Критические явления при фильтрационном горении
газов и жидкостей.

А.А. Коржавин, В.С. Бабкин, В.А. Бунев, В.В. Замащиков,
Н.А. Какуткина, И.Г. Намятов (ИХКГ СО РАН),
Ю.М. Лаевский (ИВТиМГ СО РАН),
З.Р. Измагилов (ИК СО РАН),
M. Mбарава (Технический университет Претории, ЮАР)



1. Актуальность исследования.

Изучение процессов горения с рециклом тепла, к которым относятся процессы фильтрационного горения газов (ФГГ) и жидкостей (ФГЖ), весьма актуально в связи с мировой тенденцией перехода к энергосберегающим технологиям. Рецикл тепла позволяет сжигать бросовые низкокалорийные топлива, которые невозможно использовать в традиционных горелочных устройствах. Эти процессы, в частности, могут быть эффективны при создании микрогорелок для малогабаритных источников электроэнергии. Процессы фильтрационного горения являются также основой для создания устройств обеспечения пожаровзрывобезопасности технологического оборудования. Для создания эффективных технологий на основе фильтрационного горения необходимо знание не только закономерностей стационарных волн горения, но и критических явлений - пределов горения и режимных переходов. Данный цикл работ представляет собой результаты экспериментальных и теоретических исследований критических явлений при фильтрационном горении.

2. Новизна используемого подхода.

Новизна подхода состоит в использовании ряда новых систем, объединенных единой идеологией фильтрационного горения газов, в каждой из которых возрастает роль того или иного фактора, ответственного за критические явления. Примером успешного применения данного подхода является обнаружение верхнего предела по скорости фильтрации при фильтрационном горении газа в узких трубках, тогда как в пористых средах этот предел не проявляется.

3. Полученные результаты и их значимость.

В связи с поставленной целью в последние годы в лаборатории значительно расширен класс объектов исследования. Исследовано горение газов, движущихся в узких трубках, волны ФГГ с совместными гомогенно-гетерогенными реакциями, фильтрационное горение жидких монотоплив, горение пленок жидкого топлива на поверхности пористой среды. В этих системах обнаружен ряд новых критических явлений горения.

По предельным явлениям:

  1. Экспериментально обнаружен и теоретически обоснован верхний предел по скорости фильтрации газа в одиночном канале в режиме низкой скорости [1,2]. Природа этого предела не тепловая, как обычно в процессах горения, а кинетическая.
  2. Впервые обнаружен адиабатический предел (без внешних теплопотерь) при фильтрационном горении жидкого монотоплива в пористой среде и узких каналах [3].
  3. Экспериментально обнаружен динамический предел по давлению в процессе распространения пламени в закрытом сосуде с инертной пористой средой [4].
  4. Получены экспериментальные свидетельства влияния цепных разветвленных реакций на тепловой предел фильтрационного горения газа в узких трубках [5].
По режимным переходам:
  1. Выявлено два режима фильтрационного горения жидкого монотоплива, аналогичных режимам высоких и низких скоростей при фильтрационном горении газа [6]. Однако если при ФГГ характерные величины скорости в этих двух режимах отличаются на 3-4 порядка, то при ФГЖ они одного порядка.
  2. Обнаружено два режима ФГГ в каталитически активной пористой среде: с гомогенной и гетерогенной химической реакцией [7,8]. При увеличении скорости фильтрации газа режим с гетерогенной реакцией переходит в режим с газофазной реакцией.
  3. Экспериментально обнаружены спонтанные переходы из режима высоких скоростей в режим звуковых скоростей и обратные им в процессе сгорания газа в закрытом сосуде [4].
  4. В пористой среде, содержащей жидкое топливо, экспериментально обнаружен новый, диффузионный, режим горения, реализующийся за бедным пределом режима высоких скоростей (режима гомогенного горения). Переход от гомогенного к диффузионному горению осуществляется непрерывно при изменении начальных значений температуры или давления в системе [4]. Скорость волны падает на два порядка.
  5. В системе с цилиндрически расходящимся потоком обнаружен спиновый режим горения, реализующийся вблизи предела гашения ламинарного пламени. [9].При снижении скорости газа происходит переход от обычной сплошной цилиндрической волны горения к очаговому распространению перпендикулярно линиям тока газа (спиновой волне).
  6. Исследованы переходные процессы при распространении низкоскоростных волн ФГГ в пористой среде при дискретном изменении параметров газовой смеси или пористой среды [10,11]. Обнаружено, что в результате переходного процесса может произойти гашение волны, ее стабилизация на границе раздела сред, переход с непрерывным изменением структуры, но резким изменением скорости волны. В ряде случаев наблюдается нетривиальный переходной процесс со скачкообразным переносом зоны реакции и последующим формированием временной бимодальной структуры тепловой волны в каркасе.
Прикладные аспекты. Разрвиты научные основы взрывозащиты закрытого оборудования с использованием пористых сред [4]. Предложены пути оптимизации гибридного гомогенно-гетерогенного реверс-процесса для сжигания запредельно бедной метано-воздушной смеси [10]. 4. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Работы поддерживались грантами:

INTAS -96-1173, Copernicus-2 ICA2-CT-2000-10035,

РФФИ 98-03-32308, РФФИ 99-03-32309, РФФИ 00-03-32417, РФФИ 03-03-32357.

