Modes of flame propagation at combustion of poor hydrogen-air mixtures in presence of additives at central initiation at atmospheric pressure
It is experimentally established, that the flames of poor (6-15%Н2) of Н2-air mixtures have cellular structure. It is shown, that for the mixtures containing 6-10 % Н2 the flames at an initial stage near to the lower concentration limit propagate symmetrically; then the field of a gravity deforms the the shape of flame front. The flames of mixtures, containing 10-15 % Н2, propagate symmetrically. It is shown, that to obtain cells in calculation at Н2 <10 % with gravity taken into account Boussinesque approximation can be used; calculations of the Boussinesque approximation for the lack of a gravity do not give cells formation. For the description of a symmetric mode of cellular flame propagation in conditions of microgravitation it is necessary to involve compressible Navier-Stokes equations. It is shown, that the analysis of experimental data on flame propagation in poor mixtures does not allow taking apart results of calculation by two-dimentional model with taking convection into account and without convection. It is experimentally shown, that isobutene additives in quantities below a concentration limit (up to 1.5 %) tend to increase, and additives СО2 up to 15 % – to reduce the speed of flame propagation in poor Н2-air mixtures. The reasons for acceleration of combustion in the presence of hydrocarbon additive are considered.
Экспериментально установлено, что пламена бедных (6-15%Н2) водородо-воздушных смесей имеют ячеистую структуру. Показано, что для смесей, содержащих 6-10% Н2 пламена на начальной стадии вблизи нижнего концентрационного предела распространяются сферически симметрично; затем поле силы тяжести искажает форму фронта горения. Пламена смесея, содержащих 10-15% Н2, распространяются сферически симметрично. Показано, что для получения в расчете ячеек при Н2 <10% с учетом силы тяжести применимо приближение Буссинеска; расчеты по модели Буссинеска в отсутствие силы тяжести не дают образования ячеек. Привлечение уравнений Навье-Стокса для сжимаемой среды дает возможность описания сферически-симметричного режима распространения ячеистого пламени в условиях микрогравитации. Показано, что анализ экспериментальных данных по распространению пламени в бедных смесях не дает возможности различить результаты расчета по двумерной модели с учетом и без учета конвекции. Экспериментально показано, что добавки изобутена С4Н8 в количествах ниже нижнего концентрационного предела (до 1.5%) приводят к увеличению, а добавки СО2 до 15% – к уменьшению скорости распространения пламени в бедных водородо-воздушных смесях. Рассмотрены причины ускорения горения в присутствии углеводородной добавки.
1. Ronney, P. D., “Premixed-Gas Flames,” in: Microgravity Combustion: Fires in Free Fall (H. Ross, Ed.), Academic Press, London, U.K., 2001, pp. 35-82.
2. F.A. Williams , J.F.Grcar, A hypothetical burning-velocity formula for very lean hydrogen–air mixtures // Proc. of the Combustion Institute. 2009. V. 32. №1. P.1351 -1360.
3. Nonsteady flame propagation, ed. by George H.Markstein, Perg.Press, Oxford, London, 1964.
4. Я.Б.Зельдович, Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика, п/р ак. Ю.А.Харитона, М:; Изд-во “Наука”, 1984, 379 С.
5. Z. Chen and Y. Ju, Theoretical analysis of the evolution from ignition kernel to flame ball and planar flame// Combustion Theory and Modelling, Vol. 11, No. 3, Р. 427–453.
6. H. F. Coward and F. Brinsley, Influence of additives on flames// J. Chem. Soc. 105 (1914) 1859-1866.
7. P.D.Ronney, Near-limit flame structures at low Lewis number // Comb, and Flame, 1990, V.82,P.1-14.
8. Я.Б.Зельдович, Н.П.Дроздов, Диффузионные явления у пределов распространения пламени // Журнал физической химии, 1943, Т.17, вып. 3, с.134-144
9. N.M.Rubtsov, B.S.Seplyarsky, G.I.Tsvetkov, V.I.Chernysh, Nimerical investigation of the effects of surface recombination and initiation for laminar hydrogen flames at atmospheric pressure // Mendeleev Communications, 2008, V.18, P.220-222
10. Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Трошин К.Я., Черныш В.И., Цветков Г.И. // Особенности распространения ламинарных сферических пламен, инициированных искровым разрядом, в смесях метана, пентана и водорода с воздухом при атмосферном давлении // Журнал физической химии, 2011, Т.85, №10, с.1834-1844.
11. Rubtsov N.M., Kotelkin V.D. Seplyarskii B.S., Tsvetkov G.I., Chernysh V.I. Investigation into the combustion of lean hydrogen–air mixtures at atmospheric pressure by means of high-speed cinematography // Mendeleev Communications, 2011, V.21, N5,p. 215-217.
12. B. Lewis, G. Von Elbe, Combustion, Explosions and Flame in Gases, New York, London.: Acad.Press, 1987, P.566.
13. Dahoe A.E. Laminar burning velocities of hydrogen–air mixtures from closed vessel gas explosions // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2005. V.18. P.152-169.
14. Рубцов Н.М., Котелкин В.Д., Сеплярский Б.С., Цветков Г.И., Черныш В.И. // Исследование особенностей инициированного горения бедных водородо-воздушных смесей при атмосферном давлении методом скоростной киносъемки, 2011, Химическая физика и мезоскопия, Т.13, №3, с.331-339.
15. G. Backstrom, Simple Fields of Physics by Finite Element Analysis (Paperback), GB Publishing (2005), P 324.
16. V. Polezhaev, S. Nikitin, Thermoacoustics and heat transfer in an enclosure induced by a wall heating // 16th International Congress on Sound and Vibration, Kraków, Poland, 5–9 July 2009, p.2-8
17. Rayleigh J.W. On convection currents in a horizontal layer of fluid, when the higher temperature is on the under side // Phil. Mag., 1916. V. 32. P. 529-546.
18. Н.М. Рубцов, В.В. Азатян, Д.И. Бакланов, Г.И. Цветков, В.И. Черныш, Влияние химически активных добавок на скорость детонационной волны и пределы детонации в бедных горючим смесях // Теоретические основы химической технологии, 2007, Т.41, №2, 166-175.
