Из этого соотношения видно, что в случае Р=сопз1 тот же запас полной внутренней энергии, что и в формуле (2. 1), потрачен на увеличение внутренней энергии продуктов горения (первое слагаемое) и на работу расширения газа (второе слагаемое), которая всегда положительна, так как У2 Ух. Поэтому Ть всегда меньше ТЬр.

Текущая средняя температура в сосуде совпадает с истинной, если химическая реакция и, следовательно, выделение тепла происходит одинаково по всему объему сосуда. Но чаще всего горение инициируется всосуде локально,.

Для реальных горючих смесей разность температур гораздо меньше, так как уже при температуре порядка одной тысячи градусов заметно возрастает теплоемкость, особенно у трехатомных продуктов горения, Н20 и С02. При еще более высокой температуре большую роль играет диссоциация продуктов горения, что требует затрат тепла.

При равном начальном давлении сгорание в замкнутом сосуде сопровождается повышением давления, что подавляет диссоциацию; это обстоятельство также приводит к большей величине Ты по сравнению с Ть.

Наиболее предпочтительными объектами для экспериментального исследования являются сферические пламена, распространяющиеся от источника поджигания малых размеров, расположенного в центре сосуда, — такая постановка опыта исключает теплопотери теплопроводностью, трение о стенки сосуда и другие факторы, которые могут исказить явление, и отличается простой геометрией.

Эксперименты со сферическими ламинарными пламенами проводились Я. Б. Зельдовичем и А. И. Розловским , Я. К. Трошиным и К. И. Щелкиным с сотрудниками , Ю. X. Шауловым с сотрудниками и другими исследователями.

Во всех перечисленных работах по мере увеличения радиуса сферического пламени проявлялась гидродинамическая неустойчивость, выражающаяся в резком ускорении пламени.

Однако гидродинамическая неустойчивость возникает с большим запаздыванием: числа Рейнольдса, построенные по нормальной скорости распространения пламени, радиусу пламени и вязкости холодного газа, составляли при проявлении неустойчивости несколько десятков тысяч и во много раз превышали критические значения (порядка единицы— десяти), следующие из теории устойчивости плоского пламени.

Коэффициенты диффузии и температуропроводности растут с температурой приблизительно как Т1 ъ- 2, тогда как скорость газа растет пропорционально Т. Поэтому число Рейнольдса, подсчитанное по константам продуктов горения, в 6—10 раз меньше, но все еще порядка тысячи или больше, и такое значение нуждается в объяснении.

В работах было отмечено, что перед резким ускорением пламени на нем образуются ячейки — поверхность пламени становится похожей на футбольный мяч.
Возникновение неустойчивости у сферического пламени имеет свою специфику, связанную с тем, что у него непрерывно растет площадь поверхности фронта.
В связи с этим для сферического пламени необходимо иное определение неустойчивого состояния. Существенное изменение формы пламени, т. е. заметное отличие возмущенной поверхности горения от гладкой, и вызванное этим увеличение скорости распространения пламени проявляются, когда амплитуда искривлений поверхности растет быстрее, чем увеличивается размер сферы пламени.

Если выступы и впадины на сфере пламени увеличиваются медленнее, чем по линейному закону, по которому растет радиус сферы в целом, пламя со временем выглаживается, несмотря на увеличение абсолютной величины амплитуды искривлений; свойства пламени при этом приближаются к свойствам невозмущенного сферического фронта.

Поэтому за критерий неустойчивости для сферического пламени нужно принимать условие возрастания во времени не абсолютной (как для плоского пламени), а относительной (отнесенной к радиусу пламени) амплитуды возмущения поверхности.

Другим важным обстоятельством является то, что при распространении сферического пламени находящиеся внутри пламенной сферы продукты сгорания «расталкивают» холодный газ — действие пламени подобно действию источника массы.

В холодном газе возникают распределения скорости и давления, которые отличаются от существующих вблизи плоского ламинарного фронта пламени. Распределения скорости и давления невозмущенного поля течения существенно сказываются на проявлении неустойчивости.

Наконец, данное возмущение с данной длиной волны с течением времени не только меняет свою амплитуду, но и длину волны — растягивается в том же отношении, что и радиус.

