Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 494, № 1, стр. 25-30

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальные исследования диффузионного горения круглой микроструи водорода [1–5] показали наличие различных сценариев данного процесса в зависимости от нарастания скорости истечения микроструи в диапазоне диаметров выходного отверстия от 0.25 до 1 мм. Обнаружены следующие сценарии диффузионного горения круглой микроструи водорода: 1) горение чисто ламинарной микроструи с наличием ламинарного пламени большой дальнобойности; 2) возникновение сферической “области перетяжки пламени” (ОПП) с наличием в ней ламинарной микроструи и ламинарного пламени с турбулизацией микроструи и пламени при преодолении ламинарной микроструей узкой области градиента плотности газа; 3) отрыв турбулентного пламени от сопла; 4) прекращение горения турбулентного участка микроструи при сохранении горения в ОПП, причем в данной ситуации горение в ОПП сохраняется вплоть до трансзвуковых скоростей ее истечения, однако при наличии такого явления, как “запирание микросопла” [4–6]; 5) прекращение горения микроструи. Следует заметить, что запирание сопла происходило при достижении скорости истечения микроструи водорода, близкой к скорости звука в воздухе (U₀ ≈ 331 м/с). Стабилизация горения как круглой [1–6], так и плоской [7] микроструи обеспечивалась в данной ситуации наличием ОПП и существованием в ней горения.

Тем не менее нам не удалось выйти на сверхзвуковое диффузионное горение микроструи водорода по причине запирания сопла ОПП, которая приводила к нагреву выхода микросопла и предотвращала отрыв пламени от его среза. Одной из характеристик сверхзвукового горения струйного течения, наряду с рядом других, является наличие сверхзвуковых ячеек как в струе, так и в пламени. Это детально продемонстрировано в работах [6, 8] при поджигании круглой микроструи водорода вдали от среза сопла. В данной ситуации можно было наблюдать наличие сверхзвуковых ячеек как в струе, так и в оторвавшемся от среза сопла пламени. Результаты экспериментальных и численных исследований горения круглых струй водорода при сверхзвуковых скоростях их истечения представлены в работах [9–11], а плоской – в [12].

Цель настоящей работы состоит в экспериментальных исследованиях особенностей диффузионного горения круглых микроструй водорода и определении различных сценариев данного процесса в зависимости от скорости истечения микроструи. Внимание будет уделено исследованию характеристик развития данной микроструи при дозвуковой и сверхзвуковой (относительно воздуха U₀ = 331 м/с и водорода U₀ = 1284 м/с) скорости ее истечения и при наличии сверхзвуковых ячеек.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

На рис. 1 показана схема эксперимента. В установку соплового аппарата через клапан регулятора массового расхода газов “MKS Instruments”, обеспечивающий точность измерения расхода газа в пределах 0.7%, подавался водород из баллона под давлением 100 атм через редуктор.

Рис. 1.

Схема эксперимента: a – сопловой аппарат, b – регулятор массового расхода газов, c – баллон сжатого водорода (100 атм), d – редуктор. Сопловой аппарат (a): 1 – форкамера, 2 – набор детурбулизирующих сеток, 3 – хонейкомб и микротрубки длиной 200 мм с круглым микросоплом, 4 – цифровая видеокамера.

Управление расходом газа осуществлялось регулятором массового расхода газов, а показания расхода водорода регистрировались на его электронном табло (см. b). В эксперименте водород поступал в установку соплового аппарата, состоящую из форкамеры с набором детурбулизирующих сеток, хонейкомба и далее через цилиндрический микроканал длиной порядка 200 мм в круглое микросопло с размерами его выходного отверстия, указанными на рис. 1. Детальное описание оборудования, используемого в экспериментах, и процедура проведения исследований представлены в работах [1–5].

