Волны химической реакции. Почему они распространяются по горючей смеси

Любая хорошо перемешанная смесь горючего и окислителя с химической точки зрения содержит все необходимое для горения. Однако при обычных условиях (нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре) скорость химической реакции в большинстве горючих смесей ничтожна, требуется ждать столетия, чтобы заметить в них какие-либо химические превращения. При рассмотрении явлений цепного и теплового воспламенения мы видели, что горючая смесь воспламеняется только при определенных условиях – нужно либо подогреть ее стенками сосуда, либо ввести затравку из активных центров.

Представим себе, что эти условия осуществляются не во всем реакционном сосуде, а где-то в одном месте – например, накаленной проволочкой или искрой создан локальный разогрев горючей смеси или путем фотоинициирования получено достаточное количество активных центров. После локального инициирования пойдет волна реакции, которая постепенно охватит всю реакционноспособную смесь.

Известны два различных режима распространения волны реакции в пространстве – со сверхзвуковой и дозвуковой скоростями [8]. Первый – детонационный – обусловлен быстрым сжатием вещества в ударной волне, которая обеспечивает необходимый нагрев вещества для того, чтобы реакция пошла со значительной скоростью; в свою очередь, выделение тепла в химической реакции поддерживает постоянную интенсивность ударной волны и тем самым обеспечивает ее распространение на большие расстояния. Второй режим распространения волны химической реакции происходит со скоростями, значительно меньшими звуковых, и связан с молекулярными процессами теплопроводности и диффузии – это режим распространения пламени. При тепловом механизме распространения пламени тепло, выделившееся при химической реакции, теплопроводностью передается в соседние участки нереагировавшего газа, нагревает их и инициирует активную химическую реакцию. При цепном механизме распространение очага реакции происходит путем диффузии активных центров. Возможно также, и наиболее вероятно в реальных случаях горения, совместное действие диффузии и теплопроводности.

Опытные данные и теоретическое рассмотрение свидетельствуют о том, что при распространении пламени реакция идет в каждый момент времени в тонком (по сравнению с размерами камер сгорания) слое – зоне реакции. В непосредственной близости от зоны реакции, также в тонком слое, происходит разогрев несгоревшей смеси. Поэтому в первом

приближении распространение пламени можно представить себе так: имеются две области – несгоревшего газа и продуктов реакции, разделенные поверхностью горения, толщиной которой можно пренебрегать и рассматривать ее как геометрическую поверхность, движущуюся относительно газа с известной скоростью – нормальной скоростью распространения пламени.

Нормальная скорость пламени определяет объем горючей смеси, который сгорает в единицу времени на единице поверхности пламени; она имеет размерность линейной скорости (см/с). При искривленном фронте пламени нормальная (или фундаментальная) скорость горения характеризует скорость перемещения фронта пламени относительно исходной смеси в направлении нормали к поверхности фронта.

Величина нормальной скорости распространения пламени определяется кинетикой химической реакции и молекулярными процессами переноса тепла и вещества внутри фронта пламени, где существуют большие градиенты температуры, концентраций принимающих участие в реакции горения веществ, скорости, плотности.

Практически расчет нормальной скорости пламени часто осложняется тем, что плохо известна или совсем неизвестна кинетика химического превращения; поэтому при решении газодинамических задач с горением величину нормальной скорости пламени берут не из теоретического расчета, а по экспериментальным данным. Измерение нормальной скорости пламени в опыте не представляет особой сложности, создано несколько методик для таких измерений в широком диапазоне изменения давления, состава, температуры.

При анализе явлений, происходящих у поверхности пламени, часто удобно выбирать локальную систему координат, связанную с фронтом пламени (в ней поверхность пламени покоится); в этой системе координат исходная горючая смесь со скоростью ип натекает на неподвижный фронт пламени, а продукты горения оттекают от поверхности пламени со скоростью иb, большей иn, так как при горении происходит нагрев и расширение газа. Очевидно, что скорость натекания иn, при которой фронт пламени покоится, равна той скорости, с которой пламя движется относительно неподвижного газа. Величина ub есть скорость перемещения пламени в пространстве в ситуации, когда покоятся продукты горения. Соотношение между величинами иn, и ub плоского фронта пламени можно найти так: полная масса вещества, поступающая в пламя на единицу поверхности фронта, должна быть равна массе продуктов горения, отводимых с этой поверхности, т.е.

(3.130)

где r0 и rb – плотности исходной смеси и продуктов сгорания.

Отсюда

(3.131)

где Т0 и Ίb, μ0 и μb – температура и средний молекулярный вес исходной смеси и продуктов сгорания (давление при распространении пламени практически постоянно по объему газа).

Так как для обычных реакций горения μ0 = μb, а температура при горении меняется в 5-10 раз, то ub/un = 5÷10.

В силу закона сохранения потока массы через фронт пламени (3.130) удобно использовать также понятие массовой скорости горения с0иn, которая представляет собой произведение плотности газа на скорость. Эта величина имеет размерность г/(см2•с) и представляет собой массу вещества, сгорающего за одну секунду на 1 см2 пламени. Точно так же и скорость тепловыделения при горении целесообразно относить к единице поверхности пламени; соответствующая величина имеет размерность Дж/(см2•с).