IGNITION turbulent flow aerosuspension aluminum particles electrical sparks

Full Text

В тепловой модели зажигания газовоздушной смеси, предложенной Я.Б. Зельдовичем [1], искровой разряд приравнен к точечному, мгновенно действующему тепловому источнику и энергия, выделяемая искровым зарядом, нагревает до некоторой температуры сферический объем газа радиусом . Накопленное в этом объеме тепло теплопроводностью передается окружающей смеси, вследствие чего температура в первоначально нагретом объеме снижается, а окружающей смеси - увеличивается. Зажигание горючей газовой смеси искровым разрядом сводится к нагреванию некоторого сферического объема этой смеси, радиус которого должен превышать характерную ширину фронта ламинарного пламени: . (1) Это условие обеспечивает воспламенение окружающей смеси до момента остывания первоначального объема. Данное условие (1) можно рассматривать только как качественную связь между мощностью источника воспламенения и параметрами горючей смеси. Полученное значение коэффициента пропорциональности указывает лишь на порядок этой величины ввиду допущений, принятых при выводе формулы. Поэтому окончательная оценка справедливости условия зажигания начального очага (1) может быть сделана только на основании экспериментальных исследований [2]. Таким образом, как и для газовоздушной смеси, в турбулентном потоке аэровзвеси частиц алюминия зажигание сведется к нагреванию сферического объема, радиус которого должен превышать характерную ширину пламени . В настоящей работе представлены результаты исследования процесса воспламенения турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия порошка марки АСД-4 на основе модели теплового очагового зажигания и выявлено влияние начальной турбулентности на развитие очага. Схема экспериментального стенда, описание узлов и агрегатов установки, а также методика проведения испытаний представлены в работах [3, 4]. Отметим только, что рабочий участок представляет собой осесимметричный канал диаметром м с диаметром входного отверстия м. Начальная скорость потока аэровзвеси на входе в рабочий участок канала изменялась в пределах м/с. Интенсивность турбулентности варьировалась от 5 до 22 % при помощи турбулизирующей решетки, которая устанавливалась на различных расстояниях от плоскости внезапного расширения. Для визуализации процесса развития начального очага воспламенения в зоне рециркуляции при искровом зажигании турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия применялся оптический метод с использованием кинокамеры СКС-1М со скоростью съемки 600 кадров в секунду. В качестве горючего использовался порошок алюминия марки АСД-4 (мкм). Окислителем служил воздух с начальной температурой 293 К. Наиболее удобным и достаточно удовлетворительным источником зажигания является электрический разряд, эффективно преобразующий электрическую энергию в тепло, которое концентрируется в относительно малом объеме. Поэтому для зажигания турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия использовалась электрическая свеча поверхностного разряда. Результаты визуализации процесса развития очага зажигания показали, что на начальном этапе происходит увеличение размера очага, затем наблюдается либо взрывной рост очага в случае распространяющегося пламени (рис. 1б), либо полное угасание очага в случае затухающего пламени (рис. 1а). Для обоих случаев зажигания на начальном этапе, при сек, происходит формирование начального очага. Затем, в случае затухающего пламени (рис. 1а), размеры очага за время сек остаются постоянным, после чего угасают. В случае распространяющегося пламени (рис. 1б) при сек размер очага остается неизменным (мм), после чего происходит резкое увеличение начального очага и заполнение зоны рециркуляции при сек. Далее при сек пламя из зоны рециркуляции распространяется в основной поток алюминиево-воздушной смеси. В обоих случаях постоянное значение размера начального очага зажигания (мм) за период времени сек говорит о том, что скорость роста распространяющегося пламени равна нулю, а температура в центре очага практически не изменяется. Этот момент соответствует критическому состоянию очага. Такая особенность характерна для области вырожденного очагового взрыва [5]. сек сек сек сек а б Рис. 1. Изменение начального очага зажигания: для затухающего (а) и распространяющегося (б) пламени. Порошок марки АСД-4 (мкм); направление потока слева направо; м/с; К; ; м; Рис. 2. Зависимость для распространяющегося (кривая 1) и затухающего (кривая 2) пламени На рис. 2 представлена