Сценарии сверхзвукового диффузионного горения круглых микроструй водорода (d₀ = 0.5 мм и d₁ – d₃ = 1.2; 1.5; 2.7 мм)

Как показали эксперименты, при диаметре (площади) d = 0.5 мм (S = 0.2 мм²), соответственно, выходного отверстия круглого сопла при расходе около 200 см³/с (U₀ ≈ 1000 м/с) наблюдается срыв пламени и отсутствие горения микроструи водорода. С другой стороны, наблюдалось стабильное сверхзвуковое горение как плоской (S = = 0.9 мм²) [12], так и круглой (S ≈ 3 мм²) струи водорода с оторвавшимся от среза сопла пламенем, но с размером площади выходного отверстия (щели), более чем в четыре раза превышающим аналогичный параметр у круглой микроструи с диаметром выходного отверстия d = 0.5 мм (S = = 0.2 мм²). Результаты настоящих экспериментальных исследований диффузионного горения круглой струи водорода, истекающей из круглых сопел с диаметром выходного отверстия сопла d = = 1.2; 1.5; 2.7 мм и площадью поперечного сечения выхода сопла S = 1.1; 1.8; 5.7 мм², соответственно, демонстрируют процесс “сверхзвукового диффузионного горения” с наличием сверхзвуковых ячеек, стабилизирующих горение, на скорости истечения струи, превышающей скорость звука по водороду (U₀ ≥ 1284 м/с). Данный результат исследований коррелирует с результатами исследования диффузионного “сверхзвукового горения” плоской микроструи водорода, представленными в работе [12]. Из этого можно сделать вывод, что “сверхзвуковое диффузионное горение” круглых микроструй водорода на скорости их истечения, превышающей сверхзвуковую скорость водорода, возможно при диаметре выходного отверстия микросопла, находящегося в пределах 1 мм и выше.

С ростом скорости истечения микроструи можно наблюдать появление ОПП, наличие горения в которой существует вплоть до трансзвуковых скоростей истечения микроструи, но в конечном итоге приводит к явлению запирания микросопла по причине нагрева ОПП его выхода. Диапазон скоростей истечения микроструи водорода при наличии ОПП зависит от способа ее воспламенения (зажигания): вблизи или вдали от среза сопла. В данном случае можно наблюдать так называемый гистерезис, который хорошо виден на рис. 2.

Рис. 2.

График (гистерезис) зависимости процесса развития пламени круглой микроструи водорода в зависимости от скорости ее истечения и способа воспламенения (вблизи/вдали от среза сопла), диапазон скорости исчезновения ОПП и начало отрыва пламени (А) и диапазон скорости прекращения отрыва пламени и появления ОПП (B). Стрелками указано направление изменения скорости микроструи (повышение/уменьшение). Диаметр сопла 1.2 мм.

Гистерезис процесса развития и исчезновения ОПП в зависимости от способа воспламенения круглой микроструи водорода (вдали/вблизи от среза сопла) и при снижении или нарастании скорости ее истечения

На рис. 2 представлен график процесса развития и исчезновения ОПП в зависимости от способа воспламенения (вблизи/вдали от среза сопла), а также нарастания/снижения скорости истечения круглой микроструи водорода. График ясно демонстрирует наличие гистерезиса в данном процессе. Воспламенение микроструи вблизи среза сопла ОПП и нагрев выхода сопла дают возможность существования данной области до момента ее исчезновения и возникновения отрыва пламени на достаточно большой скорости истечения микроструи (U₀ ≈ 590 м/с). Однако при снижении скорости истечения микроструи процесс инверсии отрыва пламени на его присоединение с появлением ОПП происходит при U₀ ≈ 333 м/с, что коррелирует с ситуацией, наблюдаемой при воспламенении микроструи водорода вдали от среза сопла.

Таким образом, в данном случае можно наблюдать гистерезисный цикл. Полуцикл А: наличие ОПП, ее исчезновение и отрыв пламени при воспламенении микроструи вблизи среза сопла и нарастании скорости ее истечения (позиция А). Полуцикл B: процесс инверсии от оторвавшегося пламени к его присоединению и возникновению ОПП при уменьшении скорости истечения микроструи в ситуации ее воспламенение вдали от среза сопла (позиция B).

Следует также отметить, что отрыв пламени от среза сопла и исчезновение ОПП, гарантирующие отсутствие нагрева выхода микросопла, создают условия для прекращения явления запирания микросопла и выхода горения микроструи водорода на сверхзвуковых скоростях.

Четыре сценария диффузионного горения круглых микроструй водорода

Таким образом, результаты экспериментальных исследований указывают на то, что существует четыре основных сценария диффузионного горения круглой, как и плоской [12], микроструи водорода в зависимости от скорости ее истечения. Это следующие сценарии (см. рис. 3):

Рис. 3.

