Диффузионное пламя

Диффузионное горение - наиболее распространенный в промышленности способ сжигания топлива, позволяющий регулировать процесс горения, не прекращая его. Взаимное проникновение горючего газа и воздуха (окислителя) происходит из-за диффузии и создает поверхности равных относительных концентраций в струе негорящего газа. На схеме принято, что на выходе из отверстия и в ядре струи концентрация топлива равна 1, а на границе струи 0.

В любом поперечном сечении максимальная концентрация топлива на оси струи, причем за ядром струи она убывает от 1 до 0 из-за диффузии воздуха. Поперек струи концентрация изменяется от максимального значения, соответствующего данному сечению до 0 на границе диффузионного пограничного слоя, которая не совпадает с границей струи, где скорость движения воздуха равна 0. Внутри струи можно выделить поверхности равных концентраций, среди которых имеется та, которая соответствует стехиометрическому соотношению топлива и воздуха - стехиометрическая поверхность, только на которой при диффузионном горении и возможно существование устойчивого фронта пламени. Предположим, что воспламенение произошло за этой поверхностью, т.е. при . Тогда оставшийся кислород продолжал бы диффундировать далее, перемещая фронт пламени, пока весь не прореагировал бы, т.е. до поверхности, где . При воспламенении до стехиометрической поверхности избыток топлива диффундировал бы далее, пока не сгорел. Таким образом, устойчивый фронт пламени при диффузионном горении должен располагаться на стехиометрической поверхности.

После воспламенения и стабилизации фронта пламени стехиометрическая поверхность изменит свое положение по сравнению со струей, т.к. появляется третий компонент - продукты сгорания. По обе стороны от стехиометрической поверхности возникают диффузионные пограничные слои: внутренний - для смеси топлива и продуктов сгорания и внешний - для смеси воздуха с продуктами сгорания. Вдоль потока пограничные слои расширяются. Ламинарное пламя имеет чётко очерченную форму с остроконечной вершиной.

С возникновением турбулентности при увеличении скорости истечения смеси смесеобразование происходит благодаря турбулентной диффузии, скорость которой выше молекулярной при ламинарном режиме. Размеры (высота) пламени уменьшаются до тех пор, пока скорость турбулентной диффузии не станет пропорциональной скорости потока. После этого высота пламени не зависит от скорости истечения.