3.2. ИЗМЕРЕНИЕ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ

Для измерения нормальной скорости распространения пламени в газовых смесях применяются три основных метода – метод газовой горелки, использование мыльного пузыря и метод измерения в прозрачной трубке.

Определение скорости распространения пламени в газовой горелке

(метод Михельсона)

Пламя газовой горелки состоит из внутреннего и внешнего конусов. Внутренний конус резко выделяется сильным свечением и является основной частью пламени, где происходит процесс горения (рис. 3.4). Поверхность внутреннего конуса представляет собой неподвижный фронт пламени, в котором скорость движения газовой смеси (снизу вверх) уравновешивается скоростью распространения фронта пламени, движущегося сверху вниз. При этом фронт пламени будет неподвижен, если скорость движения смеси в горелке постоянна w = const. При уменьшении w размер пламени уменьшается и при некотором значении w_min пламя может проскочить внутрь горелки. При увеличении скорости движения смеси пламя увеличивается в размерах и при некотором значении w_max пламя отрывается от горелки и гаснет. Отрыв пламени происходит при скоростях смеси, превышающих нормальную скорость распространения пламени.

Величина нормальной скорости распространения пламени равна отношению объемного расхода смеси Q (объема сгораемой смеси в единицу времени) к поверхности фронта пламени S:

,                                      (3.1)

где R – радиус горелки, м;

Q – объемный расход смеси, м³/с;

S – поверхность конуса пламени, м².

Для определения нормальной скорости распространения пламени по формуле (3.1) необходимо измерить объемный расход газа в горелке Q (например, газовым счетчиком) и по фотографии пламени рассчитать поверхность конуса S.

Метод определения скорости распространения пламени

с использованием мыльного пузыря

Распространение пламени в сферическом сосуде при поджигании горючей смеси в центре сосуда происходит радиально без искажения образовавшегося сферического фронта пламени. Возникающие при этом радиальные потоки действуют симметрично, не искажая форму фронта пламени. Радиальный поток возникает вследствие разности температур (а, следовательно, и давлений) между горючей смесью и продуктами сгорания, находящимися внутри сферического фронта пламени. В результате, перед фронтом пламени в несгоревшей смеси возникает радиальный поток w, за счет которого наблюдаемая скорость распространения пламени будет значительно превышать нормальную скорость u_n. Наблюдаемая скорость u при этом будет равна

u = u_n + w.

Если же в качестве сферического сосуда использовать мыльный пузырь, который расширяется совместно с расширением газа, то в этом случае процесс горения будет протекать при постоянном давлении, что облегчает расчет нормальной скорости распространения пламени.

Метод измерения скорости распространения пламени в мыльном пузыре состоит в следующем. Взрывчатая газовая смесь подается по тонкой стеклянной трубке, на конце которой выдувается мыльный пузырь (рис. 3.5, а). В центре мыльного пузыря расположены электроды с искровым промежутком. При воспламенении смеси искрой образуется сферическое пламя (рис. 3.5, б), которое постепенно распространяется на всю горючую смесь. При этом форма фронта пламени не искажается до конца горения смеси.

Процесс горения газовой смеси в мыльном пузыре снимается скоростной видеокамерой через узкую щель, что позволяет определить наблюдаемую скорость распространения фронта пламени u. Наблюдаемая скорость пламени u в пузыре определяется не только величиной нормальной скорости u_n, но и скоростью движения самой газовой смеси w вследствие ее расширения. Степень расширения смеси определяется отношением объема продуктов сгорания

к начальному объему смеси

,

где R₁, R₂ – начальный и конечный радиусы мыльного пузыря.

При этом нормальная скорость распространения пламени рассчитывается по следующей формуле:

.                                       (3.2)

Таким образом, измеряя по видеозаписи процесса наблюдаемую скорость фронта пламени u, начальный R₁ и конечный R₂ радиусы мыльного пузыря, можно по формуле (3.2) определить величину нормальной скорости распространения пламени u_n.

Рис. 3.5. Схема измерения скорости нормального

распространения пламени c помощью мыльного пузыря:

а – до воспламенения; б – после воспламенения

Метод определения скорости распространения пламени в трубке

Определение нормальной скорости распространения фронта пламени в прозрачной трубке возможно только на начальных этапах горения смеси, когда пламя распространяется равномерно. Этот процесс происходит на расстояниях порядка (0.5÷1.0) м от входа в трубку. На больших расстояниях скорость распространения фронта пламени может резко возрастать или уменьшаться.

При равномерном распространении пламени форма его фронта и количество газа, сгорающего за единицу времени, постоянны, а, следовательно, постоянна и наблюдаемая скорость распространения фронта пламени u. Определение скорости u и площади поверхности фронта пламени S проводится c помощью скоростной видеосъемки процесса. Величина нормальной скорости распространения пламени u_n рассчитывается по формуле:

,                                                        (3.3)

где u – наблюдаемая скорость распространения пламени;

R – радиус трубки;

S – площадь поверхности фронта пламени.

Для известного радиуса трубки R и измеренных величин u и S по формуле (3.3) находят нормальную скорость распространения пламени u_n.

Определение наблюдаемой скорости распространения пламени в трубке проводится в открытой с одного конца трубке, либо в закрытой с обоих концов трубке. Регистрация момента прохождения пламени в трубке производится либо методом перегорающих тонких проволочек, натянутых в разных сечениях трубки, либо непосредственно по видеосъемке процесса.