Д.Х. Шарафутдинов,
(КГТУ им. А.Н. Туполева, г. Казань)
Если рассматривать искривленный фронт пламени, то при достаточно большой искривленности фронта на отдельных участках продукты сгорания будут казаться, как бы полуостровками в свежей смеси, окруженными поверхностью нормального пламени. Горение на таком участке будет аналогично горению очага после воспламенения свежей смеси в точке. Быстрое увеличение температуры приведет к уменьшению плотности, а, следовательно, к быстрому расширению. При этом скорость перемещения границ пламени будет больше нормальной скорости примерно в θ раз, где θ = Тк/Т0 - отношение температур после и до горения. А.В. Талантов [2] предлагает рассматривать скорость движения смеси по отношению к центру на этом участке в непосредственной близости к поверхности пламени пропорциональной подогреву
(*)
Эту скорость можно рассматривать как пульсационную скорость, генерируемую самим пламенем. Выражения (*) указывает, что Wa' зависит от степени подогрева смеси и от нормальной скорости. При этом величина Wa' оказывается независимой от величины пульсационной скорости потока. Из этого А.В. Талантов, утверждает, что условием появления пульсационной скорости автотурбулентности является большая искривленность Фронта пламени, т.е. достаточно большая величина отношения W’ к UH.
Фронт пламени при приближении напоминает изрезанный заливами полуостров, а при еще большем увеличении снова вырисовывается картина подобная первой. Если производить таким образом увеличение дальше, то такая картина постоянно будет повторяться и ограничиться лишь на уровне групп молекул. Подобная структура характерна для многих явлений природы. Такие феномены получили название фрактальными. А объекты их описывающие - фракталы. Кроме того, сам Фронт пламени является не просто искривленным, а как указывалось выше самоподобным до уровня групп частиц. Это дает основание считать структуру пламени фрактальной и применять по отношению к ней имеющийся в настоящее время математический аппарат и подходы теории фракталов и хаоса [3,5].
Моделирование процесса горения на основе представления о фрактальной геометрии производиться следующим образом: на первоначально абсолютно равномерное течение и полностью плоский фронт пламени наложены два фактора вызывающих неустойчивость [1] - турбулентные пульсации скорости и возмущение, вносимое самим пламенем - неравновесное реагирование и неравномерность состава [4]. Расчеты проводились при моделировании в условиях единичного развития. Поясним это. На первоначально плоский фронт пламени накладывается неравномерность и отслеживается ее влияние на явление горения в потоке до момента, когда данное возмущение не «исчерпает» себя. Т.е. при расчете не предполагалось дальнейшее существование процесса горения. Это обусловлено большой сложностью динамического решения такой задачи и не дало бы никакой дополнительной информации сверх полученной по методу единичного развития.
На основании расчетов можно сделать вывод, что в условиях низкотурбулентного потока турбулентные пульсации «поглощаются» распространением фронта пламени. Но, как представляется, даже в условиях низкотурбулентного потока терминология «фронт пламени» является нерепрезентативным по отношению к рассмотрению процесса на уровне отдельных участков пламени. Поэтому предлагается в дальнейшем использовать термин волна горения, как более подходящий для описания. Это обусловлено тем, что в пламени отсутствует граница между реагирующими участками и свежей смесью. При более крупном масштабе рассмотрении это обстоятельство может не учитываться, и пламя может представляться как поверхность. Но в условиях участка пламени существуют области как «объемного», так и «поверхностного» горения. При этом под «поверхностным» горением понимается распространение волны горения в виде тонкого сильно искривленного слоя осуществления реагирования химических компонентов и термофизическими процессами (отвод теплоты теплопроводностью, излучение, и т.п.).
Как показывает численный анализ в начальный момент времени основное влияние на положение и распространение фронта пламени влияет турбулентность потока - интенсивность и масштаб турбулентности. Именно этот фактор обуславливает дальнейшее развитие процесса. Затем на этом фоне начинает расти роль величины скорости реагирования, которая в совокупности с теплопроводность и диффузией обуславливает такую известную характеристику как скорость распространения пламени в ламинарном потоке (нормальная скорость распространения пламени). Таким образом, образуется, как уже указывалось, совместное действие «поверхностного» и «объемного» механизмов.
Из аналогии можно сделать следующий вывод: при рассмотрении процесса горения в потоке с помощью фрактального моделирования следует, что отношение «объемного» механизма к «поверхностному» на уровне участка пламени растет при увеличении турбулентности пропорционально размерности фрактала. Здесь под объемным механизмом понимается реагирование в ограниченном пространстве посредством смешения отдельных объемов свежей смеси, продуктов сгорания и их смеси. При этом скорость полного прохождения реакции будет меньше чем при анализе методами микродиффузионного горения, но больше чем рассчитанная посредством химической кинетики или объемного подхода к процессу горения.
Следует отметить, что воздействие данного явления спонтанно увеличивается при увеличении уровня турбулентности. А также если принять во внимание сделанное замечание относительно преимущественного влияния начальной турбулентности на дальнейшее развитие процесса, то данное явление в рамках терминологии теории турбулентного горения можно назвать автотурбулизацией процесса горения.
Результаты проведенного исследования делают возможным более глубокое понимание процесса турбулентного горения, поскольку ранее считалось, что возрастание влияния турбулентности потока на процесс горения происходит только за счет увеличения искривленности «поверхности» горения.
Список литературы
1. Гленсдорф П., Пригожий И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации. - М: Едиториал УРСС, 2003. 280с.
2. Талантов А.В. Основы теории горения. Казань: Изд-во Казан авиац. института. 1975. 252 с.
3. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. 528 с.
4. Щукин В.А. Явление флуктуационного реагирования в газах// Рабочие процессы в камерах сгорания ВРД: Межвуз. сб., Казань: КАИ 1987. С. 4-13.
5. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах: Введение в теорию диссипативных структур. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2004, 256 с.