Теневые картины четырех сценариев диффузионного горения круглой микроструи водорода в зависимости от скорости ее истечения (a – U₀ ≤ 150 м/с; б – U₀ ≥ 150 м/с; в – U₀ ≥ 330 м/с; г – U₀ ≥ 1280 м/с): 1 – круглое микросопло, 2  – ОПП, 3 – ламинарная микроструя, 4 – турбулентная микроструя, 5 – пламя, 6 – отрыв пламени, 7 – сверхзвуковые ячейки.

1. Ламинарное горение при наличии ламинарной микроструи и ламинарного пламени (рис. 3a, U₀ ≤ 150 м/с).

2. Возникновение и развитие ОПП с ламинарной микроструей и пламенем почти сферической формы, наличием узкой области градиента плотности газа, преодолевая которую микроструя и пламя становятся турбулентными (рис. 3б, U₀ ≥ 150 м/с).

3. Исчезновение ОПП, отрыв пламени от среза сопла и “сверхзвуковое горение” микроструи относительно скорости звука в воздухе (рис. 3в, U₀ ≥ 330 м/с).

4. Нарастание величины отрыва пламени от среза сопла и “сверхзвуковое горение” микроструи относительно скорости звука в водороде (рис. 3г, U₀ ≥ 1280 м/с).

Сравнение результатов настоящих экспериментальных исследований с результатами исследований других авторов

Результаты экспериментальных и численных исследований горения круглых струй водорода при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях их истечения детально представлены в работах [9–11]. На рис. 4 представлен график зависимости высоты отрыва от среза сопла для диффузионного пламени круглой микроструи водорода от скорости ее истечения по данным работ [9, 10], в которой был исследован только последний сценарий с зажиганием оторвавшейся микроструи вдали от сопла.

Рис. 4.

График зависимости величины отрыва пламени от среза сопла в зависимости от скорости истечения круглых микроструй водорода при их диффузионном горении, символы (⚫, ◻, △ – из работы [10] и ◆, ◼, ▲ – данные исследования).

Можно наблюдать, что приведенная на рис. 4 зависимость – линейная, максимальная скорость, при которой авторы провели измерения при d = 1 мм, более чем в 1.5 раза превышает скорость звука в водороде, и с увеличением диаметра выходного отверстия сопла эта скорость понижалась, но при этом превышала скорость звука в водороде.

Следует отметить, что авторы работы [10] не приводят картин теневой визуализации течений, хотя они такие исследования проводили. Наблюдали ли они наличие сверхзвуковых ячеек в процессе горения струй при сверхзвуковой скорости истечения, нигде не отмечено. Результаты экспериментальных исследований зависимости величины отрыва пламени от скорости при диффузионном горении круглых микроструй, полученные в данной работе, также нанесены на график (рис. 4). Наблюдается хорошее совпадение наших экспериментальных данных с представленной зависимостью из работы [10]. Однако, в отличие от данных работы [10], наши результаты исследования, указывающие на “сверхзвуковое горение” круглой микроструи, подкреплены одной из важных характеристик такого процесса, а экспериментальное обнаружение существования сверхзвуковых ячеек в микроструе водорода, как мы предполагаем, является важнейшим фактором стабилизации пламени в этих условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые представлены четыре сценария диффузионного горения круглых микроструй водорода, включая “сверхзвуковое горение” при наличии сверхзвуковых ячеек как по воздуху, так и по водороду. Установлено, что стабилизация пламени при дозвуковой скорости истечения круглой микроструи водорода связана с наличием нагрева сопла ОПП, приводящего к явлению “запирания” сопла, а стабилизация пламени при сверхзвуковой скорости истечения микроструи водорода связана с наличием сверхзвуковых ячеек. Обнаружен гистерезис процесса диффузионного горения круглых микроструй водорода в зависимости от места зажигания микроструи (вблизи или вдали от среза сопла) и от изменения скорости истечения (роста или уменьшения). Установлено, что “сверхзвуковое диффузионное горение” круглых микроструй водорода, как по воздуху, так и водороду, реализуется лишь в ситуации, когда диаметр выходного микросопла лежит в диапазоне от 1 мм и выше.