Ксандопуло Георгий. ?негелі ?мір. В. 37

Коллектив авторов

Такая трактовка общего механизма конверсии топлива на основе конкурирующего взаимодействия А-т механизмов получила последующее развитие в части теории ингибирования и промотирования процессов газофазного горения [7, 9]. Однако, более двух десятилетий назад такое представление о механизме конверсии топлива оставалось недостаточно обоснованным из-за отсутствия необходимых кинетических данных по предполагаемому механизму внутримолекулярной квадратичной гибели свободных валентностей как источника разветвления в зоне низких температур монофронта [9].

Развитие методов количественного исследования методов численного исследования и учет блока низкотемпературных процессов цепного автокатализа в механизме конверсии топлив сблизили [21 – 32] экспериментальные и

теоретические кривые распределения массовых потоков начальных, промежуточных и конечных веществ в пределах фронта. Это позволяет использовать представления по А-Т модели [8, 9, 16, 33, 35], в качестве основы для анализа эволюции механизма до и постбифуркационных процессов в моно и в бифронте. Профили диффузии и температуры в монофронте являются главными «распределителями» зон действия А и Т механизмов. Как известно, температура зоны активности механизма А не превышает 550-800 К. Соответственно, действие Т-механизма в топливо-воздушных смесях углеводородов укладывается в пределах от 750-800 К до 1500-1800 К.

Поэтому можно ожидать, что в пределах 650-800 К возникает переходная зона с отрицательной температурной зависимостью коэффициента скорости (ОТК) реакции автокатализа.

Экспериментальное подтверждение постулированных А-Т зон и ОтК представлено на примере распределения во фронте пламени пентана температуры при Т₀ = 300 К и С₀ = а = 1,7 суммарных скоростей реакции потребления пентана и кислорода (рис. 1) и накопления воды (рис. 2) [7, 9].

Рис.1. Распределение температуры, скорости потребления кислорода и образования диоксида углерода во фронте пламени Н-пентана а = 1,7 при различ- ных Т₀ = 294К, 361К, 413К. Ордината Т_г] = 520К.

Динамический вариант, нарастание С₀ в ходе непрерывного горения пламени, может быть представлен набором стационарных пламён, отличающихся значением С₀ и Т₀ смеси при постоянном давлении [7, 9]. Неединственность механизма конверсии топлива отчетливо показана на основе различий механизмов холодного и горячего самовоспламенения [1, 2], а так же представлена экспериментально на (рис. 1-2), где видно ОТК, разделяющая монофронт на две зоны.

Добавка в горючую смесь пероксидов сокращает, а ингиби- тора увеличивает время индукции самовоспламенения и время конверсии главным образом в пределах зоны А монофронта [23, 25, 26-28].

Рис. 2. Распределения скорости потребления топлива, образования воды и оксида углерода во фронте пламени Н-пентана а = 1,7 при различных Т₀.

Структурная трансформация монофронта по своей сути является результатом не единственности механизма конверсии топливной смеси, и в некоторых внешних условиях выражает переход от устойчивых к неустойчивым системам и далее через бифуркацию к новой форме устойчивости в соответствии с представлениями Пуанкаре и их трактовкой у Пригожина [36].

Фактор стадийности

Вариация параметрами исходной горючей смеси С₀, Т₀ и Р₀ в условиях сопряжения А-Т механизмов обуславливает установление формы распределения во фронте скоростей конверсии. Отношение 8 скоростей потребления топлива или окислителя К_А и К_т в точках фронта ZА и Zт соответствующим максимумам суммарной скорости действия каждого из указанных механизмов, по сути своей характеризует конкретный фронт пламени [21, 34, 35], и может быть рассмотрена как мера стадийности или устойчивости этого фронта:

Измерение интегральных значений К_А и К_т в целом по фронту не представляется возможным. Однако в механизме А или Т можно выделить блоки реакций, которые представляют функцию суммарной скорости одного или нескольких компонентов реакции смеси и являются отражением степени стадийности 8. Это может быть блок реакций скорости потребления кислорода соответственно в зонах А и Т, – ^АКо₂ и ^ТКо₂, а также топлива АКf и ТКf, или блок реакций скорости накопления в реакционной среде воды ^АКн₂о и ^ТКн₂о. В связи с этим отношение (1) может быть представлено в конкретной форме:

При этом устойчивость фактора стадийности представим в виде условия:

S = Sо₂ ~ S_f ~ SН2O (5)

Позиция S = 1 по (4) достижима при нарастающих значениях С₀, когда скорость разветвления и конверсии в зоне А приобретает ускорение. Если при сгорании смесей с функцией S = f(C₀, T₀, P₀) > 1 и значение К_А преобладает над К_т на малую величину > 0, по (1) или по (2) – (4), то:

этом случае ведущая роль зоны Т фронта, т.е. значимость производства и диффузии Н-атомов элиминируется из-за перехода зоны А из сателитного в автономный режим, из-за достижения соответствующего уровня производства ОН радикалов и роста массовой скорости их диффузии из зоны А в свежую смесь.

По (1) и (5) при S < 1 или е < 0 сохраняется ведущая роль зоны Т, а при S<<1 имеет место чисто тепловое горение. Изменения во фронте, способствующие росту е, содержат потенциальную возможность достижения точки бифуркации. В литературе опубликован обширный материал исследований влияния Т С₀ и Р₀ на стадийное самовоспламенение горючих смесей. Влияние же указанных внешних параметров, на макрокинетику распространения моно и бифронта остается слабо изученным, т.к. нет необходимых критериев, определяющих размеры ширины разрыва в бифронте.

В поиске характерного максимума на примере (рис. 1) найдем распределения скорости убыли кислорода во фронте пламени Н-пентана ^АКо₂. Изберем координату (Z1) в зоне с максимальным преобладанием первого механизма ^АКо₂, а вторую (2₂) в зоне преобладания второго – TКо₂. Аналогично, пользуясь (2) и (3) (рис. 1-2), найдем для этого же пламени значение факторов Sо2, Sf ~Sн2o.

Выбор Z1 и Z2 не произволен. Точка Z1 должна относиться к месту фронта, где температура Тz не превышает верхнюю границу устойчивости механизма автокатализа 520 К (рис. 1). Выше Z1 расположена переходная зона А-Т механизма, зона ОТК.