بررسی بر احتراق ذرات

بررسی بر احتراق ذرات

1-1- مقدمه ای بر احتراق ذرات ]1و2[

مواد جامد بسیاری وجود دارند كه قابلیت احتراق داشته و در صورتیكه شرایط محیطی صحبت اشتعال آن فراهم شود، شروع به سوختن می نمایند. این شرایط كه در نهایت منجر به ایجاد یك جرقه می گردد تا حدود زیادی به طبیعت و ابعاد ذره جامد بستگی دارد. معمولاً قابلیت احتراق ذرات جامد با كاهش اندازه آنها به شدت افزایش می‌یابد به خصوص اگر ذرات جامد به شكل پودر و یا غبار درآیند كه در اینصورت شرایط جهت احتراق به مراتب مساعدتر می گردد و در این حالت نه تنها سریع‌تر محترق گشته بلكه سرعت سوزش آنها نیز افزایش می یابد. دلیل این امر به میزان اكسیژن نفوذ كرده به داخل توده ذرات بر می گردد. در واقع در حالت فوق الذكر هوا یا اكسیژن راحت تر به درون توده ذرات نفوذ كرده و افت حرارتی سطح سوزش كمتر می تواند به داخل جسم رخنه كند.

هنگامی كه فاصله بین ذرات زیاد می شود، زمینه مناسب جهت سوختن سریع مهیا می گردد، چرا كه هوای كافی جهت احتراق، بین ذرات قرار می گیرد. حال اگر این پتانسیل بالا كه در احتراق ذرات ریز جامد وجود دارد خارج از كنترل به فعالیت در آید می تواند باعث خطرات فاجعه آمیز و آسیب دیدگی اقرار شود. چرا كه نرخ سریع سوزش ذرات بر روی تغییرات فشار اثر گذاشته و باعث گستردگی شعله می گردد.

ذراتی كه در اكثر صنایع وجود دارد، قابل احتراق می باشند. این ذرات ممكن است مستقیماً ترمیم گردند و یا در در اثر سایر تولیدات صنایع بوجود آیند بعنوان مثال می‌توان از ذره آرد، شكر، ذرت، پلاستیك ها و فلزات زغالسنگ و مواد دارویی كه مستقیماً در صنایع تولید می شوند نام برد.

از جمله ذرایت كه به صورت ناخواسته و در هنگام تولیدات صنعتی بوجود می‌آیند، براده های چوب، كرك و منسوجات و انواع دیگر براده ها می باشد. در هر صورت همگی این ذرات قابلیت احتراق داشته و در صورت فراهم شدن شرایط اشتعال و یا انفجار بسیار خطرناك می باشند. این انفجارها معمولاً زمانی رخ می دهد كه ذرات در هوا پراكنده می گردند و منبع جهت ایجاد جرقه وجود داشته باشد، در حالیكه آتش سوزی ذرات در حالات توده ای، لایه ای و غیره می تواند رخ دهد. ذكر این نكته ضروری است كه سرعت انتشار انفجار ناشی از ذرات به قدری زیاد است كه می توان گفت اگر انفجار رخ دهد تلاش در جهت خنثی كردن اثرات زیانبار آن بیهوده است.

به طور كلی مجموع مباحث موجود در احتراق ذرات ریز جامد را می توان در دو بحث عمده «تكنولوژی مدرن احتراق» و «پیشگیری و ایمنی» خلاصه نمود. امروزه احتراق ذرات ریز جامد به لحاظ تكنولوژی مدرن احتراق در صنایع نظامی و صنایع هوا فضا كاربردهای متنوع و متعددی دارد كه از آن جمله می توان به استفاده از ذرات فلزی در سوخت موشكهای جامد سوز به منظور افزایش پایداری احتراق و افزایش راندمان احتراق اشاره نمود. در واقع ارزش سوخت جامد كه تولید انرژی فراوان مشخصه بارز آن بوده زمانی نایابتر می گردد كه محدودیت حجمی و وزنی وجود داشته باشد.

از طرفی وجود غبار ذرات در صنایع باعث ایجاد مشكلات عدیده ای می گردد كه پیشتر تشریح شد. مطالب ذكر شده مبین این مطلب بوده كه جهت جلوگیری از انفجارهای ناخواسته غبار ذرات در صنایع و استفاده بهینه از ذرات فلزی در موشكها، نیاز به فعالیتهای تحقیقاتی مناسب می باشد. در این راستا شناخت مكانیزم انتشار شعله ذرات ریز جامد در ابری از ذرات، هدف مطالعاتی بسیاری از محققین در این زمینه می‌باشد. برای شناخت این مكانیزم عمدتاً پارامترهایی نظیر سرعت سوزش و فاصله خاموشی مورد بررسی و مطالعه قرار می گیرد.

