Аннотация
В работе представлены результаты комплексного экспериментально-теоретического исследования реагирующих течений, образуемых ламинарной струей топлива в спутном потоке окислителя и струей окислителя в потоке топлива. В качестве топлива использовался водород, разбавляемый различными негорючими газами (азот, углекислота, неон), что позволяло варьировать теплофизические свойства топлива. Получены данные о полях температур, скоростей и концентраций в обеих указанных конфигурациях при различных соотношениях между скоростями струи и спутного потока в виде негорючего газа-разбавителя и его содержания в топливной смеси. Показано, что особенности процессов переноса тепла и вещества оказывают значительное влияние на горение. В частности, избирательная диффузия, которая является по существу отражением нарушения подобия между переносом тепла и диффузией в реагирующей смеси газов, может быть причиной таких необычных явлений, как превышение значения адиабатной температуры в обращенном пламени и локальное погасание пламени в окрестности вершины диффузионного факела. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что температура фронта пламени в конфигурации «струя топлива в спутном потоке воздуха», не превышает адиабатную температуру сгорания, тогда как в обращенной конфигурации наблюдается область потока, где уровень температур может существенно (более 390 градусов) превышать адиабатную температуру сгорания исходной топливной смеси. Численное моделирование позволило получить не только тепловую картину пламени, но и распределения промежуточных веществ во фронте реакции. Это дало возможность проанализировать вклады отдельных компонент газовой смеси в суммарную энтальпию. В результате было установлено, что избирательный диффузионный перенос атомарного и молекулярного водорода оказывает основное влияние на характер распределения энтальпии и температуры в обращенном пламени.
Ключевые слова: горение, водород, воздух, газовая смесь, прямое пламя, обращенное пламя, адиабатная температура, локальное погасание, избирательная диффузия
Список литературы
1. Flamelet-modeling of inverse rich diffusion flames / F. Hunger, B. Stelzner, D. Trimis, C. Hasse // Flow Turbulence Combust. – 2013. – Vol. 90. – P. 833–857. – doi: 10.1007/s10494-012-9422-z.
2. Алексеев М.М., Самсонов В.П. Стабилизация обращенного пропано-воздушного пламени на струне, натянутой вдоль потока // Физика горения и взрыва. – 2009. – Т. 45, № 2. – С. 3–11.
3. Назаров А.В., Шторк С.И. Исследование пламени в модели мезомасштабной камеры сгорания // Научный вестник НГТУ. – 2014. – № 1 (54). – С. 114–121.
4. Лукашов В.В., Жиливостова С.В. О проявлении многокомпонентной диффузии в ламинарном пограничном слое с инородным вдувом // ТиА. – 2008. – Т. 15, № 3. – C. 505–511.
5. On the nature of superadiabatic temperatures in premixed rich hydrocarbon flames / V.V. Za-mashchikov, I.G. Namyatov, V.A. Bunev, V.S. Babkin // Combustion, Explosion, and Shock Waves. – 2004. – Vol. 40, N 1. – P. 32–35.
6. Numerical study of the superadiabatic flame temperature phenomenon in hydrocarbon premixed flames / F. Liu, H. Guo, G.J. Smallwood, O.L. Gulder // Proceedings of the Combustion Institute. – 2002. – Vol. 29 – P. 1543–1550.
7. Ishizuka S., Sakai Y. Structure and tip-opening of laminar diffusion flame // 21st Symposium (International) on Combustion, Munich, West Germany, 3–8 August 1986. – Pittsburgh, PA, 1986. – P. 1821–1828.
8. On flames established with air jet in cross flow of fuel-rich combustion products / V.R. Kat-ta, D.L. Blunck, N. Jiang, A. Lynch, J.R. Gord, S. Roy // Fuel. – 2015. – Vol. 150. – P. 360–369.
9. Термогазодинамика горения и взрыва водорода / Б.Е. Гельфанд, М.Е. Сильников, С.П. Медведев, С.В. Хомик. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. – 584 с.
10. Chen R.-H., M. Chaos M., Kothawala A. Lewis number effects in laminar diffusion flames near and away from extinction // Proceedings of the Combustion Institute. – 2007. – Vol. 31. – P. 1231–1237.
11. Effects of Lewis number and preferential diffusion on flame characteristics in 80%H2/20%CO syngas counter flow diffusion flames diluted with He and Ar / J. Park, D.H. Lee, S.H. Yoon, T.M. Vu, J.H. Yun, S.I. Keel // International Journal of Hydrogen Energy. – 2009. – Vol. 34. – P. 1578–1584.
12. Law C.K., Chung S.H. Steady state diffusion flame structure with Lewis number variations // Combustion Science and Technology. – 1982. – Vol. 29. – P. 129–145.
13. Chung S.H., Law C.K. Burke–Schumann flame with stream wise and preferential diffusion // Combustion Science and Technology. – 1984. – Vol. 37, N 1–2. – P. 21–46.
14. Law C.K. Combustion physics. – Cambridge: Cambridge University Press, 2010. – 742 p.
15. Takagi T., Xu Z., Komiyama M. Preferential diffusion effects on the temperature in usual and inverse diffusion flames // Combustion and Flame. – 1996. – Vol. 106. – P. 252–260.
16. Burke S.P., Schumann T.E.W. Diffusion Flames // Industrial & Engineering Chemistry. – 1928. – Vol. 20, N 10. – P. 998–1004. – doi: 10.1021/ie50226a005.
17. Sze L.K., Cheung C.S., Leung C.W. Appearance, temperature, and NOx emission of two inverse diffusion flames with different port design // Combustion and Flame. – 2006. – Vol. 144. – P. 237–248.
18. Structure of laminar sooting inverse diffusion flames / M.A. Mikofsky, T.C. Williams, C.R. Shaddix, L.G. Blevins // Combustion and Flame. – 2007. – Vol. 149. – P. 463–478.
19. Wu K.T., Essenhigh R.H. Mapping and structure of inverse diffusion flames of methane // 20th Symposium (International) on Combustion, Ann Arbor, Michigan, 12–17 August, 1984. – Pittsburgh, PA, 1984. – P. 1925–1932.
20. Elbaz A.M., Roberts W.L. Experimental study of the inverse diffusion flame using high repetition rate OH/acetone PLIF and PIV // Fuel. – 2016. – Vol. 165. – P. 447–461.
21. Characterization of the flame blow-off conditions in a laminar boundary layer with hydrogen injection / E.P. Volchkov, V.V. Lukashov, V.V. Terekhov, K. Hanjalic // Combustion and Flame. – 2013. – Vol. 160. – P. 1999–2008.
