Критерий, характеризующий механизм горения

Согласно исследованиям многих авторов в камерах сгорания ГТД благодаря сильной турбулентности происходит турбулентное распространение пламени. В отличие от ламинарного фронта пламени в турбулентной зоне горения происходят беспорядочные пульсации, которые деформируют фронт пламени. При распространении пламени в турбулентном потоке происходит ее значительное ускорение благодаря воздействию пульсационной скорости.

Как известно, существуют два подхода при решении вопроса о механизме горения в турбулентном потоке. Первый – это "поверхностный" подход, предполагающий, что сгорание смеси происходит с поверхности фронта пламени, впервые предложенный Дамкеллером и развитый в работах К.И. Щелкина и А.В. Талантова, второй – "объемный", развитый Е.С. Щетинковым, в котором принимается, что процесс горения отдельных молей происходит не по поверхности, а в объеме. В этом случае горению должно предшествовать интенсивное смешение молей смеси, а распространение пламени достигается турбулентным переносом таких молей. На рис. 5.1 приведена схема моделей горения, трактуемых в этих подходах.

а	б

Рис5.1. Модели горения:
а – модель поверхностного горения; б – модель объемного горения

Для количественной оценки возможности реализации того или иного механизма горения в работе [7] предлагается критерий механизма горения
в турбулентном потоке, который находится как отношение времени химической реакции в ламинарном пламени ко времени, потребному для сгорания моля , который совпадает с известным критерием Дамкеллера.

После подстановки соответствующих значений параметров и преобразований можно получить:

,

где U _н – нормальная скорость горения; W' – пульсационная скорость в турбулентном потоке; W' = e W (e – интенсивность турбулентности); d_л – толщина ламинарного фронта пламени; l ₀ – эйлеров масштаб турбулентности.

Увеличение k _мговорит об изменении процесса в сторону "объемного" механизма горения, что происходит при увеличении пульсационной скорости и уменьшении нормальной скорости с обеднением смеси и умень­шением температуры. Это обстоятельство также подтверждается теорией "поверхностного" горения: в начальный момент выгорание моля происходит с поверхности, затем ускоряется из-за роста скорости горения при увеличении кривизны поверхности моля.

Расчеты значений k _мдля различных точек в зоне горения позволили получить изменение критерия по длине камеры. Получено, что изменение критерия k _мдля всех режимов и точек зоны горения происходит в области k _м < 1,0. Этот факт говорит о том, что процесс горения смеси в КС преимущественно происходит по "поверхностному" механизму. Однако при некоторых значениях параметров на входе в камеру, значения k _мблизки к единице, т.е.в камере возможна реализация обеих моделей.

Различаются также диффузионный и кинетический режимы горения. диффузионное горение реализуется, если скорость выгорания смеси меньше, чем скорость смешения окислителя и топлива. Это происходит при горении неоднородных смесей, т. е. при плохом распыле топлива и умеренной интенсивности турбулентности. Если скорости смешения достаточно велики по сравнению со скоростью химической реакции, то выгорание смеси будет определяться скоростью химической реакции - такой режим горения называется кинетическим. В камерах сгорания могут реализовываться оба вида режимов горения, т.к.в жаровой трубе в процессе работы непрерывно меняются термо-газодинамические условия