ضمناً ذكر این نكته ضروری است كه در مبحث اشتعال و ذرات تعریف واحدی در خصوص عبارت ذره وجود نداشته و در عمل عبارت ذره و پودر بدون هیچ فرقی استفاده می گردند. برای اهداف موجود در این پایان نامه هر دو عبارت قابل استفاده بوده ولی در بیشتر موارد از عبارت ذره استفاده گردیده است. البته این نامگذاری را می‌توان براساس قطر انجام داد. بر طبق استاندارد انگلیسی، ذرات با قطر كمتر از یك میكرون را دور یا غبار و ذرات بزرگتر از یك میكرون را ذره و ذرات با ماكزیمم ابعاد كمتر از هزار میكرون را پودر می نامند.

1-2- تاریخچه احتراق

بیش از صد سال قبل، انفجار در معادن زغال سنگ تنها بواسطه وجود ذرات، پذیرفته شده بود. هنگامی قضیه احتراق ذرات از اهمیت بیشتری برخوردار شد كه در سده اخیر انفجاراتی در صنایع بیشمار دیگری كه ما ذرات سر و كار داشتند به وقوع پیوست و خطرات انفجار ذرات و نیاز به توجهات كافی در مورد آنرا یادآور شد. انفجارات مهم به ثبت رسیده در ایالات متحده و كانادا از سال 1860 میلادی شامل معادن زغال سنگ نشانگر خرابیهای فراوان به بار آمده در كارخانه ها و بناها می‌باشد. در انگلستان آماری از تعداد انفجارها و تلفات ناشی از آن ارائه گردیده است. ولی تعداد میانگین انفجار ذرات در این كشور در سالهای اخیر 2 تا 3 مورد در ماه گزارش گردیده است.

1-3- مروری بر ادبیات احتراق

جهت شناخت و بررسی رفتار احتراقی ذرات ریز جامد لازم است مفاهیم اولیه و پارامترهای احتراقی ذرات جامد نظیر انواع شعله ها، دمای آدیاباتیك شعله، سرعت انتشار، سرعت سوزش، شعله آرام، شعله آشفته و… مورد مطالعه قرار گیرد. در این بخش به ذكر مفاهیم و تعاریف موارد فوق الذكر می پردازیم.

1-3-1- انواع شعله های اساسی ]3[

در فرایندهای احتراق، سوخت و اكسید كننده مخلوط شده و می سوزند. احتراق را بر اساس زمان مخلوط شدن سوخت و اكسید كننده به دو دسته پیش آمیخته[1] و غیر پیش آمیخته[2] تقسیم می كنند. به آن دسته از شعله هایی كه در آن سوخت و اكسید كننده پیش از احتراق مخلوط می شوند شعله پیش آمیخته و به آن دسته از شعله هایی كه در آن فرایند احتراق و مخلوط شدن سوخت و اكسیدایزر به صورت همزمان رخ می‌دهد شعله غیر پیش آمیخته گفته می شود. شكل (1-1) نمایی از یك شعله پیش آمیخته و شكل (1-2) یك شعله غیر پیش آمیخته را نشان می دهد.

1-3-2- دمای آریاباتیك شعله و شعله آریاباتیك

در یك فرایند احتراقی كه به صورت آریاباتیك انجام شده باشد، درجه حرارت محصولات احتراق را دمای آریاباتیك شعله می نامند. در واقع دمای آریاباتیك شعله با فرض اینكه تغییری در انرژی جنبشی و پتانسیل رخ ندهد و كاری انجام نشود، حداكثر مقداری است كه مواد اولیه پس از احتراق به آن می رسند. چون هیچ انتقال حرارتی انجام نمی گیرد و هیچ احتراق ناقصی باعث كاهش دمای محصولات نمی‌شود. البته واقعیت این است كه تمام شعله ها حرارت خود را به محیط اطراف منتقل می كنند. ولی اغلب در بررسیهای تئوریك شعله، آن را آریاباتیك فرض می‌كنند. برای نزدیك شدن به طرح آریاباتیك شعله، می توان شعله را در یك لوله و یا چراغی كه با محیط اطراف خود تبادل حرارتی كم و خیلی سریع داشته، در نظر گرفت.

در انتشار شعله در یك كانال باریك، از آنجا كه قطر كانال كوچك تر از طول آزاد انتشار تشعشع در مخلوط ذرات ساكن می باشد، بنابراین تشعشع حاصل از پیشانی شعله و ناحیه محصولات احتراق در عبور از كانالها، به طور كامل بوسیله دیوارهای كانال جذب می شود.

