7.3 Теории распространения ламинарных пламен

Существуют различные теории механизма распространения пламени. Одной из первых была теория, предложенная Маллара и Ле-Шателье в 1883 г. Согласно этой теории предполагали, что в предпламенной зоне не протекают химические реакции, а происходит лишь передача тепла теплопроводностью из светящейся зоны (зоны реакций), а скорость распространения пламени определяется только физическими закономерностями (скоростью передачи тепла свежей смеси или ее теплопроводностью). Такие теории, основанные на скорости теплопередачи, назвали тепловыми, но в дальнейшем, по мере развития представлений о механизме распространения пламени, появились диффузионные теории. В основе этих теорий лежит предположение, что скорость распространения пламени является функцией скорости диффузии активных центров из зоны горения в свежую горючую смесь. При этом считали, что по аналогии с самовоспламенением горение является цепным процессом, скорость которого должна существенно зависеть от концентрации активных центров, и на скорость горения так же, как и в тепловых теориях, влияют физические свойства горючей смеси. Однако эти теории имеют ограниченную применимость, так как в их основу положен ряд допущений, поэтому в последние годы уделяется бóльшее внимание теоретическим расчетам, направленным на выяснение отдельных особенностей механизма горения, определение констант скорости отдельных элементарных химических реакций в процессе горения.

7.4 Химические процессы в предпламенной зоне

Химические реакции в пламени и предпламенных зонах протекает с очень высокими скоростями, поэтому об их характере судят путем идентифицирования стабильных продуктов, образующихся в результате этих реакций. Для этого разработаны техника зондирования пламени пробоотборниками и техника бесконтактного оптического зондирования пламен. Анализ проб проводят с использованием современных высокочувствительных физических методов: масс-спектрометрии, хроматографии, лазерного магнитного резонанса и других. Определено, что в предпламенной зоне, на расстоянии примерно 3 мм от светящейся зоны, начинаются заметные химические превращения в горючей смеси, но при этом начальная температура смеси остается постоянной. Заметное повышение температуры свежей смеси в предпламенной зоне начинается примерно в 1,5 мм от светящейся зоны, но в предпламенной зоне молекулы горючего подвергаются фрагментации и окислению, что подтверждается образованием низкомолекулярных продуктов (H₂, СО, СО₂, Н₂О) и в небольших количествах СН₄, С₂Н₄, С₂Н₂, которые пересекают границу светящейся зоны со стороны свежей смеси. Если скорость предпламенных процессов слабо зависит от начальной температуры горючей смеси и процесс ламинарного горения (распространение пламени) нельзя объяснить на основе тепловой или диффузионной модели ламинарного горения, то при допущении, что предпламенные процессы являются следствием пламеных фотохимических реакций, их можно представить в виде авторегулируемого химического процесса (АХП).

Прямая связь между предпламенной и пламенной зонами осуществляется поступающими во фронт пламени продуктами превращения из предпламенной зоны (Н₂, СО, мелкие фрагменты, возбужденные молекулы О₂* и N₂*), а обратная связь – фотонами ИК-излучения, видимого излучения и УФ-излучения пламени. Поэтому процессу распространения пламени присущи все основные элементы, характерные для автоуправляемых процессов, то есть наличие управляемой (реакционная зона, фронт пламени) и управляющей (предпламенная зона) систем, связанных прямой и обратной связью. Возбуждение процесса (воспламенение) производится внешним воздействием на исходную горючую смесь так, чтобы в элементарном объеме смеси полностью воспроизводился АХП.

В предпламенной зоне и зоне пламени протекает множество различных элементарных, параллельных и последовательно-параллельных химических реакций, из которых для каждых конкретных условий (Р, Т, состав смеси, газодинамические факторы) можно выделить сумму элементарных реакций, когда превращение смеси в конечные продукты происходит с максимальной скоростью. При изменении внешних условий выбор оптимального процесса осуществляется автоматически, а отклонение состава смеси от стехиометрического, соответствующего максимальной интенсивности излучения, приводит к снижению интенсивности и плотности излучения на единицу нормальной к излучению поверхности смеси в предпламенной зоне. Это уменьшает степень предпламенной подготовки смеси, возрастает количество многоатомных молекул, поступающих в зону пламени, увеличивается ширина светящейся зоны и уменьшается скорость горения. Когда при изменении состава смеси интенсивность излучения уменьшается так, что скорость предпламенной фотофрагментации молекул горючего не обеспечивает необходимой степени их дробления, происходит разрыв связей АХП и пламя угасает. Составы богатой и бедной смесей, при которых наблюдается такое явление, характеризуют концентрационные пределы распространения пламени. Скорость фотохимических реакций слабо зависит от начальной температуры смеси, и поэтому в предпламенной зоне не увеличивается скорость предпламенных процессов, а следовательно, и скорость горения смеси не возрастает. Однако причину слабой зависимости скорости предпламенных процессов от начальной температуры не объясняют ни «тепловая», ни «диффузионная» модели ламинарного горения, а согласно правилу Вант-Гоффа скорость большинства химических реакций, с повышением температуры только на 10 градусов, возрастает в 2–4 раза.