Эффекты чисел Льюиса при горении газов в инертных пористых средах
Общая формулировка проблемы. Фильтрационное горение газов, как процесс газофазного горения в инертной пористой среде, включает в себя несколько стационарных режимов распространения волн горения, среди которых большое значение для пожаровзрывобезопасности и энергетики имеют режим низких скоростей (РНС), со скоростью волны u порядка 10-4 м/с и режим высоких скоростей (РВС), u~1-10 м/с.
Число Льюиса характеризует соотношение между интенсивностями переноса массы диффузией и переноса теплоты теплопроводностью (Le=k/D, где k, D - коэффициенты температуропроводности и диффузии). При Le≠1, нарушается подобие полей температур и концентраций в пламени. Классическая постановка задачи о распространении пламени, впервые решенная , предполагала равенство коэффициентов диффузии и температуропроводности, что позволило качественно и в ряде случаев количественно оценить критические диаметры каналов пористых сред. Практическим приложением данной теории являлся расчет огнепреградителей. Огнепреградитель – это устройство, не препятствующее движению газа, но предотвращающее распространение пламени через него. Его принципиальной компонентой является участок с открытопористой средой с достаточно мелкими порами. Из-за сделанных приближений в практические расчеты вводился коэффициент запаса, который с одной стороны, не обеспечивал безопасность в одних условиях, и завышал требования для других.
Формулировка конкретной задачи. Экспериментальное исследование влияния чисел Льюиса топлива и окислителя на скорость и пределы распространения пламени различных газовых горючих смесей в пористой среде в режиме высоких скоростей.
Авторы исследования, лаборатория. , , в сотрудничестве с (НПП «Звезда», Москва). Лаборатория Физики и химии горения газов.
Используемый подход. Экспериментальное исследование зависимости скорости распространения пламени различных топливо-воздушных смесей от их состава в диапазоне от бедного до богатого предела, при вариации начального давления смеси, в различных пористых средах.
Полученные результаты. Полученный массив экспериментальных данных и известных литературных данных позволил выявить закономерности влияния чисел Льюиса и сделать соответствующие поправки в классическую теорию.
Подробно изложено в:
, , Клименко селективной диффузии при распространении и гашении пламени в пористой среде // Физика горения и взрыва 41, 50
На левом рисунке представлены зависимости скорости распространения пламени, выраженные безразмерным числом Рейнольдса от числа Пекле, построенного без учета эффектов чисел Льюиса. Крайние левые точки каждой серии соответствуют предельным условиям. На правом рисунке те же данные представлены в модифицированных координатах Re*(Pe*), где Re* и Pe* числа Рейнольдса и Пекле построенные по нормальным скоростям, скорректированным с учетом влияния чисел Льюиса на состав смеси. Учет этого эффекта приводит к обобщению экспериментальных данных единой зависимостью Re*(Pe*). Точки соответствуют различным экспериментальным условиям: бедные, богатые и стехиометрические смеси, разбавленные азотом и кислородом, при различных начальных давлениях.
