Страница 16 из 17
где: Z – координата по абсциссе,
Nf – число молей топлива в единице объема,
U0, Uz. – линейная скорость потока при Т = Т0 или Тz, jf – одномерная скорость диффузии і-го компонента в точке Z,
φi =DZ/Ni(dNi/dz + KT/TdT/dz),
φf –одномерная скорость диффузии i-го компонента в точке Z,
ΨZ – относительное расширение трубки тока в точке Zi,
Di – коэффициент бинарной диффузии i-го компонента,
КТ – термодиффузионное отношение
где: M =ΣMiNi
n = 1,75
Идеализируя распространяющийся монофронт с «назреванием» в ходе роста С0 зоны ОТК, рассмотрим формирование разрыва в соответствии с изложенным выше, как усиливающийся в результате ОТК кинематический дисбаланс скоростей реакций в А и Т.
Структура монофронта, как самосогласованная последовательность реакций превращения топливной смеси, благодаря обратной связи по диффузии тепла и активных частиц обладает неразрывностью и эстафетным свойством движения. Пользуясь этой моделью рассмотрим реакцию структуры монофронта на рост С0 в смесях, наращивая значения ε в положительной области.
Своеобразие протекания реакций вырожденного разветвления в пределах блока А формирует в зависимости от значений S и ε (см. сообщение 1), отклик структуры фронта на внешние воздействия, – вроде приращения ΔС0, ΔΤ0 или ΔΡ.
При S < 1 и ε < 0 преобладают характерные для горячего пламени короткие цепи и реакции разветвления, которые стабилизируются диффузионным потоком Н-атомов. Короткие цепи, т.к. есть мощный диффузионный поток Н-атомов, стабилизируют в холодной зоне фронта зарождение реакций автокатализа.
С ростом степени стадийности S ослабевается противопоток Н-атомов, но возможно удлинение цепи и главное рост скорости вырожденного разветвления по (0) – (4), и в связи с этим скорости диффузии ОН-радикалов, что сопряжено с ростом аКо2 и снижению тКо2. Это вытекает из данных работы, приведённых выше [21] в виде зависимости констант реакций (1) ÷ (4) от температуры и давления. Пусть в точке бифуркации S ≥ 1 и е есть малая положительная величина.
Рассмотрим на основе изложенного зарождение разрыва в монофронте. Будем искать условия преобладания АКf над ТКf, которое наступает в результате достижения критического приращения ΔСкр., которое обеспечивает преобладание скорости разветвления, т.е. скорости роста ОН-радикалов, в зоне А над суммой скоростей производства в Т зоне Н-атомов и скорости их доставки в зону А. Возникновение автономности зоны А, и далее достижение системой точки бифуркации – события, обусловленные соотношением скорости диффузии в зоне ОТК и расширением трубки тока Ψ по (1).
Таким образом, в результате смены ведущего радикала, – вместо Н-атома ведущим становится гидроксил А-блока, реакция переходит в автономный режим. Скорость распространения холодного монофронта в поле расширяющегося потока горючей смеси уравновешивается в некоторой координате Z0 ниже по потоку с некоторым относительным расширением трубки тока Ψ.
Поэтому, приращения массы топлива в его потоковой скорости реакции, вызывает линейное изменение ширины зоны ОТК:
где: Δ ℓ – величина смещения холодного монофронта, с момента введения в горючую смесь приращения ΔС0. Она может быть числено выражена проекцией суммарных реакций на единицу пламени фронта;
Nf – число молей топлива в единице объёма;
U0 – линейная скорость потока.
Используя соотношение для ε и выражения для фактора стадийности S (см. сообщение 1) найдём величину этого смещения или ширину разрыва, приходящуюся на малую величину ε:
Производя замену ТКf и далее АКf найдем ширину разрыва фронта L:
Применительно к фронту пламени гексана [1 – 3], в котором при Т0 = 344 К, значение N = 0,37 × 10-5 мол.см-3 , Ψ = 1,4, U0 = 15 cм с-1, АКf = 0,2× 10-4 мол.см-3с-1, а так же согласно данным табл.
2 S = 7,5 и вычисленная по (4) величина ε = 1,3× 10-4 мол.см-3с-1.
Вычисленное значение Δℓ по (5) составляет 2,6 мм, что одного порядка с экспериментальной величиной 0,8мм, найденной выше по соответствующей кривой тепловыделения (рис. 6). Вычисления по кривым [3] Т0 = 404 К при значениях АКf = 1,3 × 10-4 мол.
см-3с-1, ТКf = 0,25 × 10-4 мол.см-3с-1 , Ψ = 1,45, S = 5,2 и 1,5 = ε×10-4 мол.см-3с-1 дают Δℓ = 2,9. Для Т0 = 480, Ψ = 1,8, АКf =1,0× 10-4
мол.см-3с-1, ТКf = 0,3, S =3,3 и ε = 0,7 мол.см-3с-1 величина Δℓ = 3,07 мм. Выше, при анализе рис. 6 из экстраполяции было найдено значение L для Т0 = 480 К равным 3,0. Зависимость величины ε от Т0 обрывается при достижении ε = 0 и далее к отрицательным значениям. Значение Δℓ при ε < 0 и S < 1(монофронт) теряет физический смысл. Если приращение ΔС0 настолько мало, что остается справедливым критерий (4), формула (5) описывает реальную феноменологию.
Заключение
Представление о механизме бифуркации фронта пламени построено на изначальном допущении о конкурирующем взаимодействии А и Т механизмов в пределах этого же фронта. Полученные результаты в настоящей работе, – фактор стадийности, ОТК, критерий бифуркации, ширина разрыва Δℓ, отсутствие отклика на изменение Т0 у ряда компонентов реакционной смеси, выбранной из пределов фронта и, наконец, форма профиля концентрации Н-атомов и ОН-радикалов, и профиля тепловыделения являются достаточно убедительным доказательством справедливости указанного предположения и представляют собой новые сведения о монофронте и бифронте пламён.
На основе разработанного в сообщении 1 количественного метода измерения степени стадийности горючей смеси с параметрами С0, Т0 и Р0, и критерия бифуркации предложен (впервые) метод вычисления ширины разрыва. Этим открыта возможность для разработки численного метода, позволяющего найти значения фактора стадийности и ширины разрыва в широком диапазоне с0, т0 и р, охватывая различия по природе топливные смеси и бифуркацию не только монофронта, но и голубых пламён. Фактор стадийности может быть использован в качестве практической характеристики ракетных и других топлив, для вычисляемого значения ширины разрыва определяющей резонансную частоту бифронта для топлива используемого в авиации и др. промышленных установках.
Показана необходимость детального исследования структуры пламён в расширенном диапазоне значений С0, Т0 и Р0.
Показано так же, что в условиях горения топлив в камере реактивных двигателей следует ожидать со значительной вероятностью возникновение пероксигидропероксидов. В этой связи, высказанное в начале статьи предположение о возможном изменении формы отклика бифронта на падающую акустическую величину по сравнению с реакцией монофронта, сводится к кинетическому взаимодействию акустической волны со сложными радикалами, вроде длиноцепочных алкилполипероксиполигидропероксидов. Как известно, такого рода молекулы не стабильны к колебаниям давления. При энергиях активации их распада близким к нулю в условиях пламени, возможен переход доли энергии реакции распада в энергию колебаний и возрастание амплитуды акустической волны.