Введение

Предварительно смешанное пламя – это пламя, формирующееся при определенных условиях в процессе сгорания предварительно смешанной (также называемой пре-смесью) смеси топлива и окислителя. Поскольку топливо и окислитель – ключевые химические реагенты горения – присутствуют во всей однородной стехиометрической предварительно смешанной смеси, процесс горения, после инициирования, поддерживается за счет собственного тепловыделения. Большая часть химических превращений в таком процессе сгорания происходит преимущественно в тонкой пограничной области, разделяющей несгоревшие и сгоревшие газы. Интерфейс предварительно смешанного пламени распространяется по смеси до полного выгорания заряда. Скорость распространения предварительно смешанного пламени называется скоростью горения (или скоростью сгорания), которая зависит от баланса конвекции, диффузии и реакции внутри пламени, то есть от его внутренней химической структуры. Предварительно смешанное пламя характеризуется как ламинарное или турбулентное в зависимости от распределения скорости в несгоревшей смеси (которая обеспечивает среду для распространения пламени).

Ламинарный

В контролируемых условиях (обычно в лаборатории) ламинарное пламя может формироваться в одной из нескольких возможных конфигураций. Внутренняя структура ламинарного предварительно смешанного пламени состоит из слоев, в которых происходят разложение, реакция и полное окисление топлива. Эти химические процессы протекают значительно быстрее, чем физические процессы, такие как вихревое движение потока, и, следовательно, внутренняя структура ламинарного пламени в большинстве случаев сохраняется неизменной. Составные слои внутренней структуры соответствуют определенным интервалам, в пределах которых температура повышается от температуры исходной несгоревшей смеси до максимально возможной температуры адиабатического пламени (AFT). В присутствии объемного теплообмена и/или аэродинамического растяжения, либо при развитии внутренних нестабильностей пламени, степень завершенности реакции и, соответственно, температура, достигаемая в пламени, могут отличаться от AFT.

Пламя Бунсена

В пламени Бунсена поддерживается постоянная скорость потока, соответствующая скорости горения пламени, для его стабилизации. Если скорость потока ниже скорости горения, пламя будет распространяться против потока, пока не выгорит топливо или не достигнет стабилизатора пламени. Если скорость потока равна скорости горения, следует ожидать стационарный плоский фронт пламени, перпендикулярный направлению потока. Если скорость потока превышает скорость горения, фронт пламени примет коническую форму, при этом составляющая вектора скорости, нормальная к фронту пламени, будет равна скорости горения.

Пламя застоя

Здесь предварительно смешанные газы текут таким образом, чтобы сформировать область застоя (нулевой скорости), где пламя может быть стабилизировано.

Сферическое пламя

В данной конфигурации пламя обычно инициируется искрой в однородной предварительной смеси. Последующее распространение развившегося предварительно смешанного пламени происходит как сферический фронт, пока смесь полностью не преобразуется или не достигнет стенок камеры сгорания.

Приложения

Поскольку соотношение эквивалентности предварительно смешанных газов может регулироваться, предварительно смешанное горение позволяет достичь низких температур и, тем самым, снизить выбросы NOx. Благодаря улучшенному смешиванию по сравнению с диффузионными пламенами, также уменьшается образование сажи. Поэтому предварительно смешанное горение приобрело значительную важность в последнее время. Области применения включают газовые турбины с обедненным предварительно испаренным топливом (LPP) и двигатели с принудительным зажиганием (SI).