Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 6, стр. 957-960

ВВЕДЕНИЕ

В связи с сокращением запасов ископаемого топлива и повышением экологических требований к промышленным и транспортным объектам в мире становится актуальным переход на альтернативные энергоносители. Водород является одним из самых перспективных чистых видов топлива на данный момент [1]. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 г. № 2634-р [2] утвержден план мероприятий по развитию водородной энергетики, направленный на увеличение производства и расширение сферы применения водорода в качестве экологически чистого энергоносителя.

В работе [3] представлен обзор основных типов и конструкций водородно-кислородных энергетических установок. Применение водородно-кислородных камер непрерывного горения рассматривается в [4–6]. В [7] численно проанализированы режимы горения водорода при его использовании в качестве топлива в камере двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В зависимости от размеров и конструкции энергетических установок с использованием водорода необходимо как уменьшение, так и увеличение скорости фронта пламени. В [8, 9] исследованы методы предотвращения нештатных режимов горения в камере ДВС, включая детонационно-подобные.

Результаты аналогичных исследований опубликованы в зарубежных журналах. В [10] показана возможность предотвращения быстрых режимов горения в камере ДВС с помощью разбавления горючей смеси продуктами сгорания, уменьшив тем самым детонационно-подобный эффект. Работы [11, 12] также посвящены оптимизации режима горения в камере сгорания водородного ДВС.

Задача ускорения пламени в каналах обсуждается на протяжении долгого времени применительно как к взрывобезопасности, так и к энергетическому применению горения и детонации газовых смесей. Например, в работе [13] показан “градиентный” механизм ускорения пламени и формирования взрывных режимов горения. В [14, 15] описан и математически сформулирован механизм распространения “пальцеобразного” пламени. Для сокращения преддетонационного расстояния в каналах часто применяются спирали Щёлкина [16], искривления канала [17] или закрученные ленты [18]. Однако подобные способы ускорения фронта пламени требуют канала длиной, превышающей 10 дм.

Целью настоящей работы являются исследование обратного пальцеобразного пламени, описанного в [19], и определение влияния ширины зазора при кольцевом воспламенении в полуоткрытом канале круглого сечения на ускорение фронта пламени водородно-воздушных смесей.

ДЕТАЛИ ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты по горению водородно-воздушных смесей при кольцевом воспламенении проводились в полуоткрытом канале круглого сечения 1, изготовленном из органического стекла внутренним диаметром 54 мм, длиной 500 мм и с толщиной стенок 3 мм (рис. 1). Объем канала составил 1 л. Газовая смесь подавалась через штуцер 2, установленный в закрытом конце. Объем газа, необходимый для продувания и заполнения канала, контролировался расходомером Bronkhorst El-Flow 3 и составлял 5 л. Газовая смесь приготавливалась не менее чем за 24 ч перед экспериментом в газовом баллоне 4 объемом 40 л при избыточном давлении 5 атм.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки: 1 – полуоткрытый канал; 2 – газовый штуцер; 3 – расходомер; 4 – баллон с горючей смесью; 5 – искровой разрядник; 6 – генератор импульсов; 7 – пластина, обеспечивающая кольцевое зажигание; 8 – теневой прибор; 9 – высокоскоростная камера; 10 – ксеноновая лампа.

Искровое воспламенение производилось с использованием свечи зажигания 5, установленной по центру закрытого конца канала. Свеча через коммутатор подключалась к генератору импульсов Г5-63 6. Для формирования различных зазоров кольцевого зажигания в канал помещались пластины 7 диаметром меньше внутреннего диаметра трубы. Пластины оборудованы специальными упорами по краям – для симметричного расположения пластины в трубе, а также с торца – для обеспечения повторяемости расстояния между свечой зажигания и пластиной. В качестве основного параметра, определяющего размер щели, выбрано отношение $\sigma {\text{/}}S$ в процентах, где σ – площадь пластины, формирующей кольцевую щель; $S$ – площадь поперечного сечения канала.

Положение и форма фронта пламени определялись с помощью теневой визуализации прибором ИАБ-451 8 и высокоскоростной съемкой видеокамерой Phantom VEO 710S 9. Видеосъемка запускалась тем же сигналом генератора 5, что и искра зажигания. Таким образом осуществлялась синхронизация: первые кадры во всех экспериментах соответствуют одинаковому моменту времени. В качестве источника света теневого прибора использовалась ксеноновая лампа 10. В связи с тем, что стенки трубы из оргстекла 1 значительно преломляют плоскопараллельный световой поток, визуализация по всему сечению трубы невозможна. Для устранения этой проблемы в канале вырезаны окна длиной 150 мм, в которые установлена полиэтиленовая пленка толщиной 0.3 мм. Эти окна позволили визуализировать фронт пламени по всему сечению канала.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для исследования влияния ширины кольцевого зазора при кольцевом воспламенении на динамику распространения пламени была проведена серия экспериментов в водородно-воздушных смесях с содержанием водорода 15 и 20 об. %. При этом ширина кольцевого зазора, через который происходит воспламенение, равна 0.5, 1, 1.5, 2, 3 и 4.5 мм, т.е. при значениях $\sigma {\text{/}}S$, составляющих 96.3, 92.7, 89.2, 85.7, 79.0 и 69.4% соответственно. Также для каждой смеси были проведены эксперименты при воспламенении в центре закрытого конца канала.

