Конкурс научных работ 2017 года

Диффузионное горение над поверхностью топлива

Намятов И.Г., Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин В.С.,
Какуткина Н.А., Вьюн А.В.

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Распространение пламени над поверхностью горючего вещества довольно сложное явление, так как в нем взаимосвязано много химико-физических процессов, таких как теплопроводность, диффузия, испарение, пиролиз, движение газа и жидкости, химическая кинетика и др. Волна горения распространяется вдоль поверхности топлива благодаря образованию горючей смеси вблизи поверхности при испарении жидкого топлива. Испарение топлива происходит в результате его подогрева теплом, поступающим из области продуктов горения. Интересным и хорошо охарактеризованным объектом для исследования является термически тонкая система пленка топлива на тонкой высокотеплопроводной подложке. Механизмами передачи тепла в такой системе могут являться кондуктивная теплопередача по конденсированной фазе (в основном, по подложке), по газовой фазе или за счет движения жидкого топлива. В теории горения нет адекватных моделей, описывающих распространение пламени в таких системах. Экспериментальное и теоретические исследования с целью выявления механизмов распространения пламени в такой системе и построение моделей, описывающих скорости и пределы распространения пламени представлены в этом цикле работ.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В представленных работах ставились две задачи: исследовать характеристики и механизма распространения пламени при его распространении снизу вверх, когда основное основную роль в механизме играет свободная конвекция [1] и исследовать влияние температуры окружающей среды и скорости вынужденного потока окислителя на скорость и пределы распространения пламени [2,3] в условиях, когда теплопроводность подложки играет определяющую роль.

Один из параметров, который входит в модель, как экспериментально измеряемая величина, это размер пламени. Пространственные характеристики пламени влияют на поток тепла в подложку, и вследствие этого, на скорость распространения, а при низких значениях потока тепла может наступить предел. Для определения геометрических характеристик пламени на основе задачи Бурке-Шумана была построена модель диффузионного пламени над пленкой топлива [4]. Решение задачи Бурке-Шумана дает ответ на вопрос о форме пламени при горении газообразного топлива в двумерной плоской геометрии.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

В предыдущих наших работах был предложен новый подход, сущность которого состоит в использовании системы жидкое топливо на тонкой металлической подложке. Данная модельная система позволяет изучить явление при вариации в широких пределах параметров системы. Было показано, что эта система является термически тонкой, что позволяет упростить физико-математическую модель процесса. В данных работах исследовались характеристики волны горения, в зависимости от скорости вынужденного потока окислителя, начальной температуры окружающей среды и других параметров системы, а также в условиях свободной конвекции при распространении пламени снизу вверх.

Рассмотрена классическая задача Бурке-Шумана применительно к построению математической модели диффузионного пламени, распространяющегося над пленкой топлива, нанесенного на тонкую подложку. В отличие от классической постановки рассмотрена двухфазная система.

4. Полученные результаты и их значимость.

В работе [1] экспериментально исследованы закономерности распространения пламени по пленке жидкого топлива на тонкой металлической подложке в условиях свободной конвекции. Было показано, что в механизме распространения определяющую роль играет конвекция. При этом скорость пламени зависит от теплоемкости системы (подложки) и свойств топлива.

В исследованиях влияния скорости вынужденного потока [2] на распространение пламени было выявлено, что в области существования послойного горения скорость пламени не зависит от скорости обдува. При увеличении скорости обдува в узкой области характер явления становится нестационарным, а затем наступает предел.

В следующей работе [3] исследовалось влияние температуры окружающей среды на скорость пламени над пленками жидкого и твердого топлива на металлической подложке. Было показано, что предложенная модель удовлетворительно описывает зависимость скорости от температуры. Не обнаружено влияния плавления топлива на скорость пламени. Показано существование предела распространения пламени при низких температурах. Выявлено, что на предельные характеристики системы влияет течение жидкости перед фронтом пламени, вызванное эффектом Марангони [2,3].

При анализе задачи Бурке-Шумана [4] применительно к построению математической модели диффузионного пламени, распространяющегося над пленкой топлива, нанесенного на тонкую подложку. Были выявлены определяющие параметры: геометрические, кинетические и химические. Исследовано их влияние на форму пламени. Сравнение расчетов с полученными экспериментальными данными показало хорошее согласие.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Работы выполнены при поддержке РФФИ (проект 13-08-00480), междисциплинарных проектов №111 СО РАН 2006, №64 СО РАН 2009. Результаты работ были представлены в докладах на конференциях: International Conference on Methods of aerophysical research 2008, 2014, Первая конференция по фильтрационному горению 2007, Всероссийская школа-конференция с международным участием «Химия и физика горения и дисперсных систем», посвященная110-летию со дня рождения члена-корреспондента АН СССР А.А.Ковальского 2016 года.

Список публикаций.

1. Коржавин А.А., Вьюн А.В., Какуткина Н.А., Намятов И.Г., Бабкин В.С., Свободно-конвективный режим распространения пламени над пленкой топлива на подложке, ФГВ 43, № 5, с. 21-30 (2007).
2. Коржавин А. А., Какуткина Н. А., Намятов И. Г., Распространение пламени над пленками топлива при встречном потоке газа, ФГВ Т. 46. № 3. C. 37-43. (2010)
3. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин В.С., Намятов И.Г., Влияние начальной температуры на скорость распространения пламени над пленкой топлива на металлической подложке, ФГВ, 2012, т.48, №5, с.87-96.
4. А. А. Коржавин, И. Г. Намятов, О форме пламени при диффузионном горении пленки жидкого топлива на подложке, ФГВ, 2015, т. 51, N- 5, с. 3-12.