зависимость для затухающего (кривая 2) и распространяющегося (кривая 1) пламени. Из рисунка видно, что для частиц алюминия порошка АСД-4 с размером мкм период индукции составляет сек. Определенное в настоящей работе значение сек согласуется с величиной периода индукции, полученной при воспламенении аэровзвеси порошка алюминия марки АСД-4 за отраженными ударными волнами в атмосфере чистого кислорода [6]. Таким образом, чтобы воспламенить аэровзвесь частиц алюминия порошка марки АСД-4 в зоне рециркуляции электрической искрой, критический радиус очага должен быть мм. При этом можно предположить, что ближайшие частицы алюминиево-воздушной смеси успеют воспламениться прежде, чем нагретый искрой начальный очаг остынет. Учитывая, что для порошка алюминиям [7], условие Я.Б. Зельдовича (1) для аэровзвеси частиц алюминия порошка марки АСД-4 запишется следующим образом: . Поведение начального очага зависит от того, будет ли скорость выделения тепла в процессе горения превосходить скорость теплоотвода в окружающую среду вследствие излучения и турбулентной диффузии. Поскольку теплоотвод от очага осуществляется посредством турбулентной диффузии, а его интенсивность определяется величиной пульсационной скорости, необходимо установить влияние начальной турбулентности на процесс развития начального очага в зоне рециркуляции. Влияние начальной турбулентности на развитие очага зажигания для порошка марки АСД-4 представлено на рис. 3. Рис. 3. Влияние начальной турбулентности на развитие очага зажигания для порошка марки АСД-4: 1 - ; 2 - На первой стадии процесса зажигания (сек) наблюдается положительное влияние турбулентности на рост очага за счет увеличения интенсивности тепломассообменных процессов, протекающих на поверхности частицы и приводящих к увеличения скорости химической реакции. На второй стадии (сек) турбулентность снижает скорость развития начального очага за счет интенсивного теплоотвода из зоны реакции. Полученное значение радиуса критического очага можно использовать для расчета минимальной энергии искрового разряда . Согласно Я.Б. Зельдовичу [1], создание очага горения, способного к распространению в аэровзвесях частиц алюминия, так же как и в газовоздушных смесях, будет обусловлено равенством его диаметра ширине зоны горения . Соответственно, должна обеспечить нагрев определенного объема аэровзвеси радиусом , пропорциональным ширине фронта пламени, от начальной температуры до температуры горения [1]. , (2) где - теплоемкость аэровзвеси при постоянном давлении; - плотность аэровзвеси (1782 кг/м3) [8]. Расчет минимальной энергии по формуле (2) показал, что для воспламенения аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4 минимальное значение энергии искры должно составлять 0,026 Дж, что соответствует экспериментально полученному значению энергии воспламенения 0,025 Дж [9]. Полученное значение радиуса критического очага зажигания можно также использовать для определения начальной скорости распространения пламени [10]: , (3) где a - температуропроводность воздуха (м2/с); d - диаметр очага зажигания. Начальная скорость распространения пламени, рассчитанная по формуле (3) для аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4, составляет м/сек. Данный диапазон скорости распространения пламени согласуется с диапазоном значений м/сек, полученным в ходе исследования нестационарного распространения пламени аэровзвеси частиц алюминия в каналах [11]. В результате проведенных исследований определен критический радиус очага при электроискровом зажигании потока аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4, изучена динамика процесса и установлено влияние начальной турбулентности на развитие очага в зоне рециркуляции. Полученные результаты можно использовать для разработки средств пожаробезопасности при расчете минимальной энергии зажигания потока аэровзвеси частиц алюминия в трубопроводе с переменным сечением; для уточнения существующих математических моделей воспламенения аэровзвеси частиц алюминия в турбулентном потоке воздуха; для организации процесса зажигания порошкообразного алюминия в камерах сгорания перспективных энергетических и технологических установок.

About the authors

Alexander G Egorov

Togliatti State University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 14, Str. Belaruskaya, Togliatti, Samara region, 445667, Russian Federation

Andrey S Tizilov

Togliatti State University

Postgraduate Student 14, Str. Belaruskaya, Togliatti, Samara region, 445667, Russian Federation

References

Supplementary files