Турбулентное горение

При работе горелок со значительными и высокими тепловыми нагрузками (горелки промышленных котлов, печей, сушил и т.д.) горение чаще всего происходит при турбулентном движении горючей смеси, так как при переходе от ламинарного горения к турбулентному скорость распространения пламени u_т резко увеличивается, соответственно увеличивается количество свежей смеси, реагирующей на единице фронта пламени в единицу времени.

В ламинарном потоке скорость распространения пламени определялась только физико-химическими свойствами горючей смеси - молекулярной теплопроводностью и молекулярной диффузией продуктов горения, в том числе и активных центров, в свежую смесь и свежей смеси в зону горения. В турбулентном же потоке горючей смеси скорость распространения пламени определяется главным образом гидродинамическим фактором - турбулентной диффузией веществ и турбулентной теплопроводностью, которые существенно увеличивают интенсивность передачи теплоты и переноса активных частиц.

Турбулентные течения характеризуются такими величинами как масштаб турбулентности и интенсивность турбулентных флуктуаций (пульсаций) потока. Масштаб турбулентности представляет собой средний размер вихрей в турбулентном потоке.До некоторой степени эта характеристика зависит от геометрии системы, в которой развивается турбулентное течение. За устройством, генерирующим турбулентность, сначала формируется почти упорядоченное течение (например, вихревые дорожки в следе за плохо обтекаемыми телами). Затем эта упорядоченность вырождается и наблюдаются лишь случайные флуктуации потока, которые и представляют собой турбулентность. Понятно, что и наибольший масштаб турбулентности, возникающий за любым устройством зависит от размера этого устройства (например, от размера препятствия в потоке, размера сопла, из которого истекает газ, или от размера канала, в котором происходит рассматриваемое течение).

Интенсивность турбулентности характеризует величину амплитуды пульсаций скорости потока относительно величины осредненной скорости потока. Обычно она определяется как среднеквадратичная величина турбулентных пульсаций скорости потока.

Горение перемешанных газовых смесей становится турбулентным, когда ламинарное пламя входит в область потока, где течение перед фронтом пламени является турбулентным. Характеристики образующегося турбулентного пламени в значительной степени определяются масштабом и интенсивностью турбулентных пульсаций перед фронтом пламени относительно толщины зоны пламени и уровня нормальной скорости пламени.

Поскольку турбулентные характеристики потока зависят от его скорости, то и скорость распространения пламени в турбулентном потоке также зависит от скорости потока и определяется по формуле:

u_т = А W_пот^ср u_n^0,3,

где W_пот^ср – средняя скорость потока горючей смеси, м/с; u_n – нормальная скорость распространения пламени в ламинарном потоке, м/с; А – коэффициент, равный 0,7 – 1,0.

Наблюдения и исследования показывают, что структура фронта горения турбулентного пламени значительно отличается от структуры фронта горения ламинарного пламени. Если фронт ламинарного пламени очень тонкий и имеет относительно устойчивую и сравнительно гладкую и резко очерченную поверхность, то слабые пульсации турбулентного течения, масштаб которых велик по сравнению с толщиной пламени, приводят к искривлению поверхности фронта турбулентного пламени. Фронт пульсирует (очерчен нерезко), имеет размытые контуры и значительную толщину, в результате чего его поверхность сильно развита.