Электрическое поле диффузионного пламени с инертной добавкой гелия

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вятский государственный университет»

г.Киров ул.Московская 36

Электрическое поле диффузионного пламени с инертной добавкой гелия

Получены экспериментальные данные по влиянию коэффициента избытка окислителя на ионизационные процессы в низкотемпературной плазме углеводородных диффузионных пламен с инертной добавкой гелия. Экспериментальные данные получены при горении диффузионных пламен коаксиальных струй пропана и кислорода с инертной добавкой гелия в интервале изменения коэффициента избытка окислителя от 0,4 до 1,5.

В режиме недостатка окислителя (α_о=0,4) реализуется блюдцеобразное пламя. Область локализации положительного электрического потенциала сосредоточена во фронте пламени в зоне голубого свечения. Максимальный положительный потенциал (120 мВ) обнаружен вне зоны голубого свечения вблизи области максимальных температур. Область внутри пламени имеет отрицательный потенциал с максимальным значением 100 мВ.

Для цилиндрического пламени (α_о=0,7) описанная картина качественно сохраняется, но отрицательный потенциал занимает почти всю внутреннюю область пламени, ограниченную фронтом и трубкой горючего. Область, расположенная над срезом трубки горючего имеет отрицательный потенциал с максимальным значением 300 мВ. Минимальное значение потенциала (-360 мВ) достигается в зоне оранжевого свечения (800-900 К) в средней части пламени. Область положительного потенциала сосредоточена со стороны подачи окислителя вдоль фронта пламени. Она распространяется до середины зоны ярко-желтого свечения, на всем протяжении, проникая через фронт внутрь пламени. Площадь области проникновения уменьшается при движении по потоку от среза трубки горючего. Положение области с максимальным значением положительного потенциала (390 мВ) расположено вблизи видимого фронта пламени (1100-1300 К) несколько выше по потоку области расположения максимального отрицательного потенциала. В области максимальных температур (1350-1450 К) находится область положительного потенциала со значениями в интервале 100÷200 мВ.

При избытке окислителя (α_о=1,5) в колоколообразном пламени область локализации отрицательного потенциала расположена в зоне ярко-желтого свечения (1200 К), выше по потоку ограничена фронтом пламени. Нижняя граница данной области расположена над срезом трубки горючего в зоне темно-оранжевого свечения. Область с максимальным значением отрицательного потенциала (160 мВ) расположена на переходе из оранжевой в зону желтого свечения. Остальная часть пламени имеет положительный электрический потенциал. Максимальный положительный потенциал (180 мВ) расположен в центре зоны синего свечения в области внутри пламени (1100 К).

На основании полученных экспериментальных данных удалось обнаружить области локализации положительно и отрицательно заряженных частиц и построить линии напряженности электрического поля в области горения. Рассмотрим влияние коэффициента избытка окислителя на распределение электрических зарядов в пламени и источников тепла в пламени переходе от α_о=0,4 к α_о=1,5. С изменением соотношения горючее-окислитель изменяется форма пламени, а месте с ней положение электрических зарядов и источников тепла. В блюдцеобразном пламени область локализации положительного заряда сосредоточена во фронте пламени в зоне голубого свечения и находится вблизи расположения источника тепла сосредоточенного в нижней части пламени, зоне ярко-голубого свечения. Область локализации отрицательного заряда сосредоточена на оси пламени в верхней его половине, области низких температур. На всей протяженности от среза трубки горючего до верхней границы пламени вблизи оси симметрии потоков среднее значение температуры составляет 800 К.

В цилиндрическом пламени область локализации положительного заряда сосредоточена в нижней части пламени в середине голубого свечения фронта пламени, чуть ниже источника тепла, который располагается в нижней части желтого свечения, видимых границ пламени. Две области локализации отрицательного заряда располагается на оси пламени, одна из них находится в средней части области близкой к срезу горелки имеющей темное свечение, значение температуры здесь составляет 800 К. Другая в нижней части области желтого свечения (900 К). Вторая область локализации положительного заряда сосредоточена вблизи видимых границ пламени в средней его части, на линии теплового потока идущего вертикально вверх вдоль фронта пламени, в области значение температур 1200÷1300 К.

В колоколообразном пламени область локализации положительного заряда сосредоточена в близи фронта пламени в нижней части зоны ярко-голубого свечения, не совпадает источником тепла, как для случая блюдцеобразного и цилиндрического пламени. Область локализации отрицательного заряда находится на оси пламени, в зоне ярко-желтого свечения ниже источника тепла, который находится в средней ее части.

Данные зависимости можно объяснить, если предположить, что инертный газ участвует в ионизационно-рекомбинационных процессах происходящих в пламени. Например, выступая в роли частицы, принимающей избыточную энергию в процессе трехчастичной рекомбинации. Обнаружение области положительного потенциала над срезом трубки горючего является следствием частичного проникновения кислорода в глубь пламени вблизи среза трубки горючего с образованием положительно заряженных ионов. А величина площади занимаемой положительным потенциалом вблизи среза горелки может зависеть от природы инертной добавки. В поддержку предположения о проникновении кислорода в глубь пламени может также служить тот факт, что со стороны подачи окислителя пламя всегда имеет положительный потенциал.

Полученные закономерности коррелируются с результатами ряда работ по изучению собственного электрического поля пламени предварительно перемешанных смесей, которое имеет сложную структуру, отличающуюся локализацией областей положительного и отрицательного потенциала по сторонам фронта горения, причем расположение максимумов смещено относительно максимума температуры и границ хемилюминесцентной зоны. Над срезом горелки располагается область положительного потенциала, а выше по потоку область отрицательного потенциала, с внешней стороны фронта, вблизи среза горелки, пламя имеет положительный потенциал. При изучении распределения отрицательного электрического потенциала в аналогичном пламени также указывается на то, что отрицательный потенциала занимает область внутри пламени преимущественно в верхней ее части.