Wyniki wyszukiwania - BazTech

Ograniczanie wyników

Znaleziono wyników: 1

Liczba wyników na stronie

Wyniki wyszukiwania

Wyszukiwano:
w słowach kluczowych: płomień laminarny

Sortuj według:

Ogranicz wyniki do:

Badania rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia podczas spalania mieszanki propanu z powietrzem w wąskich kanałach

Gutkowski A.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

2013

Z. 447

1--127

Tematem niniejszej pracy jest swobodna propagacja i gaszenie płomienia laminarnego w wąskich kanałach wypełnionych mieszankami propanu z powietrzem. W pracy przedstawiono najważniejsze modele analityczne określające graniczną temperaturę i graniczną prędkość płomienia poruszającego się w kanale, a także związek odległości gaszącej z grubością płomienia. Opisano najważniejsze czynniki mające wpływ na zachowanie się płomienia, takie jak: rozciąganie płomienia, wpływ liczby Lewisa i uprzywilejowanej dyfuzji. Prace eksperymentalne przeprowadzono w wąskich kanałach o przekroju okrągłym i kwadratowym. Przebadano dwa przypadki rozprzestrzeniania się płomienia laminarnego w mieszankach propanu z powietrzem: zgodnie z kierunkiem działania przyspieszenia ziemskiego oraz - przeciwnie do niego. Pomiary przeprowadzone w mieszance stechiometrycznej pozwoliły ustalić wpływ wymiaru i kształtu kanału na prędkość propagacji, martwą strefę oraz promień krzywizny płomienia. Wyniki pokazały, że kształt kanału, a także kierunek propagacji mają znikomy wpływ na graniczną prędkość propagacji płomienia. Eksperymentalnie i numerycznie określona martwa strefa wskazuje, że dla większych kanałów jest ona prawie stała. Natomiast wzrasta, gdy wymiar kanału jest mniejszy od pewnej krytycznej wartości. Wskazuje to na brak możliwości gaszenia płomienia przez odprowadzenie ciepła do ścianek kanału, jeżeli jego wymiar jest większy od krytycznej wartości. Obliczenia numeryczne propagacji płomienia w wąskich kanałach były przeprowadzone dla dwóch przypadków warunków termicznych na powierzchni ścianki: izotermiczne i adiabatyczne. Dodatkowo sprawdzono dwa rodzaje zapłonu mieszanki: kulisty i płaski. Wszystkie te czynniki mają wpływ na późniejszy kształt płomienia i jego prędkość propagacji. Dla kanałów izotermicznych wyszczególniono trzy przedziały w zależności od kształtu płomienia i wymiaru kanału. Dla najmniejszych średnic płomień przybierał tylko kształt wypukły. Dla większych średnic istnieje przedział, w którym jednocześnie koegzystują kształty wypukły i wklęsły. A po przekroczeniu pewnego wymiaru kanału - występuje tylko struktura wklęsła. Podobne trzy przedziały można wyodrębnić dla kanałów adiabatycznych. Z tym, że dla najmniejszych średnic występuje tylko kształt wklęsły płomienia. Kształty płomieni wypukłych w obu rodzajach kanałów są do siebie podobne. Co za tym idzie, ich prędkości propagacji są także prawie identyczne. Wynika to z faktu, że odpowiednikiem gaszącego oddziaływania ścianki izotermicznej jest minimum szybkości reakcji chemicznej w pobliżu ścianki adiabatycznej, będącej efektem wklęsłego kształtu płomienia w tym miejscu. Kształty płomieni wklęsłych w obu rodzajach kanałów różnią się od siebie w znaczny sposób. Płomienie w kanałach izotermicznych są bardziej płaskie od tych w kanałach adiabatycznych. Z tego powodu ich powierzchnia oraz prędkość propagacji jest także dużo mniejsza. Różnica prędkości rośnie w miarę zwiększania się średnicy kanału. Eksperymentalnie określone średnice i odległości gaszące są funkcjami składu mieszanki. Dla mieszanek ubogich wielkości te nie zależą od kierunku propagacji płomienia. Zgoła odwrotnie wygląda sytuacja dla mieszanek bogatych. Dla Φ > 1,55 płomienie poruszające się w tym samym kanale, ale w przeciwnych kierunkach, są gaszone przy różnych składach mieszanki. Uboga granica dla płomieni poruszających się do dołu (góry) równa się Φ = 0,53 (Φ = 0,57). Natomiast granica bogata dla płomieni poruszających się do dołu (góry) wynosi Φ = 1,64 (Φ = 2,62). Tak szeroki przedział pomiędzy granicami palności dla mieszanek bogatych wynika z uprzywilejowanej dyfuzji substratów, który jest w deficycie - w odpowiedzi na rozciąganie płomienia poruszającego się do góry (dla tych płomieni liczba Le< 1). Analiza rozciągania płomienia będącego efektem krzywizny płomienia wskazuje na jego wpływ na granice gaszenia i prędkość propagacji, ale jednocześnie wyklucza istnienie bezpośredniego jego znaczenia dla samego procesu gaszenia płomienia w wąskim kanale, ponieważ stanowi tylko 30% wartości krytycznej. W pracy porównano także eksperymentalnie określone prędkości propagacji płomienia Sq z granicznymi prędkościami spalania laminarnego Slim wynikającymi z teorii Zeldowicza, a także przeanalizowano czynniki powodujące, że te wielkości nie są sobie równe. Do tych czynników zaliczono: rozciąganie płomienia, uprzywilejowaną dyfuzję, wpływ liczby Lewisa, zwiększoną powierzchnię wypukłego płomienia oraz unoszenie. Ten ostatni mechanizm jest szczególnie ważny dla płomieni poruszających się do góry w mieszankach bogatych, kiedy to w miarę zwiększania Φ zamiast spadku prędkości występuje niewielki jej wzrost. Określona krytyczna liczba Pecleta dla płomieni granicznych jest prawie stała dla składów Φ = 0,64÷1,23 dla kanałów kwadratowych oraz Φ = 0,55÷1,2 dla kanałów okrągłych. W miarę zbliżania się składów mieszanki do granic palności liczba Pecleta rośnie. Obserwacje oraz obliczenia numeryczne płomieni bliskich gaszenia podczas przejścia z większego do mniejszego kanału pokazały, że tuż za przewężeniem płomień jest ekstremalnie słaby. Wyniki symulacji wskazują, że w przypadku gdy średnica mniejszego z kanałów jest bliska średnicy gaszącej, to aby płomień mógł pokonać przewężenie, średnica większego kanału nie może być zbyt duża. W innym przypadku płomień gaśnie podczas tego procesu. Odpowiedzialny za to jest stosunek chwilowych strat ciepła do jego wydzielania. Ma to znaczenie podczas precyzyjnego określania średnicy gaszącej, wykorzystując obserwację płomienia pokonującego przewężenie i, następnie, poruszającego się w wąskich kanałach. Sprawdzono także możliwości wykorzystania jedno-, dwu- i czterostopniowych modeli chemicznych z domyślnymi stałymi postępu reakcji w symulacjach propagacji płomieni w wąskich kanałach.

