Физика процесса распространения пламени

С реакцией горения можно встретиться в самых разнообразных системах: в химически однородных и неоднородных по своему составу, в однофазных и многофазных средах, среди которых можно выделить газовзвеси, пористые системы, пузырьковые среды. Конечно, процесс горения в определенной системе при общем рассмотрении отличается не только химическими превращениями, но и широким спектром физических явлений из области теплофизики и механики, к примеру кондуктивным и конвективным тепломассопереносом, теплопроводностью, диффузией, конвекцией, фазовыми переходами, поверхностным натяжением, излучением, нестационарными волновыми эффектами, турбулентностью.
Применение процессов горения на практике весьма разнообразно, поскольку при этом человек может получить тепловую энергию и воспользоваться значительной механической работой, появляющейся при расширении газов во время экзотермической химической реакции. изучения Изучение процесса горения высоко актуально, ведь по последним статистическим данным до 90% энергии, которую использует человеческая цивилизация сейчас, обеспечивается именно процессами горения [10, стр. 31].
В связи с этим, целью настоящей работы является изучение физики процесса распространения пламени.
Согласно цели работы ставим перед собой ряд задач:
1) изучить процесс горения с точки зрения физики;
2) изучить процесс распространения пламени с точки зрения физики.
1. Общее представление о процессе горения

Множество научных дисциплин изучают процесс горения с разных точек зрения – его фундаментальные основы и уникальные закономерности. Весомый вклад в отечественное направление физики горения внесен такими выдающимися учеными, как В.А. Михельсоном [3], Н.Н. Семеновым [6], Я.Б. Зельдовичем [1], К.И. Щелкиным [10], Д.А. Франк-Каменецким [8], Л.Д. Ландау [2], Р.И. Солоухиным [7], Б.В. Раушенбахом [4].
Горением называют экзотермическую химическую реакцию, в которую вступают горючее вещество и окислитель. Данная реакция характеризуется тем, что тепло во время ее протекания выделяется, а не поглощается (Q>0). Если соблюдаются необходимые условия, то реакция горения самоподдерживается, что отличает ее от эндотермических реакций. К примеру, если очаг воспламенения возникает в заведомо смешанной газовой смеси горючего и окислителя, то скорее всего, успешно сформируется волна горения [9, стр. 10].
Пламя в газовой смеси распространяется за счет теплопередачи от одного слоя к другому. В ряде случаях более значимую роль играет излучение. Не менее важным физическим процессом при воспламенении является взаимное проникновение компонентов горючей смеси и продуктов сгорания друг в друга.
Фронтом пламени или зоной химических реакций называют тонкую зону, в которой непосредственно протекает реакция горения. Средства математической физики позволили доказать, что вещество пребывает в ней очень кратковременно, к примеру, метано-воздушная смесь – t=103 с, смесь кислорода и водорода t=10-7 c.
Теплота, образующаяся в процессе химической реакции, возникающей на фронте пламени, посредством теплопроводности направляется и в сторону движения огня, при этом нагревает горючее вещество, и в сторону продуктов горения. На рисунке 1 представлена схема распределения температур в зоне горения. Температуру исходной смеси обозначим за Т0. По мере того, как пламя приближается к исходной смеси, она начинает нагреваться от начальной температуры до температуры самостоятельного воспламенения Т1. Величина зоны прогрева находится в прямой зависимости от показателя теплопроводности исходной смеси и скоростных характеристик пламени. Чем больше теплопроводность, тем шире зона прогрева, чем выше скорость пламени, тем уже зона прогрева.
Собственно физический механизм распространения волны горения в газообразной среде связывают с молекулярными процессами переноса. Возникший градиент температуры обуславливает кондуктивный перенос тепла из зоны реакции в зону реагентов. Вследствие этого инициируются новые объемы предварительно перемешанной газовой смеси – в этом случае можно говорить о кинетическом режиме горения. Так появляются пламена – режимы распространения зоны химического превращения в пространстве, которые являются самоподдерживающимися (рисунок 1).