями способствует образованию пограничных слоев, которые турбу- лизируются при достаточно высокой скорости потока. Пламя в турбулентном пограничном слое распространяется быстрее, чем в прилегающем объеме, что ведет к образованию у поверхности отраженных пламен, которые в свою очередь обеспечивают возрастание полной эффективной скорости распространения пламени. При этом скорость роста давления в замкнутом объеме становится еще выше. Превосходные экспериментальные работы Утриева и др. [653] и Утриева с Оппенгеймом [654] по переходу горения в детонацию в водородо-кислородных смесях показали, что на поздних стадиях процесса непосредственно перед формированием детонационной волны пламя, распространяющееся в трубе, принимает форму конуса, причем ведущая зона пламени движется с очень большой скоростью по пристенному пограничному слою. При этом площадь поверхности пламени во много раз превосходит площадь поперечного сечения трубы, а давление за счет распространения пламени возрастает гораздо быстрее, чем на начальной стадии процесса распространения пламени в смеси. В экспериментах [376] обнаружено практически такое же поведение пламени при его распространении над пластиной, причем, как уже отмечалось выше, пламя распространялось быстрее всего по турбулентному пограничному слою, образовавшемуся при течении газа над пластиной.

Источники турбулентности второго типа — препятствия в потоке перед фронтом пламени — изучены в меньшей степени, и их воздействие на течение довольно трудно объяснить.

Если поток перед пламенем проходит сквозь препятствие C высокой скоростью, то интенсивность турбулентности потока за препятствием может стать достаточно высокой. К сожалению, весьма мало число экспериментальных работ по исследованию ситуаций, реализующихся при внешнем обтекании пламенем препятствий (например, элементов оборудования или изгибов каналов). В этом случае можно ожидать, что генерируемая при таком взаимодействии интенсивность турбулентности будет очень низкой, так как газ скорее обтекает препятствие, чем проходит через него. Исследования ускорения племени на препятствиях простой формы или ориентации проводились лишь в нескольких работах. Так, в работе [177] производилось центральное поджигание взрывчатой смеси в условиях почти постоянного давления. Точечный источник поджигания был окружен сеткой, полностью охватывающей область инициирования. Пламя распространялось с нормальной скоростью до тех пор, пока не достигало сетки. Затем, если эффективное число Рейнольдса Re_i/, соответствующее диаметру проволоки (из которой изготовлена сетка) и скорости потока перед сеткой, превышало значение примерно 60, то в области за сеткой пламя распространялось уже с более высокой скоростью, как показано на рис. 1.20. Существование предельного числа Рейнольдса, соответствующего скорости потока непосредственно перед подходом пламени к сетке, объясняется тем, что при Red < 60 поток газа за сеткой не турбулизуется, а при Re а > 60 турбулизуется. Заметим, что скорость распространения пламени за сеткой тем выше, чем больше число Рейнольдса. В последующих работах авторы

100 200 Ke_ti

Рис. 1.20. Зависимость относительной скорости горения β, равной отношению скорости пламени после прохождения .сетчатого экрана к скорости пламени перед экраном, от интенсивности турбулентности, генерируемой при прохождении пламени через сетчатый экран [177].

Число Рейнольдса Rea рассчитано по максимальной скорости пламени перед экраном и по диаметру проволоки.

работы [177] установили, что при более высоких значениях Re_d величина β (отношение скорости пламени за сеткой к скорости перец сеткой) выходит на предельное значение, которое для большинства углеводородо-воздушных смесей равно 6, а для ацетилена достигает 12.

Исследования взаимодействия пламени со сравнительно простыми препятствиями в условиях замкнутого объема проведены в работах [357, 191, 409]. В работе [357] исследовались распространение цилиндрического пламени в метано-воздушной смеси между двумя параллельными пластинами при наличии препятствия, представляющего собой спиральную проволоку, касающуюся одной или обеих пластин. При отсутствии препятствия пламя распространялось с нормальной скоростью около 6 м/с, а после установки спирали с определенными шагом и относительной степенью загромождения скорость пламени достигла 130 м/с. В другом эксперименте, описанном в работах [191, 409], открытая с одного конца труба диаметром 2,5 м и длиной 10 м заполнялась пропано-воздушной смесью и затем со стороны закрытого торца трубы производилось поджигание смеси одновременно несколькими искровыми источниками. В трубе размещались газопроницаемые перегородки со степенью загромождения сечения 16, 50 и 85%. В разных опытах по длине трубы располагались одна, три, шесть или девять равноотстоящих перегородок. В нескольких сечениях трубы регистрировалось давление. В опытах установлено, что при наличии в трубе шести перегородок давление в области между ними получается наиболее высоким, а в одном опыте (с шестью перегородками и

85%-ной степенью загромождения) датчик, расположенный у открытого торца трубы, зарегистрировал давление даже более высокое, чем дает расчет давления в постоянном объеме для адиабатических условий. Из этих экспериментов следует важный вывод о том, что существует определенное расположение препятствий, при котором ускорение пламени максимально. Кроме того, эти опыты показали, что газодинамические эффекты приводят к заметному повышению давления в отдельных областях потока еще до начала горения, а последующее очень быстрое сгорание газа в этих зонах может привести к локальному превышению давления даже над адиабатическим давлением.

<< | >>

↑

Источник: Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др.. Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ./Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др.; Под ред. Я. Б. Зельдовича, Б. Е. Гельфанда. — M.: Мир,1986. — 319 с., ил.. 1986

Еще по теме Источники турбулентности в потоках:

- Лазерная физика - Пространство и время - Физика взрывных явлений -

- Антропология - Астрономия - Безопасность жизнедеятельности - Библиотечное дело - Биология - Военное дело - География - Зоология - История - Культурология - Литература - Математика - Медицина - Педагогика - Политология - Право России - Право України - Психология - Религоведение - СМИ и журналистика - Социология - Технические науки - Транспорт - Физика - Философия - Финансы - Экология - Экономика - Этнография и демография - Юриспруденция - Языкознание -