Горение газовой смеси в закрытых трубах порождает эхо, которое приводит к полной перестройке фронта пламени. Детали этого явления впервые были воспроизведены при численном моделировании.
Пламя, взаимодействующее с мощной звуковой волной, способно порождать интересные пространственные структуры (см., например, впечатляющий видеоролик с «огненной визуализацией» звуковых волн). Звуковая волна при этом не обязательно должна быть внешней: интенсивное горение газовой смеси горючего и окислителя в замкнутом объеме, например в трубах, порождает эхо, которое может исказить фронт пламени и изменить режим протекания реакции горения.
Искажение формы пламени при горении в трубах известно уже более ста лет, однако лишь в классических экспериментах Джеффри Сирби (G. Searby) 1992 года было проведено систематическое изучение этого процесса. В частности, Сирби наблюдал турбулизацию пламени под действием собственного эха. Само по себе это явление не кажется удивительным, однако теоретического описания этого процесса до сих пор предложено не было. Требовали ответа вопросы «Как именно происходит переход к турбулентности?», «Какие именно колебания пламени раскачиваются первыми?» и т. п. Всё это, в свою очередь, сковывало руки исследователям, ищущим возможности практического применения этого эффекта в технологии (вообще говоря, турбулентность пламени имеет большое значение для ракетной промышленности).
В недавней статье российско-шведской группы исследователей A. Petchenko et al., Physical Review Letters, 97, 164501 (19 October 2006) был сделан первый шаг на пути к построению такой теории. Авторы этой работы провели подробное численное моделирование процесса горения газовой смеси в длинной и очень узкой трубе, закрытой с одного конца (смесь поджигалась с открытого конца, и пламя распространялось вглубь трубы). Для простоты вычислений решалась двумерная, а не трехмерная задача, газовая смесь считалась идеальным газом, а процесс горения моделировался гипотетической одноэтапной и необратимой химической реакцией с заданными тепловыделением и энергией активации. Зато вся газо- и термодинамика — сжатие и расширение, течения газа, теплопередача, структура фронта пламени — учитывались в полной мере.
Результаты моделирования однозначно доказали, что при приближении к закрытому концу фронт пламени начинал «дрожать». Эта дрожь порождала звуковое эхо той же частоты, которое еще сильнее «раскачивало» пламя. В непосредственной близости к концу трубы осцилляции пламени становились настолько сильными, что фронт пламени буквально складывался в гармошку. В течение каждого периода этих колебаний фронт пламени резко дестабилизировался, выпускал узкую и очень длинную струю холодного газа внутрь области, занятой горячими продуктами горения. Струя затем быстро сгорала, фронт пламени заворачивался вихрем и потом выравнивался вновь. Скорость течений, порожденных этими осцилляциями, в десятки раз превышала «нормальную» скорость распространения пламени в открытом пространстве.
Сильные осцилляции и порожденными ими вихри обычно являются первым этапом при переходе к турбулентности. Авторы статьи, однако, не торопятся объявлять об открытии механизма турбулизации пламени. Дело в том, что имеющиеся на сегодня вычислительные мощности позволяют провести столь детальное моделирование лишь в чрезвычайно узких трубах, скорее даже в капиллярах. Как изменится этот процесс в широких трубах, для которых и получены экспериментальные данные и в которых влияние стенок на течения существенно слабее, предстоит еще изучить. Интересно также проверить, являются ли обнаруженные в моделировании искажения пламени тем самым «тюльпанообразным пламенем», которое наблюдалось давно, но до сих пор остается необъясненным (см. C. Clanet and G. Searby. On the "Tulip Flame" Phenomenon (PDF, 1,3 Мб) // Combustion and Flame, 1996. V. 105. P. 225-238).
Игорь Иванов
|
Последние новости: Физика, Наука в России, Игорь Иванов
Астрономические наблюдения недели
Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):
Новости науки по темам:
антропология,
археология,
астрономическая научная картинка дня,
астрономия,
биология,
биотехнологии,
генетика,
геология,
затмения,
информационные технологии,
космос,
лингвистика,
математика,
медицина,
нанотехнологии,
наука в России,
наука и общество,
Нобелевские премии,
палеонтология,
Первое апреля,
психология,
технологии,
физика,
химия,
эволюция,
экология,
энергетика,
этология
Новости науки по авторам:
Дарья Баранова,
Вера Башмакова,
Александр Бердичевский,
Максим Борисов,
Варвара Веденина,
Александр Венедюхин,
Михаил Волович,
Алексей Гиляров,
Сергей Глаголев,
Николай Горностаев,
Юрий Ерин,
Анастасия Еськова,
Дмитрий Замолодчиков,
Игорь Иванов,
Мария Кирсанова,
Дмитрий Кирюхин,
Александр Козловский,
Алексей Левин,
Андрей Логинов,
Лейла Мамирова,
Александр Марков,
Мария Медникова,
Вадим Мокиевский,
Максим Нагорных,
Елена Наймарк,
Петр Петров,
Александр Пиперски,
Константин Попадьин,
Сергей Попов,
Роман Ракитов,
Татьяна Романовская,
Александр Самардак,
Александр Сергеев,
Андрей Сидоренко,
Даниил Смирнов,
Любовь Стрельникова,
Алексей Тимошенко,
Мария Шнырёва
Новости науки по месяцам: 2012 V, IV, III, II, I
2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
Научные новости у наших партнеров:
«Биомолекула», «В мире науки», «Вокруг света», Газета.ру, Грани.ру, Лента.ру, «Наука и жизнь», «Популярная механика», Gzt.ru
|  | |
Подробнее
e-mail: 
