Фактор диффузии, наряду с теплопередачей, является основополагающим процессом при распространении газофазного пламени. В момент возникновения вспышки самовоспламенения устанавливается диффузионный поток активных центров. В результате за короткое время увеличивается скорость конверсии горючей смеси со свойством стадийности и вследствие этого возрастает температура субстрата за предел существования холодного пламени 700-800 К. Причиной затухания вспышки является отрицательная температурная зависимость коэффициента скорости (ОТК) одной или нескольких реакций за предельным 700-800 К. Если реактор проточный, то повторяется следующая аналогичная вспышка, а при определенных условиях соотношения скоростей потока и реакции возможно установление автоволнового режима выгорания топлива. В такого рода превращениях нет стационарного диффузионного потока активных частиц. С момента установления во фронте стационарного воспроизводства активных частиц и диффузионного потока в свежую смесь, нарушается любая возможность возникновения и продолжения автоколебаний. Автоингибирование колебательного процесса обусловлено сопряжением факторов диффузии, скорости тепловыделения и ОТК.
В закрытом сосуде теплопотери менее значимые и поэтому устанавливаются релаксационные вспышки – переходящих от холодной к голубой, высокотемпературной, нарастания температуры до почти полного перевода окислителя в оксид углерода, воду, образования сажи, олефинов и др.
возникновение стационарного двух и более стадийного пламени в потоке подпредельной богатой топливной смеси рассмотрим, развивая представление о реакции диффузионного потока атомов водорода и радикалов гидроксила на изменение переменных С0, Т0 и Р в реакционной смеси. Атомарный водород, обладающий максимальным коэффициентом диффузии, занимает ведущее положение в процессе формирования скорости конверсии топлива, теплопроизводства и в целом скорости распространения фронта. В условиях почти стехиометрических пламен кривая распределения концентрации атомов водорода в пределах фронта пламени пропана не является плавной экспонентой [7-9]. Своей формой против потока она свидетельствует о наличии источника атомов водорода в низкотемпературной зоне фронта, аналогичная кривая распределения радикалов гидроксила в сущности повторяет профиль концентрации атомов водорода [10].
К сожалению, в литературе отсутствуют систематические сведения об изменении в пределах фронта качественного и количественного состава диффузионного потока радикалов в свежую горючую смесь по мере возрастания в ней С0 и Т0. Однако имеются опубликованные исследования распределения в пределах фронта массовых потоков, скорости реакции убыли и накопления исходных промежуточных и конечных компонентов реакционной смеси в пламенах С1 – С6 углеводородов при атмосферном давлении [7, 9-20]. Они получены в пламенах с различным С0 и т0, и косвенно характеризует функцию диффузионного потока во фронте указанных пламен. Наряду с этим, для некоторых пламен имеется так же прямой материал исследования распределения в пределах фронта атомов водорода в небольшом интервале вариации С0 [18, 20] (сообщение 2). В дополнение к этим данным имеется так же материал исследования распределения скорости объемного тепловыделения в пределах указанного рода пламен [7, 9, 18, 20].
Бифуркация структуры фронта стационарного пламени рассматривается здесь как образование из одного фронта двух его метаморфоз, двух монофронтов, а в целом бифронта, разделенных переходной зоной разрыва. Каждый монофронт, как и зона разрыва, имеет собственную структуру, а также характерную реакцию на какое-либо внешнее воздействие. Тот факт, что вторая зона существует на фоне первой, по сути, не является главным в вопросе о применимости данного термина. Главное в том, что раздвоение структуры фронта и образование зоны разрыва обуславливает возникновение нового характерного свойства фронта в виде бифронта отличного от изначального, присущего монофронту, т.е. до бифуркации.
Обратная связь в бифронте по диффузии из второй зоны в первую фактически прерывается из-за преобладания ширины разрыва над величиной расстояния диффузии активных частиц и тепла в первую зону. Так на кривых профиля концентрации веществ и температуры в моно и в бифронте пламени эфира, а так же в зоне разрыва имеется один или два перегиба, которые свидетельствуют о нарушении плавного хода процесса нарастания и убыли на кривых профиля концентрации исходных, промежуточных и конечных веществ [21-24].
