Примером прикладной значимости эффекта бифуркации является процесс горения в ракетных двигателях на жидком топливе, представляющих собой проточный реактор с зоной смешения аэрозолей раздельно подаваемых топлива и окислителя. В зоне камеры, в которой имеет место, в пределах доли общего времени конверсии, перемежаемость по концентрации топлива, в результате бифуркации возможно установление ансамбля бифронтов, либо установления автоволнового режима стартового окисления топлива.
В свете изложенного, видны новые задачи теории горения. Это исследование механизма формирования разрыва во фронте пламени и его связи с переменными С0, Т0 и Р, а также исследование автоволнового режима в больше габаритных камерах горения. Наряду с этим это – гидродинамика с перемежаемостью по концентрации и температуре в пределах различного типа камер горения, кинетика взаимодействия акустических волн с веществом и воздействие акустических волн на структуру моно и бифронта, интерферренционное взаимодействие в ансамбле бифронтов в акустическом поле и др. Свойства бифронта могут быть новой позицией во взгляде на стук в двигателях внутреннего сгорания, и разрушительную вибрацию в ракетных двигателях на жидком топливе и др.
Целью настоящей работы является изучение факторов, обуславливающих стадийность, а так же роль явления ОТК в бифуркации монофронта.
Особая теоретическая и вместе с этим указанная выше техническая значимость бифронта побуждает к изучению истоков его формирования, а так же его физических свойств.
Неединственность механизма Конверсии топлива во фронте пламени
В работах [7, 9-20] установлено что монофронт подразделяется на две зоны: 1 – низкотемпературного автокатализа (зона А), действие которой преобладает вдоль потока при температурах 650-750 К (холодная зона) и 2 – высокотемпературную зону теплового автоускорения (зона т) при температуре 750-1200 К. Зона А или Т – это зоны с соответствующим преобладанием одного из этих механизмов при том, что каждый из них остается участником процесса конверсии топлива на протяжении всей ширины фронта.
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 Тг] = 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 КА и Кт 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 КА и Кт 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 АКƒ и ТКƒ, 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 ~ Sf ~ 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 = ƒ(C0, T0, P0) > 1 и значение КА преобладает над Кт на малую величину ε > 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.
Данные исследований [7, 9-20] по скорости реакций убыли или накопления компонентов реакционной смеси в пределах монофронта бунзеновских пламён C1 – С6 углеводородов для диапазона а = 0,8 – 2,7; Т0 = 293 – 480 К и Р = 0,1 МРа подвергнуты обработке по указанной выше процедуре нахождения Ко2, Кf КН20 или Кі в точках сечений Z1 и Z2. Максимальные отклонения от средней величины в материале указанных исследований по углероду не превышало 4-6 %, по кислороду 5-8 % и по водороду 5-7 %. Ниже (рис. 3-5) представлено распределение температуры и скорости потребления веществ в пламени гексана, демонстрирующее переход за точку бифуркации.