На рис. 2 представлены зависимости положения фронта пламени в водородно-воздушной смеси с содержанием водорода 15 об. % вдоль оси трубы от времени при центральном и кольцевом ($\sigma {\text{/}}S$ = 89.2%) воспламенении. При центральном воспламенении фронт пламени вытягивается в осевом направлении, что принято называть пальцеобразным пламенем. Увеличение скорости в осевом направлении связано с вытеснением горючей смеси продуктами сгорания в сторону открытого конца канала. В радиальном направлении пламя движется со скоростью, близкой к нормальной скорости ламинарного пламени. Общая площадь пламени растет до момента гашения цилиндрической области пламени при достижении стенки. На теневых фотографиях (фото a, b на рис. 2) видно формирование ячеистой структуры. При кольцевом воспламенении фронт пламени вытягивается вдоль стенок, что принято называть обратным пальцеобразным пламенем. При таком распространении пламя вытягивается вдоль стенок. В радиальном направлении пламя сходится к оси канала (фото c на рис. 2). Длина цилиндрической области пламени увеличивается, а радиус сокращается, что приводит к постепенному уменьшению массовой скорости горения. После “схлопывания” фронта на оси в момент времени 0.014 с пламя продолжает распространяться в осевом направлении с меньшей скоростью (фото d на рис. 2). Детально эти режимы распространения пламени разобраны в [19].

Рис. 2.

Зависимости положения фронта пламени в водородно-воздушной смеси с содержанием водорода 15 об. % вдоль оси трубы от времени при центральном (1) и кольцевом ($\sigma {\text{/}}S$ = 89.2%) (2) воспламенении.

Эксперименты, представленные в работе [19], проводились с шириной кольцевого зазора 5 мм ($\sigma {\text{/}}S$ = 66.4%). Аналитическое решение построено в приближении воспламенения в кольцевой области нулевой ширины. В условиях реального канала зажигание происходит в расположенной перед пластиной форкамере. К моменту зажигания в исследуемом канале форкамера заполнена продуктами сгорания при повышенном давлении, которое зависит от ширины зазора. Давление в форкамере определяет скорость струи продуктов сгорания, которая задает начальную осевую скорость пламени. Таким образом, уменьшение ширины зазора сокращает площадь поперечного сечения, но повышает скорость зажигающей кольцевой струи.

На рис. 3 представлены значения максимальной осевой скорости фронта пламени в канале при центральном и кольцевом воспламенении $v$, нормированные на скорость плоского пламени ${{S}_{L}}\Theta $ (где ${{S}_{L}}$ – нормальная скорость пламени, $\Theta $ – коэффициент расширения продуктов сгорания). Видно, что влияние степени перекрытия на скорость фронта пламени немонотонно и имеет максимум при $\sigma {\text{/}}S$ = 92.7%.

Рис. 3.

Зависимость максимальной приведенной скорости распространения фронта пламени в водородно-воздушной смеси с содержанием водорода 15 (1, 3) и 20 об. % (2, 4) вдоль оси трубы от степени перекрытия (1, 2); линии 3, 4 – максимальные приведенные скорости при центральном зажигании.

“Схлопывание” фронта обратного пальцеобразного пламени приводит к его замедлению. Отношения скорости фронта пламени в конце видимой области к максимальной скорости фронта пламени при центральном воспламенении и кольцевом воспламенении с различной шириной щелевого зазора для водородно-воздушных смесей с содержанием водорода 15 и 20 об. % представлены в таблице. Согласно аналитическим моделям, предложенным в [19], фронты пальцеобразного и обратного пальцеобразного пламен существуют на расстоянии от точки воспламенения до $l~\,\, \leqslant \Theta {{R}_{c}}$, где R_c – радиус канала. Так, в канале диаметром 54 мм для водородно-воздушной смеси с содержанием водорода 15 об. % $l\,\,~ \approx $ 125 мм. Данная величина позволяет зарегистрировать момент “схлопывания” с использованием описанной экспериментальной установки, и, следовательно, оценить скорость распространения фронта пламени в этот момент, а также ее максимальное значение. Обнаружено, что в смеси с содержанием водорода 15 об. % замедление фронта пламени при кольцевом воспламенении с $\sigma {\text{/}}S$ = 85.7% в 5.9 раз больше, чем при центральном воспламенении. В смеси с содержанием водорода 20 об. % эффект выражен слабее, что связано с более высокой (более чем в три раза по теории взрыва в частично открытом объеме) скоростью выходящей из форкамеры воспламеняющей струи. При этом достигается снижение скорости фронта пламени на треть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что кольцевое воспламенение водородно-воздушной смеси в канале приводит к повышенному до трех раз ускорению фронта пламени на начальной стадии распространения по сравнению с центральным. Отношение площади пластины, формирующей кольцевую щель, к площади поперечного сечения канала $\sigma {\text{/}}S$, равное 92.7%, обеспечивает максимальную скорость фронта пламени на участке канала длиной до трех диаметров для фронта пламени водородно-воздушных смесей с 15 и 20 об. % содержанием водорода. Определены отношения скоростей фронта пламени в 15%-ной водородно-воздушной смеси в момент схлопывания обратного пальцеобразного пламени к максимальным скоростям фронта пламени при центральном и кольцевом воспламенении. Получено снижение скорости пламени при кольцевом воспламенении в 5.9 раз по сравнению с центральным. Результаты исследования показывают, что кольцевое воспламенение может быть использовано как для снижения детонационно-подобного эффекта при работе двигателей внутреннего сгорания, так и для увеличения начальной скорости фронта на ранних этапах ускорения пламени.