The subject of the work is related to free propagations and quenching of the laminar flame in small channels with propane-air mixtures. The important analytical models determining limit flame temperatures, limit flame propagation velocities (caused by heat losses to the wall) and relation between quenching distance and flame thickness - are presented. The significant factors affecting flames behavior, i.e. Lewis number, flame stretch, and preferential diffusion effects are described and explained. Reported here own experimental works were conducted using small channels with a circular and square cross-sections. Two cases of the flame propagation directions were examined: with the gravity vector and opposite to it. The measurements allowed determining the effect of the channel width and its shape on flame propagation velocity, dead space and radius of flame curvature in a stoichiometric mixture. The results showed that a channel shape and direction of flame propagation have small influence on the flame propagation velocity under quenching conditions. Experimentally and numerically determined dead space has almost a constant value for wider channels. However, if the channel width is smaller than some critical size - its value increases. It indicates that flames are not extinguished by heat loss to the wall - if channel width is greater then critical one. Numerical calculation of flame propagation in small tubes were conducted for two thermal boundary conditions at the wall: isothermal and adiabatic. Additionally, spherical and plane ignition methods have been examined. Influence of all parameters mentioned, on later flame shapes and their propagation velocities have been checked. For isothermal tubes three flame shape ranges (depending on tube diameters) were specified. For small tubes, flames always have mushroom-shape. For larger tube diameters, mushroom and tulip-shaped flames coexist at the same time. Finally, in big diameter tubes only tulip-shaped flames are present. A similar three ranges can be found for adiabatic tubes. But for the smallest tube diameters, only tulip-shaped flames exist. Mushroom-shaped flames are similar in isothermal and adiabatic tubes therefore their propagation velocities are almost equal. Tulip-shaped flames are different in analyzed tubes: in the isothermal ones they are more flat than these in the adiabatic. For that reason their flame areas and propagation velocities are much lower. Differences between values of flame propagation velocities mentioned increase with respective tube diameters. Experimentally determined quenching diameters and distances depend on the equivalence ratios. For lean mixtures they do not depend on the flame propagation direction. The matter looks quite different for rich mixtures. Flames propagating in the same channel but in the different directions - are quenched for different equivalence ratios (Φ > 1,55). Lean limits of downward (upward) flame propagations are Φ = 0,53 (Φ = 0,57), while the rich ones of downward (upward) flame propagations - Φ = 1,64 (Φ = 2,62). This large gap between flammability limits in rich mixtures - results from preferential diffusion of a deficient reactant (as a response to the flame stretch of upward propagating flame when Le < 1). Analysis of flame stretch, resulting from its curvature, indicates influences on quenching (and flammability) limits and flame propagation velocities. However, it excludes existence of indirect effect on the process flame quenching in the channel, because it reaches only 30 % of the flame quenching critical stretch. Determined flame propagation velocity under quenching conditions Sq has been compared with a theoretical limit flame propagation velocity Slim obtained by Zeldovich. Effects of flame stretch and buoyancy on flame propagation velocity have been analyzed. Especially buoyancy can play an important role for upward propagating flames in rich mixtures. Calculated critical Peclet number is almost constant for limit flames with equivalence ratio Φ = 0,64÷1,23 for channels with square cross-sections and Φ = 0,55÷1,2 for channels with circular cross-sections. The Pe number increases with mixture concentration approaching flammability limits. Observation and numerical calculation showed, that flame being close to quenching condition immediately after passing through the sudden contraction -is extremely weak. The numerical results show that flames can enter small diameter tubes from wider ones and propagate in stable manner in these tubes as long as the diameter of the narrow ones are far from the quenching diameters. Decreasing the diameter of the narrow tube, we approach the conditions in which the dimension of the wide tube determines that the flame will propagate or quench. This is connected with a temporarily increased ratio of heat losses to thermal energy generation - caused by a greater heat loss area. Possibilities of using one-, two- and four step chemical reactions (with default reaction rate constants for simulation of flame propagation in narrow channels) - have been checked.