ВИВЧЕННЯ ГОРІННЯ В ДВИГУНІ
Максимум - для
Таблиця 2 Вплив характеристик свіжої суміші [2]
Ми також маємо такі впливи:
- Вплив температури:
Що стосується сумішей вуглеводнів і повітря, експерименти Dugger & Al. Приводячи до залежності залежності між початковою температурою та швидкістю полум'я ламінару, насправді існує залежність пропорційності:
Де 1,5 0 в основному обумовлено ефектами попереднього нагрівання.
· Вплив температури полум'я дуже значний на швидкість полум'яного ламінару. Це пов’язано з тим, що швидкість реакції базується на полум’ї Т. Під час реакцій багато вільних радикалів вступають у гру і допускають ланцюгові реакції і, отже, розповсюдження полум'я відповідно до тієї самої швидкості реакції.
- Вплив тиску:
Загалом, передбачається, що швидкість ламінарного полум'я змінюється у залежності від тиску наступним чином:
Де n - порядок реакції.
Ми бачимо, що коли n = 2; для реакцій, що мають другий порядок, швидкість полум'я не залежить від тиску. У більшості випадків n = 1,75 і швидкість полум'я зменшується із збільшенням тиску. У цьому випадку дисоціація зменшується. Температура дещо зростає у випадку тиску, близького до атмосферного, але значно більше у випадку субатмосферного тиску.
2- Турбулентне дослідження:
В ламінарі передбачалося, що умови потоку не змінюють хімічних механізмів або швидкості виділення пов'язаної з ними хімічної енергії.
Однак у більшості конфігурацій потоку може існувати взаємодія між характером потоку та хімічною реакцією. Коли це стає турбулентним, виникають терміни коливань:. Ступінь впливу кожного з цих коливань на хімічні реакції, швидкість виділення тепла та структуру полум’я залежить від характерного часу цих коливань.
Наприклад, якщо хімічна реакція T: a) швидкість турбулентного полум’я:
Швидкість розповсюдження полум’я, що зазначається в більшості робіт S T, збільшується, коли суміш піддається інтенсивному турбулентному руху. Дійсно, діють декілька явищ, зокрема через дифузію луски колмогорів, яка збільшує товщину полум'я. Також відбувається розширення та стиснення фронту полум’я (його називають розтягнутим, що він згортається) і, отже, збільшення швидкості реакції. Паливо згорає більше, і площа полум'я збільшується, а отже, і швидкість полум'я.
Вплив турбулентності на розтягнення фронту полум’я
Враховуючи пульсуючий і випадковий характер турбулентної дифузії, у стаціонарному стані розподіл температур, концентрацій та швидкості реакцій у кожній точці зони горіння постійно змінюються з часом.
У нас є відношення, яке називається відношенням Карловіца (1951) (Принципи горіння, Куо):
Де u '- турбулентна інтенсивність холодних газів над полум'ям
б) Вплив коливань турбулентності:
Дамкольгер вперше порівняв " лінійні характеристики турбулентності: довжину змішування об'єму в турбулентному потоці та горіння та ": товщину полум'я. Можна розглянути два типи горіння:
o Мікротурбулентне горіння, при якому довжина змішування менше товщини полум'я, де ефект турбулентності полягає в інтенсифікації процесу перенесення всередині полум'я,
o Макротурбулентне горіння, коли довжина суміші перевищує товщину фронту полум’я, зона згоряння потім пом’ять коливаннями швидкості, так що площа її поверхні збільшується (Рисунок 3).
У кожній точці деформованого, зморщеного фронту полум'я швидкість дефлаграції залишається рівною. Поширення середнього фронту полум’я відбувається зі швидкістю:
Де загальна площа фронту зім'ятого полум'я та середня площа фронту полум'я. Початкова турбулентність суміші та індукована горінням збільшують площу полум’я, тоді як ламінарна швидкість дефлаграції має тенденцію до зменшення цієї площі.
Рисунок 3 Мікротурбулентне та макротурбулентне полум’я
Розглянемо кубічну камеру, куди паливо впорскується через вхідний отвір. Усередині корпусу відбувається горіння, і тому з'являється фронт полум'я.
Ми припускаємо, що ми перебуваємо в стаціонарному стані, щоб спростити вирішення рівнянь Стовкса Нав'є.
Давайте напишемо ці рівняння:
З: другий член - термін дифузії
wf - швидкість реакції
Інтегруючи це рівняння за обсягом, отримуємо:
Або, оскільки градієнт Yf дорівнює нулю при вході та виході, насправді Yf y є постійним.
Крім того, на виході все паливо спожито, а тому Yfs дорівнює нулю, вважається, що більше не залишилося пального.
Нарешті ми отримуємо:
Або повернувшись до швидкості турбулентного та ламінарного полум’я, ми отримуємо:
3- Кількісне визначення швидкості полум'я:
а) Швидкість полум'я ламінару:
Використовуючи криву швидкості полум’я, а потім, враховуючи багатство 1 і паливо ізооктан, ми вимірюємо S L, o, яке становить приблизно 32 см/с.
