Условия для развития неустойчивости Рэлея-Тейлора на сферическом фронте пламени

Автор: Артём Евгеньевич Ельянов

Организация: Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, Москва

Неустойчивость фронта пламени – одна из актуальных задач современной механики жидкости и газа. В зависимости от процессов, определяющих рост неоднородностей, для свободного сферического пламени различают гидродинамическую (Дарье-Ландау), термодиффузионную и неустойчивость Рэлея-Тейлора. Условиям для развития последней и посвящена данная работа.

Неустойчивость Рэлея-Тейлора возникает на границе раздела двух жидкостей или газов разной плотности при наличии ускорения, направленного от более легкого к тяжелому. При распространении пламени менее плотные разогретые продукты горения двигаются с ускорением в более плотном газе. Когда вектор ускорения и градиент плотности на фронте пламени сонаправлены, происходит развитие неустойчивости. Основным параметром, определяющим скорость развития этой неустойчивости, является число Атвуда. В ходе работы было рассчитано число Атвуда и обнаружено, что на границе раздела продуктов сгорания и горючей смеси оно зависит от начального содержания водорода.

Для исследования развития неустойчивостей была проведена серия экспериментов. Прозрачные латексные оболочки наполнялись предварительно подготовленной водородно-воздушной смесью. В различных сериях экспериментов менялось процентное содержание водорода. Инициирование пламени производилось искровым разрядом с энергией 1мДж, разрядником, расположенным в центре оболочки. Регистрация распространения фронта пламени производилось с использованием теневого метода реализованного в теневом приборе ИАБ-451 и высокоскоростной камеры ВидеоСпринт. Видеосъемка процесса производилась с частотой от 500 до 1000 кадров в секунду с экспозицией в 500 мкс. С целью автоматизации обработки полученных изображений в среде Matlab написана программа, преобразовывающая набор изображений расширяющегося фронта пламени в зависимость среднего радиуса от времени.

Обнаружено, что на начальной стадии распространения возникают как ускорения, так и замедления фронта пламени. Экспериментально полученные параметры распространения фронта пламени дополнены расчетами, проведенными по аналитической модели из литературы.

Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда, грант №14-50-00124.