Турбулентное горение

Турбулентное горение представляет собой процесс взаимодействия хаотически изменяющихся вихревых структур в турбулентном потоке с фронтом пламени. В отличие от ламинарного горения, где фронт пламени можно рассматривать как гладкую поверхность с фиксированной скоростью распространения, в турбулентном случае фронт деформируется, растягивается, складывается и разрывается под действием вихрей разного масштаба. Это приводит к значительному усложнению описания процессов тепло- и массообмена, а также химической кинетики в зоне реакции.

Характерные масштабы

Для анализа турбулентного горения применяют классическую многоуровневую картину турбулентного каскада:

• Масштаб интегральных вихрей – определяется геометрией камеры сгорания и условиями подачи топлива и окислителя. Эти вихри задают общую структуру перемешивания.
• Масштаб Колмогорова – минимальный масштаб, на котором вязкость поглощает энергию турбулентности. На этих масштабах химическая реакция может конкурировать с процессами диссипации.
• Толщина фронта пламени – определяется балансом диффузии и химической кинетики. В условиях турбулентности толщина фронта не является постоянной величиной и зависит от локальных скоростей деформации.

Режимы турбулентного горения

Разделение режимов осуществляется на основе сравнения характерных времён турбулентности и химической реакции. Введём число Дамкёлера (Da) и число Карловица (Ka):

• Da = τ_turb / τ_chem – отношение характерного времени турбулентного вихря к времени химической реакции.
• Ka = (τ_chem / τ_K) – отношение химического времени к временам на масштабах Колмогорова.

Основные режимы:

1. Режим ламинарных фронтов – слабая турбулентность, фронт сохраняет структуру ламинарного пламени.
2. Пористое или складчатое пламя – турбулентные вихри искажают фронт, но реакционная зона остаётся тонкой.
3. Режим мелкомасштабного перемешивания – мелкие вихри проникают внутрь зоны реакции, разрушая её локальную структуру.
4. Диффузионное пламя в условиях интенсивной турбулентности – реакция определяется скоростью перемешивания топлива и окислителя, а не скоростью химической кинетики.

Уравнения описания

Для моделирования турбулентного горения используют систему уравнений Навье–Стокса с учётом источников тепла и массы, а также уравнения химической кинетики. Однако прямое численное решение (DNS) возможно лишь для малых чисел Рейнольдса. Поэтому применяются приближённые методы:

• RANS-модели (Reynolds Averaged Navier–Stokes) с замыканиями для турбулентных потоков и реакций.
• LES (Large Eddy Simulation) – крупновихревая симуляция, где разрешаются крупные вихри, а малые описываются субсеточными моделями.
• PDF-методы – использование функций распределения вероятностей для описания перемешивания и химии.

Турбулентное перемешивание и скорость горения

Скорость распространения турбулентного фронта пламени существенно превышает ламинарную. В классическом приближении скорость турбулентного горения S_T выражается через ламинарную скорость S_L и интенсивность турбулентности u′:

S_T ≈ S_L (1 + C u′ / S_L),

где C – коэффициент, зависящий от структуры турбулентного поля.

Рост скорости объясняется увеличением площади фронта пламени, вызванным его складчатостью и многократным растяжением.

Роль химической кинетики

Хотя турбулентность определяет структуру фронта, химическая кинетика остаётся ключевым фактором в определении устойчивости горения. При слишком высоких скоростях деформации может происходить гашение пламени – локальное прекращение реакции из-за того, что время турбулентного перемешивания становится меньше времени химической реакции.

С другой стороны, в некоторых условиях турбулентность может инициировать повторное воспламенение за счёт локальных сжатий и повышения температуры.

Энергетический баланс

При турбулентном горении перенос энергии осуществляется сразу несколькими механизмами:

• конвективным турбулентным переносом,
• молекулярной диффузией,
• выделением тепла химической реакции,
• диссипацией турбулентной энергии в теплоту.

Баланс этих механизмов определяет распределение температуры, состав продуктов и эффективность процесса сгорания.

Применения

Турбулентное горение имеет фундаментальное значение для:

• двигателей внутреннего сгорания,
• газотурбинных установок,
• промышленных топочных камер,
• энергетики и химической технологии.

Особое внимание уделяется вопросам устойчивости пламени и снижения выбросов (NOx, CO, сажи), что связано с тонким балансом между скоростью перемешивания и скоростью химической реакции.