Опорний тиск і температура складають відповідно 1 атм і 300 ° К. Крім того, ми вважаємо, що співвідношення становить приблизно 1, а температура свіжих газів Tu дорівнює 600 ° K на початку згоряння (верхня мертва точка)
Потім для гоночного мотоцикла отримують ламінарну швидкість полум’я 145 см/с. Цю швидкість полум'я можна уподібнити швидкості на холостому ході, тобто там, де турбулентність майже не існує, а потік можна розглядати як ламінарний.
У разі дослідження Формули 1 отриманими результатами є швидкість полум'я 145 см/с
б) Швидкість турбулентного полум’я:
У цьому прикладі ми переходимо до високої робочої швидкості: номінальної швидкості.
У випадку дослідження гоночного мотоцикла ми маємо номінальну швидкість 19000 об/хв. В якості першого наближення до порядку 0 буде зроблено припущення, що коливальна швидкість u '- це максимальна швидкість поршня або середня швидкість за цикл (робота на номінальній швидкості та відповідність обмеженням в технічних характеристиках), c' є сказати близько 35м/с. Для цих значень ми знаходимо турбулентну швидкість полум'я 36 м/с. У разі вивчення Формули 1 отриманими результатами є швидкість полум'я 36,45 м/с
Зверніть увагу, що ці значення швидкості полум’я є лише порядками, враховуючи недостатню точність певних розрахунків та велику кількість різноманітних співвідношень, що дають значення швидкості турбулентного полум’я.
Отже, видно, що турбулентність збільшує швидкість полум’я. Ось чому при швидкій роботі турбулентний потік сприяє згорянню, оскільки створює більшу швидкість полум'я. У більшості випадків ламінарна швидкість полум'я недостатньо швидка.
4- Кількісна оцінка часу горіння:
а) Ламінарний футляр або швидкість холостого ходу:
Розглянемо, все ще шукаючи порядок величини, середній шлях фронту полум’я як радіус камери згоряння: отвір/2. Час горіння можна визначити як:
Отримуємо для дослідження гоночного мотоцикла: T r = 0,023 с
Для вивчення Формули 1 час горіння становить 0,066 с
b) Турбулентний або високошвидкісний корпус:
Так само ми маємо
Отримуємо для гоночного мотоцикла: T T = 9,2 * 10 -4с
Для дослідження Формули 1 час горіння становить 0,135 * 10¨² с
Насправді, у більшості випадків ми намагаємось забезпечити горіння з постійним кутом колінчастого вала та проти змінного часу горіння залежно від обраної швидкості. Ось чому згодом ми оцінимо кути колінчастого вала, щоб перевірити, що вони більш-менш постійні.
5- Кількісна оцінка ступенів кутів колінчастого вала, необхідних для горіння:
а) Ламінарний футляр або швидкість холостого ходу:
Кути колінчастого вала обчислюються наступним чином:
Де N r частота обертання двигуна в об/хв
Для мотоцикла ми отримуємо для швидкості 1000тр/хв, q r = 138 °
Для Формули 1 при швидкості 1000 об/хв маємо q r = 396 °, тому для розповсюдження полум'я потрібно більше одного оберту колінчастого вала.
б) Турбулентний або високошвидкісний корпус
Розглядаючи той самий зв'язок, але в турбулентному випадку, ми отримуємо для швидкості 19000 об/хв значення q T = 104 ° для мотоцикла і для швидкості 16500 об/хв у випадку Формули 1 значення q T = 133 °.
IV-розмір свічки:
Електричний розряд між двома електродами спричиняє швидке підвищення температури в дуже малому обсязі газу. У зоні іскри ця температура перевищує 10 000 ° C. Горючі суміші реагують на дуже високих швидкостях, виключаючи будь-які затримки в розвитку хімічних реакцій. Для забезпечення займання горючої суміші електричний розряд повинен супроводжуватися достатньою кількістю енергії, щоб забезпечити умови автономного поширення фронту полум’я.
Рівняння поширення тепла у випадку сфери радіуса r, в якій створюється потужність Pc на одиницю об'єму, записується:
Де a: теплова дифузійність
k: теплопровідність
Це рівняння важко обробити, ми віддаємо перевагу наступному спрощеному розвитку: враховуючи, що об'єм вихідного ядра, доведеного до високої температури, має радіус r, що d L - товщина фронту полум'я, сферичний об'єм, зайнятий початковим ядром варте і того полум’я .
Послідовні шари газу перед фронтом полум’я нагріваються за допомогою термоконвективного теплообміну і досягають умов, необхідних для розвитку хімічних реакцій, що передують полум’ю. Щоб горіння було автономним, за відсутності іскри, необхідно, щоб серцевина розвивалася швидше, ніж полум'я, щоб нагріти зовнішні шари, що передують цьому полум’ю.
