От дефлаграции до детонации

Полежаев Ю.В.
ОИВТ РАН, Москва

Анализ и обобщение опубликованных экспериментальных данных по различным параметрам турбулентных топливных струй, сгорающих в воздухе, позволили установить целый ряд универсальных зависимостей, в том числе и для масштаба турбулентности. Доказано, что переход к турбулентному режиму горения позволяет значительно увеличить интенсивность тепловыделения и уменьшить весогабаритные характеристики камеры сгорания


Рис.1. Схема течения изотермических струй и факелов

Факел образуется при воспламенении топливной струи в воздушной атмосфере. В отличие от процесса истечения изотермической (классической) струи факел представляет собой весьма удобный объект наблюдения, поскольку он ярко светится и легко фиксируется на обычной фотопленке.

Тем более удивительно, что опубликованных работ по геометрическим, гидродинамическим или физико-химическим параметрам факелов, возникающих при возгорании различных топлив, не так уж много и до сих пор нет единства у профессионалов по критериальной обработке экспериментальных результатов.

На рис. 1 схематично показано, чем отличаются течения в струе и факеле. Холодное ядро факела как бы заключено в высокотемпературную оболочку из продуктов реакции топлива с кислородом воздуха.


Рис.2 Изменение вдоль струи измеренной полутолщины δ и рассчитанного масштаба турбулентности l: белые значки – без горения; черные значки – с горением

За счет этого скорость на оси факела возрастает, и на его вершине она лишь вдвое меньше, чем на срезе форсунки, тогда как у обычной струи скорость падает обратно пропорционально расстоянию от среза .

Выводы

1. Доказано, что внутри пламени генерируется турбулентность, масштаб которой тем больше, чем выше отношение диаметра струи к толщине волны горения. Скорость турбулентного горения многократно превышает скорость горения в ламинарном режиме.


2. Установлены законы и критерии подобия, позволяющие сравнивать параметры струйного горения различных топливных смесей и заменять при моделировании одно топливо другим (например, водород метаном).