Протекание химических реакций горения чрезвычайно чувствительно к незначительным изменениям начальных и граничных условий задачи, к условиям тепло- и массопередачи, к геометрии камер сгорания и т. п. Часто переход от одного режима к другому воспринимается как разрыв, скачкообразное изменение процесса. Это может быть взрыв, либо воспламенение или погасание пламени. В первой главе рассказывается о теории теплового взрыва, предложенной Н. Н. Семеновым, — о работе, от которой идет отсчет истории современной теории горения. В ней было четко сформулировано условие возникновения теплового взрыва как результат прекращения существования решения стационарной задачи о протекании экзотермической реакции в условиях теплоотвода, критический режим реакции был отождествлен с точкой ветвления решений, найден малый параметр, характеризующий асимптотический характер решения.

Аналитическое исследование развития химической реакции, сопровождающейся тепловыделением, в ламинарном потоке газа и при интенсивном перемешивании продуктов реакции с исходными веществами выявило ги-стерезисный характер решений теории горения; увеличивая, например, начальную температуру горючего газа, можно достичь момента, когда газ воспламенится; но, чтобы погасить горящий при высокой температуре газ, надо уменьшить начальную температуру значительно ниже той, при которой произошло воспламенение. Этот пример работы химического реактора идеального перемешивания, рассмотренный в первой главе, иллюстрирует также фундаментальное свойство процесса горения — возможность существования нескольких стационарных режимов горения при одних и тех же заданных внешних параметрах. Эта неоднозначность существенно отличает стационарные процессы с непрерывной подачей исходных веществ и отводом продуктов реакции от статической термодинамически равновесной ситуации. Как будет показано ниже , реагирующая смесь идеальных газов характеризуется единственным состоянием равновесия, плавно зависящим от параметров.

В первой части настоящей статьи рассказывается также об устойчивости пламен — проблеме, тесно связанной с фундаментальными понятиями теории горения и весьма важной для приложений теории.

Существенные особенности взрывных реакций были отмечены еще в середине прошлого столетия Бунзеном (R. W. Bunsen) и Вант-Гоффом (I. H. Van’t Hoff).

В зависимости от температуры скорость реакции меняется очень резко; так, например, при комнатной температуре и атмосферном давлении водород с кислородом практически не реагируют в течение многих лет.

При повышении температуры скорость реакции остается неизмеримо малой вплоть до некоторого критического значения, которое зависит от условий проведения опыта.

Например, для стехиометрической смеси водорода с кислородом — так называемой «гремучей смеси» — при атмосферном давлении это критическое значение составляет около 550° С.

При более высоких температурах, даже если превышение над критическим значением составляет лишь несколько градусов, гремучая смесь реагирует очень быстро, давление резко повышается, и может произойти разрыв сосуда.

Скорость реакции при таком взрыве настолько велика, что исследователи прошлого века не могли подробно изучить ее кинетику.

Существуют два способа осуществления химической экзотермической реакции в потоке заранее перемешанных газов.

Первый из них заключается в том, что, скажем, в цилиндрическую камеру сгорания с торца подается смесь горючего и кислорода или воздуха таким образом, что она движется параллельными слоями, т. е. скорость всех частиц газа в данном сечении, кроме тех которые находятся непосредственно у стенки камеры, практически одинакова.

Если скорость потока достаточно велика, так что диффузия и теплопередача в направлении, обратном потоку, не играют роли, то каждый элемент газа ведет себя так же, как и в реагирующей покоящейся среде, находящейся при постоянном давлении.

По мере движения газа вдоль трубы, если теплоотдача мала, его температура все время повышается за счет выделяющегося в ходе реакции тепла. Зависимости температуры и концентрации реагирующего вещества от координаты вдоль движения потока газа соответствуют зависимостям температуры и концентрации от времени при протекании реакции в покоящейся среде.

