Во многих энергетических установках (двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные камеры сжигания) технологические процессы основаны на горении твердых или газообразных топлив, сопряженные сложными гидродинамическими или газодинамическими течениями. Как правило, это сложный и многоэтапный физико-химический процесс. При этом важно знать физические механизмы, лежащие в его основе и обеспечивающие существование ламинарного пламени, его устойчивость, возможность перехода в турбулентное пламя и др., которые непосредственно отражаются на эффективности, физической и экологической безопасности использования энергетических установок.
Исследования в этом направлении заключаются в выделении основных факторов и последующем детальном их рассмотрении. После чего на основе полученных данных производится общий анализ рассматриваемой физической системы. Как показывает опыт, основными целями исследования являются выяснение механизма разложения (твердого) топлива на химически реагирующие компоненты, детальной структуры пламени в газовой фазе, нахождение условия устойчивости пламени, возможность возникновения взрывного вида горения.
Обеспечение экологической безопасности используемых технологий заключается не только в обеспечении полноты химического превращения, но и в минимизации воздействия на окружающую среду образующихся продуктов горения. Здесь на первый план выступают гидродинамические задачи: исследование атмосферного переноса и удержание вредных примесей в очистительных установках.
Фундаментальные теоретические основы ламинарного горения газов заложены в работах Я.Б. Зельдовича и Д.А. Франк-Каменецкого (1938), где они дали физическое и математическое объяснение существования скорости движения пламени. Несколько позже независимо друг от друга П. Даррье (1941) и Л.Д. Ландау (1944) показали его абсолютную неустойчивость по отношению к гидродинамическим возмущениям, следовательно, пламя может быть только турбулентным. Позже Дж. Маркштейн высказал предположение зависимости скорости пламени от кривизны его фронта, и тем самым, указал один из путей решения возникшей проблемы существования ламинарного горения. Для объяснения наблюдаемой гидродинамической устойчивости пламени константа Дж. Маркштейна должна быть, по крайней мере, на порядок больше толщины зоны прогрева. Но многочисленные попытки вычислить константу Дж. Маркштейна приводили к неудовлетворительным результатам: искомая константа оказывалась равной толщине зоны прогрева, приводящая к устойчивому пламени размером много меньше экспериментального значения.
Другой вид неустойчивости, диффузионно-тепловая, была предметом длительного спора по поводу условия своего возникновения (М. Розен, 1954, Б. Льюис и Г. Эльбе, 1938, Г.И. Баренблатт, Я.Б. Зельдович, А.Г. Истратов, 1962). В конечном счете, А.П. Алдушин, С.Г. Каспарян (1979), представив скорость химической реакции в виде -функционального источника показали, что область диффузионно-тепловой устойчивости располагается в малой окрестности вблизи числа Льюиса, равном единице. Но использование такой формы источника дает весьма ограниченную информацию.
Еще Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, В.Б. Либрович и Г.М. Махвиладзе (1980) указали на тесную связь между задачами поиска численного значения константы Дж. Маркштейна и условия диффузионно-тепловой устойчивости пламени, но вопрос о численном значении этой константы, как и условие спонтанного возникновения турбулентного горения, остались открытыми.
Явление самопроизвольного перехода медленного горения в детонацию в замкнутых и полузамкнутых пространствах, несмотря на значительную практическую значимость, остается к настоящему времени слабо изученным вопросом. Любая попытка в этом направлении сталкивается с большими трудностями описания турбулентного горения газов, которое занимает одно из центральных мест в теории и практике физики горения и взрыва. Основная задача нахождения скорости турбулентного горения в первом приближении была решена Г. Дамкелером (1940) и К.И. Щелкиным (1943). Они предложили поверхностную модель, согласно которой турбулентное пламя представляется в виде сильно искривленной поверхности, малый участок которой движется с нормальной скоростью ламинарного горения. Впоследствии К.И. Щелкин (1939, 1963) предложил простой сценарий возникновения спонтанной детонации, который констатирует существование обратной положительной связи между турбулентностью в потоке газа и поверхностью горения турбулентного пламени, что обеспечивает его ускорение и последующее возникновение детонации. В настоящее время развиваются полуэмпирические и статистические подходы (Н.Н. Смирнов, 1995-2004) к моделированию перехода медленного горения в детонацию. Но подход, заложенный К.И. Щелкиным, не утратил своего значения и требует дальнейшего совершенствования.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