Варіації обсягу вихідного ядра та полум'я записуються відповідно:
Початковий об'єм збільшується, коли:> тобто коли r c d L (1 + 2 0,5).
Приблизно; критичний радіус початкового ядра, від якого тепло, яке створюється полум'ям, поширюється на зовнішні шари горючого середовища, має порядок у 2,4 рази більше товщини фронту полум'я:
V-поведінка полум'я на стіні:
Явище, що виникає, коли полум’я стикається зі стіною, не часто вивчається в більшості робіт, зокрема через незначне знання останньої. Однак його вплив на горіння та на тепловий потік через стіну дуже сильний.
Полум’я, що наближається до стіни, швидко затухає через низьку температуру стін, що стримує хімічні реакції. Насправді відбувається поглинання вільних радикалів на стінці і, отже, зменшення ланцюгових реакцій горіння. Це буде продовжувати зменшуватися. Тому полум'я не досягає стін, вони заздалегідь задихаються, відбувається явище, яке називається "гасіння". Це відбувається за кілька мікрометрів до стіни, так що полум'я не торкається її.
Вивчення взаємодії між теплообміном у стіні та явищем, що виникають між полум’ям та стіною, є дуже нудною справою. Перше виконується експериментально, а друге - більш цифровим способом.
1- Ламінарний режим:
Перш за все, щоб охарактеризувати цей випадок, наведемо два параметри:
- відстань між полум'ям і стіною: Dfm
- максимальний тепловий потік: f м
Ми також представляємо місцевий номер Пекле:
Де d являє собою характерну товщину полум'я
а) "Лобове гартування":
Це явище виникає, коли полум'я "стикається" з холодною стіною, для Пекле порядку 3. Експериментальні вимірювання дають значення f m 0,34
b) "Гартування в бічній стінці":
Це відбувається, коли полум’я поширюється паралельно стіні. Спостерігається локалізоване задушення полум’я. У цьому випадку число Пекле становить приблизно 7 і f m 0,16.
в) "Трубка загартування":
Все полум’я задушено в трубці з досить малим радіусом R. У цьому випадку число Пекле дорівнює 50.
Навіть якщо дослідження взаємодії ламінарного полум'я/стінки надає цінну інформацію про еволюцію полум’я, вплив турбулентності все ще невідомий.
Взаємодія між стіною та попередньо змішаною турбулентною сумішшю включає три типи механізмів:
o втрати тепла через стіну впливають на структуру полум'я і викликають місцеве задушення
o стіна? ? ? ? (Англійською мовою не перекладено)
o стіна, що впливає на турбулентну структуру, і "ламінарізує" потік біля стіни. Це призводить до зменшення розтягування через турбулентність і, як наслідок, зменшення площі фронту полум'я.
VI-Вплив дилатації:
Щоб визначити ефект цього розширення, ми вивчимо випадок зростаючого сферичного полум’я.
R (t) ми називаємо радіусом полум’я в момент часу t. Полум'я вважається ламінарним і споживає свіжий газ із масовим коефіцієнтом споживання, де S L - швидкість ламінарного полум'я.
Запишемо баланс маси спалених газів:
Збільшення димових газів = Зменшення кількості свіжого газу
Тоді ми отримуємо:
Насправді на самому початку хімічної реакції ламінарне полум'я має швидкість. Однак під час горіння додаткові зусилля, як правило, відштовхують фронт полум'я, який буде оживлений швидшим рухом чорнила. .
Горіння нескінченно швидке? Якщо ні, то чи може вона бути?
Пророблена нами робота дозволила нам відповісти на це питання. Фактично було показано, що турбулентність була рушійною силою згоряння, особливо в машинобудуванні, де час горіння обмежений умовами експлуатації, зокрема для високих швидкостей (гоночний мотоцикл, Формула 1.). Розтягування фронту полум'я, турбулентність спричиняє збільшення площі цього фронту. Це згодом призводить до збільшення швидкості полум’я і, отже, швидшого горіння.
Однак збільшення швидкості горіння за рахунок ефекту турбулентності має бути оптимізовано, щоб не потрапити в протилежні ефекти. Дійсно, може статися так, що коли час циклу дуже короткий (на великій швидкості), згорілі гази не виходять повністю з камери згоряння. Таким чином, не тільки свіжі гази не можуть утилізувати загальний об’єм камери, але, крім того, змішуються з цими спаленими газами, зменшуючи багатство суміші. Це призводить до значного зменшення швидкості полум’я.
Тому оптимізація потребує інтерактивного вивчення термодинамічних явищ (турбулентність, тиск, температура, об’єм, зайнятий газами.) І механічних обмежень (розмір клапана, час відгуку).
Словник: "Les Mots de la Combustion" (французька група згоряння, французька секція Інституту горіння), що пояснює всі технічні терміни, що використовуються при згорянні, доступний за такою адресою:
Останнє дозволяє, з французького слова, знайти еквівалентний вираз англійською мовою та отримати чітке пояснення шуканого явища.