1-3-3- احتراق ابر ذرات ]4[

احتراق ابر ذرات مدلی برای بررسی پارامترهای شعله و رفتار احتراقی ذرات ریز جامد می باشد. در این مدل از گسترش شعله در میان ابری از ذرات به عنوان بحث پایه جهت تحلیل پارامترهای احتراقی استفاده می گردد. ابر ذرات شامل مجموعه نسبتاً یكنواختی از ذرات می باشد كه دارای قطر متوسط پایین هستند. در احتراق ابر ذرات كه ایجاد ابر ذرات یكنواخت از جمله الزامات آن است، نوع سیستم پراكنش مهم می‌باشد.

همچنین اندازه قطر ذرات در احتراق ابر ذرات نقشی به سزا دارد. به طوریكه هرچه اندازه قطر ذرات كم شود، احتراق در ابر ذرات می تواند خیلی سریعتر انجام شده و حتی انفجارهای جدی و خطرناكی را بوجود آورد. به این ترتیب با توجه به مطالعات تجربی، ذرات با قطر كمتر از 100 میكرون می توانند خصوصیات ابر ذرات یكنواخت جهت احتراق ابر ذرات را داشته باشند.

بعلاوه ابر ذرات فلزی كه نقطه جوش آنها بیشتر از دمای شعله می باشد جهت انجام مطالعات پایه مناسبترین می باشد. احتراق ابر ذرات فلزی به سبب خصوصیات بارز آن در تولید انرژی، مدتهاست كه هدف مطالعات محققین در این زمینه می باشد. اشكال (1-3) و (1-4) تصاویری از احتراق ابر ذرات می باشد كه توسط دوربین سرعت بالا در آزمایشگاه تحقیقاتی احتراق دانشكده مكانیك دانشگاه علم و صنعت ایران بدست آمده است.

1-3-4- احتراق تك ذره

احتراق تك ذره مدلی است كه در آن یك ذره ریز جهت شناسایی رفتار احتراقی محترق می گردد. در واقع احتراق تك ذره یك نوع مطالعه در ابعاد میكروسكوپی می‌باشد. در این زمینه می توان به كارهای Edward L.Dreizin اشاره نمود. ولی با محترق نمودن یك ذره آلومینیوم در محفظه ای خاص، ویژگیهای احتراق آلومینیوم نظیر نوارهای روشنایی، تغییرات سرعت ذرات سرزنده، زمان احتراق، تاثیر اكسیدایزر بر احتراق، انفجارهای كوچك در پایان احتراق، احتراق غیر متقارن و… را مورد بررسی قرار داده است ]5و6[. شكل (1-5) احتراق یك تك ذره را نشان می دهد. در خصوص احتراق تك ذره در بخش بعد به طور مفصل بحث خواهد شد.

1-3-5- شعله آرام

شعله آرام عبارتست از یك لایه نازك و بدون اعوجاج و صاف كه در ناحیه مخلوط سوخته نشده و محصولات احتراق را از یكدیگر جدا می كند. برای ایجاد یك شعله آرام، یكی از مشكلات حضور نیروی جاذبه است. در محیطهای غیر همگن، مانند مخلوط ذرات ریز جامد و هوا، ذرات تحت تاثیر نیروی جاذبه به مرور ته نشین می‌شوند و همین امر باعث افزایش غلظت سوخت و پیرو آن ایجاد شعله آشفته می‌گردد. با توجه به اهمیت نیروی جاذبه در بروز مشكلات آزمایشگاهی، روشها و مكانیزمهای متفاوتی برای توزیع ذرات پیشنهاد شده است كه هر كدام به نوعی سعی در حذف و یا كاهش اثر جاذبه در جریان آزمایشات دارند كه از آن جمله می توان به روش جاذبه ضعیف[3]]7[، روش جاذبه صفر]8[، تعمیق ذرات به روش الكتروستاتیكی[4]]9[، تعمیق استاتیكی به روش الكتروستاتیكی[5]]9[، روش تعمیق ناگهانی[6]]10[ و روش بستر سیالی شده[7]]11[ اشاره نمود.

در ناحیه‌ای كه شعله آرام تشكیل می شود، شعله با سرعت ثابت منتشر می‌گردد. پیشانی شعله آرام، بدون اعوجاج و تقریباً تخت و یا سهمی شكل می باشد. شكل
(1-6) تصویری از شعله آرام ابر ذرات آلومینیوم را در مخلوطی از اكسیژن- نیتروژن نشان می دهد.