Для плоского пламени длина волны возмущения const и выписанное соотношение после интегрирования приводит к экспоненциальной зависимости.
Для сферического пламени возмущение следует разлагать не в обычный ряд Фурье, а в ряд по сферическим гармоникам, и длина волны возмущения, соответствующая определенной сферической гармонике, растет пропорционально радиусу сферы, а следовательно, пропорционально времени.

В результате из (3. 112) получается степенной закон изменения амплитуды возмущения со временем = [3r0 (t)= ubt ((3 — коэффициент пропорциональности, зависящий от номера гармоники, r0 (t) — текущий радиус сферического пламени, иъ — скорость пламени относительно продуктов сгорания), drf!dt — rfun/ ubt, rf — tu ub.

Таким образом, у сферического пламени возмущения растут во времени медленнее, чем у плоского пламени.

А. Г. Истратов и В. Б. Либрович, используя это обстоятельство, объяснили расхождение теоретических и экспериментальных результатов. Рассмотрим, следуя их работам , гидродинамику распространения сферического пламени.

Химическим составом Р. газа вполне определяются и его физические и химические свойства - это газ бесцветный, легче воздуха трудно сгущаемый в жидкость и малорастворимый в воде.

Он не ядовит; если значительная примесь его к воздуху и вызывает удушье, то это зависит лишь от малого процентного содержания кислорода в такой смеси.
Газ некоторых рудников обладает легким эфирным запахом, зависящим, вероятно, от ничтожных посторонних примесей (см. выше). Этот запах дает возможность узнать о присутствии газа в руднике.

Обыкновенно же Р. газ запаха не имеет (подробнее о физических и химических свойствах см. Болотный газ). Из химических свойств необходимо несколько подробнее рассмотреть реакцию горения, как имеющую непосредственное отношение к взрывам Р. газа и к способам количественного определения его в рудничном воздухе.
Реакция полного горения чистого метана выражается следующим уравнением: CH4+2O2 =СО 2 +2Н 2 О, откуда видно, что один объем его требует для полного сгорания двух объемов кислорода или 9,5 объемов воздуха.

Смесь метана с воздухом в означенной пропорции (9,5% метана + 90,5% воздуха) наиболее взрывчата; температура горения ее при постоянном объеме равняется 2150°, а при постоянном давлении 1850°; количество тепла, выделяемое при полном сгорании одной грамм-молекулы (16 гр.) метана = 188 больших калорий.

Зависимость между давлением, испытываемым стенками закрытого сосуда при взрыве, и количественным составом смеси, по опытам Малляра и Ле-Шателье, выражается следующими числами:

Температура воспламенения и пределы воспламеняемости. По опытам тех же ученых, медленное горение (без пламени) гремучей смеси становится заметным при 450°, воспламенение же ее происходит при 650°, причем между моментом, когда газ примет эту температуру, и моментом взрыва протекает довольно значительный промежуток времени, а именно около 10 сек. (при 650°).

С возвышением температуры этот промежуток убывает и при 1000° не превосходит 1 сек. Такое отношение к нагреванию представляет характерную особенность метана, так как другие гремучие смеси, как, например, смеси воздуха с водородом или окисью углерода, взрывают тотчас же по достижении температуры вспышки.
Таким образом, воспламенение гремучего Р. воздуха требует не только известной температуры, но и известной продолжительности нагревания, и эти две величины находятся друг к другу в обратном отношении.

Воспламенение гремучей смеси в какой-либо одной ее точке передается само собой соседним частям и всей смеси лишь в тех случаях, когда состав ее не выходит из некоторых определенных пределов; последние зависят от температуры, расширяясь с ее возрастанием.

При обыкновенных условиях собственно взрывчатыми являются смеси, содержащие по объему от 6% до 16% Р. газа. Выше 650° воспламеняются смеси любого состава.
Распространение пламени. Скорость распространения пламени в среде гремучей смеси зависит от многих условий: от процентного состава смеси, ее температуры, качества индифферентного газа, соседства холодного твердого тела и т. д. и в весьма значительной степени от того, находится ли смесь в покое или в движении.

... продолжение следует ...