Термин «монофронт» использован в настоящей статье, и в сообщении 2, для выделения предмета исследования бифронта и рассматривается здесь в традиционном понимании фронта пламени, как самосогласованная последовательность реакций конверсии топливной смеси с преобладанием скорости тепловыделения над теплопотерями и с нижней границей С0 и Т0 и верхней температурой равновесных продуктов горения, очерченной верхней границей зоны люминесценции. термин «волна горения» используется как распространение фронта совместно с равновесной зоной отходящих продуктов горения.
Cложный фронт в многочисленных исследованиях двустадийных стационарных пламён, суммированных отчасти в [4-6], по сути, представляет собой пример завершившейся бифуркации монофронта. Отличительной особенностью бифронта является его своеобразная структура вдоль потока: 1 – холодный монофронт, 2 – зона разрыва и 3 – горячий или голубой монофронт. В пламени до бифуркации этих составляющих в явном виде нет.
Эволюция монофронта в ходе изменения с0, то и ро систематически не изучена в современных экспериментальных и теоретических исследованиях. имеются с давних пор обширное число публикаций, посвященных стадийному самовоспламенению и стадийным пламенам [4-9, 21-25].
В работах [26-28] сделано заключение, что главная черта механизма образования холодного пламени в условиях самовоспламенения является большая скорость реакции распада гидропероксида на два высокоактивных радикала ОН и КО. С ростом температуры скорость этой реакции снижается, одновременно возрастает скорость распада перекиси водорода на два гидроксильных радикала, что обуславливает последующую горячую вспышку.
Применительно к условиям распространяющейся волны горения смена реакций разветвления соответственно распределению температуры в пределах монофронта с одной стороны может быть рассмотрена как фактор, способствующий образованию разрыва при плавном изменении С0 и Т0 и скорости потока реакционной смеси питающей пламя. С другой стороны, это заключение по сути допускает чередование режимов выгорания в виде холодной и горячей вспышек. Это представляется возможным в условиях перемежаемости по концентрации и температуре потока в больших камерах горения, которое неизменно возникает при раздельной подаче топлива и окислителя в камеру горения. Однако, применительно к вопросу о механизме формирования разрыва в монофронте в случае наличия стационарного диффузионного потока активных центров в свежую смесь автоволновой режим не приемлем, по кинетическим соображениям.
Диффузионный поток активных частиц, конкурирующий с разветвлением, способен воздействовать на скорость распространения фронта через интенсификацию реакции зарождения цепи. Поэтому в пределах пламени отсутствуют длинные цепи, сильно возрастает число актов разветвления через автокатализ. Не удивительно, что эта возможность реализуется при больших С0 в подпредельных богатых смесях.
Фактор неустойчивости режимов в А и Т может быть в основе механизма формирования разрыва во фронте, где скорость распространения пакета реакций и скорость потока уравновешены. Изменение внешней черты пламени сопровождается изменением его физической сущности. К примеру, сложная структура бифронта по сравнению с монофронтом не адекватна к воздействию внешних полей – акустических, электрических и магнитных.
Если бифронт рассматривать как плоский акустический резонатор со стенками из фронтов различной плотности «холодного» и «горячего» пламени, то в зависимости от ширины зоны разрыва, возможно возникновение характерной собственной резонансной частоты колебаний. У монофронта нет аналогичной возможности, поэтому гидропероксиды в зоне разрыва бифронта, являясь чувствительными к колебаниям давления, распадаются, трансформируя долю энергии топлива в амплитуду колебаний. Длинные углеводородные цепи обуславливают возможность образования накислороженных молекул, особо чувствительных к колебаниям давления. Ансамбль из бифронтов в пределах камеры горения и интерференция на высокой частоте далее могут быть искомым истоком радиальных и тангенсальных колебаний в камерах горения.