Каждая из ведущих точек обеспечивает развитие следующих за ней участков поверхности фронта; выпуклые по отношению к горючему газу участки пламени стремятся в соответствии с принципом Гюйгенса увеличить общую площадь поверхности фронта пламени и способствуют увеличению общей скорости сгорания горючего газа в турбулентном потоке.

Каждая из ведущих точек обеспечивает развитие следующих за ней участков поверхности фронта; выпуклые по отношению к горючему газу участки пламени стремятся в соответствии с принципом Гюйгенса увеличить общую площадь поверхности фронта пламени и способствуют увеличению общей скорости сгорания горючего газа в турбулентном потоке.

При числах Рейнольдса, соответствующих отсутствию турбулентности, гидродинамическая неустойчивость пламени может привести к искривлению фронта пламени. При этом соотношение (1.15) остается справедливым, но / (0) Ф 1 и (1.16) не имеет места.

Пульсации скорости газа, направленные против направления распространения горения, отбрасывают пламя назад и создают вогнутые по отношению к горючей смеси участки фронта.

В соответствии с принципом Гюйгенса на вогнутых участках возможно образование изломов фронта пламени, которые имеют тенденцию сокращать поверхность горения.
Наконец, пульсации скорости, направленные поперек направления распространения горения, вызывают асимметрию искривлений фронта пламени, способствуют его поворотам и образованию сложной структуры.

Основной задачей теории турбулентного горения является изучение стационарного в среднем турбулентного пламени: в заданном турбулентном поле течения требуется найти среднюю по времени структуру зоны горения и определить ее статистические характеристики: среднюю скорость горения, среднюю поверхность фронта пламени, ширину области, в среднем занимаемую искривленным фронтом пламени, и другие характеристики.

Важная роль в этой теории должна быть отведена ведущим точкам искривленного фронта -ламинарного пламени, вынесенным турбулентными пульсациями в сторону горючего газа, поскольку они обеспечивают существование следующей за ними поверхности пламени и определяют среднюю скорость горения.

Пульсации скорости турбулентного потока газа при развитой турбулентности часто превышают нормальную скорость распространения пламени. Скорость выноса ведущих точек в горючий газ определяется, главным образом, пульсационными характеристиками потока.

Нормальная скорость распространения пламени обеспечивает сокращение поверхности фронта для .вогнутых участков пламени и тем самым не позволяет бесконечно увеличиваться поверхности горения.

Если бы поверхность пламени не обладала способностью перемещаться по горючему газу, то по законам турбулентной диффузии она расползалась бы в пространстве и непрерывно со временем увеличивала свою поверхность.

«Съедание» общей поверхности фронта по механизму нормального распространения пламени на вогнутых участках пламени не позволяет зоне горения разрастаться бесконечно, и она »стремится к некоторой в среднем стационарной ширине с постоянной в среднем поверхностью искривленного фронта пламени.

Поэтому в соотношениях теории турбулентного горения должна присутствовать в качестве одной из определяющих величин нормальная скорость распространения пламени.

Приведенные качественные представления о распространении искривленного фронта ламинарного пламени в турбулентном поле течения, несмотря на их физическую прозрачность и простоту, до сих пор тем не менее не реализованы в математических соотношениях.

Связано это в значительной степени с тем, что в настоящее время не существует достаточно полного описания турбулентных течений.

Дополнительныэ осложнения возникают также из-за того, то во фронте пламени происходит тепловое расширение газа, которое влияет на турбулентное поле течения газа; иначе говоря, помимо прямого влияния турбулентности на горение, имеется обратное влияние горения на турбулентность.

В первом приближении, однако, можно провести теоретический анализ, абстрагируясь от этого влияния.

Сама скорость распространения пламени по горючему газу может изменяться из-за воздействия высокочастотной мелкомасштабной (сравнимой с толщиной фронта пламени) части турбулентных пульсаций на структуру ламинарного фронта пламени.

Эти пульсации интенсифицируют процессы переноса в пламени и увеличивают тем самым скорость его перемещения по горючему газу. Более подробно с явлением турбулентного горения можно ознакомиться по монографиям и обзорам

... продолжение следует ...