Результаты работ докладывались на международных и российских научных конференциях:

  1. III Международный симпозиум “Горение и плазмохимия”, 24-26 августа 2005 г., Алма-Ата, Казахстан, приглашенный
  2. International conference on combustion and detonation. ZEL’DOVICH MEMORIAL II (Москва, 29.08-03.09. 2004), приглашенный.
  3. XVI International Conference on Chemical Reactors, Chemreactor-16, Berlin, December 1-5, 2003, устный.
  4. Сопряженные задачи механики, информатики и экологии. Горноалтайск, 5 – 10 июля 2004 г., устный.
  5. Nonequilibrium processes in combustion and plasma based technologies. International workshop. Minsk, Belаrus, August 21-26, (2004), устный.
  6. II Международный симпозиум “Горение и плазмохимия” 17-19 сентября 2003 г., КазНУ, Алма-Ата, Казахстан, приглашенный.
  7. Joint Israel-Russian workshop on combustion. February 19, 2002, Technicon-Israel Institute of technology, Haifa, Israel, приглашенный.
  8. 1th International Conference on Applications of Porous Media, 2-8 June, 2002, Jerba, Tunisia, устный.
  9. International Conference Conjugate Problems of Mechanics, Computer Science and Ecology, Tomsk State University, September 15-20, 2002, устный.
  10. XV International Conference on Chemical Reactors, Helsinki, Finland, June 5-8, 2001, устный.
  11. IV Intern. School-Seminar “Modern Problems of Combustion and Its Applications. Minsk, Belarus, 2-7 September, 2001, приглашенный и устный
  12. “Химия фронта пламени”, Казахстан, 9-11 октября 2001г., Алма-Ата, Казахстан, 9-11 октября 2001 года, устный.
Список прилагаемых статей
  1. Zamashchikov V.V. An investigation of gas combustion in a narrow tube. Combust. Sci. and Tech., 2001, vol. 166, pp. 1-14.
  2. Замащиков В.В. Некоторые закономерности распространения газового пламени в узких трубках //Физика горения и взрыва, 2004, т. 40, № 5, 53-61.
  3. Какуткина Н.А., Бунев В.А. Фильтрационное горение жидких монотоплив//Физика горения и взрыва, 2001, т. 37, N 4, с. 34-40.
  4. Коржавин А.А. , Бунев В.А., Бабкин В.С.  Горение газа в закрытом сосуде с инертной пористой средой//Горение и плазмохимия. 2003, т. 1, № 1, стр. 1-15.
  5. Замащиков В.В., Бунев В.А. О влиянии поверхности на цепные разветвленные реакции в условиях фильтрационного горения газов//Физика горения и взрыва, 2003, т.39, № 4, с.77-82.
  6. Kakutkina N.A. Regimes of Fluid Filtration Combustion. In: “Modern Problems of Combustion and Its Applications”, Minsk, Institute of Heat and Mass Transfer NAS RB, 2001, pp. 18-22.
  7. Laevsky Yu.M., Babkin V.S. On the Theory of a Travelling Hybrid Wave, Combust. Sci. and Tech., 2001, Vol. 164, pp. 129-144.
  8. Babkin V.S., Laevsky Yu.M., Ismagilov Z.R. Travelling Waves of Filtration Combustion with Homogeneous-Heterogeneous Reactions. Proceedings of APM2002 the 1th International Conference on Applications of Porous Media. Eds: R.Bennacer and A.A.Mohammad, 2002, Jerba, Tunisia, pp. 643-654.
  9. Замащиков В.В.. Газовые вращающиеся пламена//Физика горения и взрыва, 2003, т.39, № 2, с. 9-10.
  10. Бабкин В.С., Бунев В.А., Какуткина Н.А., Лаевский Ю.М., Намятов И.Г. Проблемы реверс-процесса с газофазной реакцией окисления метана//Горение и плазмохимия, 2003, т. 1, № 4, с. 357-370.
  11. Какуткина Н.А., Мбарава М. Переходные процессы при фильтрационном горении газов //Физика горения и взрыва, 2004, т. 40, № 5, 62-73.