Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Известно, что причиной ускорения сферически расширяющегося пламени является развитие ячеистой структуры, главная особенность которого — рост амплитуды возмущений и площади фронта пламени. Площадь пламени растет быстрее квадрата среднего радиуса, тем самым приводя к ускорению фронта пламени. При сферическом расширении пламени наблюдается искажение неоднородностей на фронте пламени. Расширяющиеся пламена отличает рост длин волн ячеек, вызванный расширением фронта пламени. В пламенах среднего масштаба (10...100 см) структуру фронта определяют два основных механизма неустойчивости пламени: гидродинамический и термодиффузионный [1, 2]. При этом условия перехода гладкого сферического пламени к ячеистому широко исследовались [3, 4]. Экспериментально было показано, что неустойчивое распространение пламени начинается после достижения определенного радиуса [5].
Данная статья посвящена исследованию ячеистой структуры сферически расширяющегося пламени и последующему его анализу при содержании водорода 10 об. %, на основе теневых изображений фронта пламени.
Экспериментальная установка состоит из сферической оболочки, с толщиной стенок менее 0,1 мм, помещенной в оптическое поле теневого прибора ИАБ-451 и заполненной газовой смесью. В отдельном баллоне смешивались водород и воздух, в пропорции, соответствующей 10 об. % водорода в смеси при избыточном давлении 5 атм. Парциальное давление газов измерялось образцовым манометром 0,15 класса точности, позволившим оценить максимальную погрешность 1,5 об. %. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Зажигание водородно-воздушной смеси проводилось с помощью искрового разрядника. Искровой промежуток на конце разрядника помещался в центр заполненной латексной оболочки. Визуализация проводилась теневым методом с использованием прибора ИАБ-451 с полем обзора 230 мм. Последовательность изображений регистрировалась высокоскоростной камерой Phantom VEO 710S с частотой 900 кадров в секунду.
В результате эксперимента получены серии теневых изображений фронта пламени, пример представлен на рис. 2.
На этих теневых изображениях (см. рис. 2) видно глобально сферическое расширение ячеистого пламени.
Для того чтобы определить фронт пламени на изображениях и амплитуды гармоник методом дискретного преобразования Фурье, создана программа MATLAB. Амплитуды были нормированы на критическую длину волны Дарье — Ландау, а время от момента зажигания — на выражение .
Из рис. 3 видно, что амплитуда возмущения растет до максимального значения, затем наблюдается медленное уменьшение. Это означает, что в некоторый момент возникает ячеистая структура фронта пламени, по достижении критического радиуса. Например, в начале уменьшения пятой (1 на рис. 3) гармоники наблюдается резкий рост десятой (6 на рис. 3). Полученные результаты показывают, что при разбиении ячейки скорость предыдущей гармоники уменьшается а последующей, наоборот, увеличивается, что обусловлено влиянием механизма неустойчивости Ландау. С каждым последующим порядком возмущений максимальная амплитуда уменьшалась, поскольку происходило последовательное появление возмущений.
Таким образом, можно предположить, что существует критический радиус, при котором возникает ячеистая структура. Согласно экспериментальным значениям, такой радиус для 10 об.% равен R = 37,5 мм. Также, на основе полученных данных, критерий возникновения нового каскада ячеистой структуры в неустойчивом пламени может быть описан как , где .
Из экспериментальных теневых изображений сферически-расширяющегося пламени получены зависимости радиуса фронта пламени от угла в последовательные моменты времени. С помощью преобразования Фурье выделены амплитуды ячеек с длинами волн, соответствующие их гармоникам, для которых характерен резкий рост и последующий резкий спад при образовании ячеистой структуры. Таким образом, на основе полученных данных выдвинуто предположение о том, что данные зависимости показывают расщепление крупных ячеек на более мелкие.
