Предварительно подготовленных смесей

При больших значениях критерия Рейнолдса, т.е. при Re > Re_кp устойчивость течения нарушается и движение становится неупорядоченным, пульсирующим, решающими факторами становятся интенсивность перемешивания и турбулентные пульсации.

При переходе из ламинарного в турбулентный режим происходит изменение структуры пламени (рис. 3.15). При ламинарном течении наблюдается гладкий и тонкий фронт пламени, а высота h факела пропорциональна скорости потока W. После достижения критического значения Re_кp пламя укорачивается, утолщается и выглядит сильно размытым. Это связано с увеличением скорости распространения пламени U_п, которое обусловлено турбулентностью.

Рисунок 3.15 - Изменение структуры пламени при переходе из ламинарного в турбулентный режим

В турбулентном пламени химическая реакция ускоряется за счет турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности. Скорость турбулентного распространения пламени U_т является функцией скорости W (или числа Rе).

Существуют две теории турбулентного распространения пламени:

1. Теория поверхностного горения (мелкомасштабной турбулентности).

Под действием турбулентности поверхность фронта пламени искривляется и увеличивается (рис. 3.16). Увеличение скорости турбулентного распространения пламени U_т будет пропорционально увеличению площади поверхности фронта горения F_т

,

где U_т - скорость турбулентного распространения пламени;

U_n - нормальная скорость распространения пламени.

Рисунок 3.16 - Схема пламени при мелкомасштабной турбулентности

Увеличение отношения поверхностей в выражении пропорционально , тогда получим

.

2. Теория объемного горения.

Теория объемного горения используется, когда рассматривается крупномасштабная турбулентность. Элементарные объемы горящей смеси, перемещаясь в свежую смесь, создают очаги поджигания (рис. 3.17), фронт разрывается на отдельные очаги горения.

Рисунок 3.17 Схема пламени при крупномасштабной турбулентности

Горение происходит по законам нормального распространения пламени. Фронтом пламени является суммарная поверхность отдельных молей. В этом случае

,

и высота факела h, перестает зависеть от скорости истечения смеси W

,

.

В промышленных установках топливовоздушная смесь, подаваемая через горелку в камеру сгорания, представляет собой неоднородную струю, распространяющуюся в среде продуктов сгорания. В процессе турбулентного расширения струи горючая смесь нагревается и одновременно разбавляется продуктами сгорания. По мере удаления от горелки горение распространяется внутрь струи. Кривые распределения температур и концентраций показаны на рис. 3.18. По мере приближения к внешней границе факела температура повышается, а концентрация горючей смеси падает. Воспламенение струи происходит в ее наружных слоях по конической поверхности, где скорость распространения пламени имеет максимальную величину. От периферийных слоев турбулентной теплопроводностью тепло передается соседним слоям, вызывая их последовательное воспламенение. Длина зоны воспламенения ограничивается точкой, в которой воспламенение достигает оси факела, и рассчитывается по формуле

,

где W – скорость истечения газа;

U_т – скорость турбулентного распространения пламени.

Видимым фронтом горения является участок факела ( ), где - толщина фронта горения. В нем происходит воспламенение струи и основное выгорание (до 90 %) горючих. Горение завершается за видимым фронтом, определяя общую длину факела . Длина зоны догорания - участок до границы полного сгорания.

Рисунок 3.18 - Структура турбулентного факела

Тогда общая длина факела l_Ф будет равна

,

где l_В - длина зоны воспламенения;

- толщина фронта горения;

l_Д - длина зоны догорания.