1-3-6- شعله آشفته

از مشخصه های كلی احتراق ابر ذرات، وجود اغتشاش قابل ملاحظه در مخلوط نسوخته قبل از عبور شعله می باشد. در این حالت در صورتیكه غلظت ذرات جهت ایجاد شعله آشفته مناسب باشد، شعله آشفته تشكیل می گردد. در یك شعله آشفته، شعله به یك ناحیه واكنش توزیع شده تبدیل نمی شود. بلكه به نواحی واكنش متنوع تقسیم می گردد ]12[. در ناحیه ای كه شعله آشفته تشكیل می گردد، سرعت شعله با شتاب زیادی افزایش می یابد. پیشانی شعله آشفته دارای اعوجاجهای نامنظم و اشكال مختلف می باشد كه از آن جمله می توان به چین خوردگیهای نامنظم، وجود ورتكسها در پیشانی و … اشاره نمود. شكل (1-7) تصویری از یك شعله آشفته را نشان می‌دهد.

1-3-7- سرعت انتشار شعله

در محیط ذرات ریز جامد با ایجاد جرقه مناسب، شعله ای ایجاد گردیده و در صورتی كه بستر سیال محتوی ذرات جهت انتشار شعله مناسب باشد، شعله با سرعت خاصی كه بستگی به غلظت ذرات و نوع گاز تركیبی با ذرات دارد، شروع به حركت می‌نماید. سرعت انتشار شعله یكی از پارامترهای دینامیكی مهم در شعله بوده و كمك بسزایی در جهت شناخت آن می نماید.

سرعت شعله تابعی از غلظت ذرات ریز جامد می باشد و با تغییر غلظت ذرات سرعت انتشار شعله در محیط ذرات ریز جامد تغییر می نماید. جهت اندازه گیری سرعت شعله می توان از روشهای تصویر برداری و یا سنسورهای مناسب استفاده كرد. شكل (1-8) نشان دهنده تغییرات سریعت شعله به صورت تابعی از غلظت ذرات می‌باشد.

1-3-8- سرعت سوزش[8]

سرعت سوزش نرخ تبدیل ناحیه سوخته نشده به ناحیه سوخته شده می باشد. سرعت سوزش ذرات یكی از مهمترین كمیتهای مورد نظر ما بوده كه اندازه گیری آن به طور مستقیم امكان پذیر نمی باشد. برای بدست آوردن سرعت سوزش باید ابتدا مقدار سرعت انتشار شعله را بدست آورد و سپس بر نسبت سطح شعله به سطح مقطع لوله آزمایش احتراق ذرات كه برای تمام غلظتها تقریباً برابر 5/1 الی 2 می باشد تقسیم نمود. شكل (1-9) نشان دهنده سرعت سوزش برحسب غلظت ذرات می باشد.

1-3-9- ضخامت شعله[9]

ضخامت شعله كه با نماد نشان داده می شود، عبارت از یك لایه بسیار نازك بوده كه دو ناحیه سوخته نشده و سوخته شده را از هم جدا می نماید. اندازه گیری ضخامت شعله ذرات ریز جامد به دلیل پیچیدگیهایی كه دارد و بدلیل تاثیر غلظت ذرات بر آن كار بسیار مشكلی می باشد. به این ترتیب كه برابر قرار دادن نرخ حرارت تولید شده در شعله با نرخ حرارت تلف شده از ناحیه شعله در جدار لوله، ضخامت شعله برحسب فاصله خاموشی بدست می آید.

1-3-10- فاصله خاموشی شعله[10]

فاصله ایست كه شعله در بین صفحاتی كه در مسیر حركتش قرار می گیرد خاموش می‌گردد. این فاصله معمولاً بین 7-3 میلی متر می باشد. فاصله خاموشی كه با نماد dq نشان داده می شود، یكی از بنیادی ترین پارامترهای دینامیكی شعله می باشد.

1-3-11- خاموشی شعله[11]]13[

مسئله اصلی در خاموشی شعله تعیین حداكثر اندازه گذرگاههایی از قبیل قطر لوله، اندازه مجرا یا فاصله بین صفحاتی است كه شعله از میان آنها نتواند عبور كند. اگر شعله بخواهد منتشر شود، آزاد شدن انرژی در اثر واكنش شیمیایی باید بتواند درجه حرارت ناحیه واكنش را به اندازه كافی بالا ببرد تا واكنش سریع، تقویت گردد. اگر انتقال حرارت به سطوح اطراف به اندازه كافی زیاد باشد، دما افت پیدا خواهد كرد و واكنش كند می گردد. همانطور كه واكنش كند می گردد، نرخ آزاد شدن انرژی پایین آمده و درجه حرارت به زیر دمای اشتعال نزول پیدا خواهد كرد و شعله خاموش می‌شود. همین پدیده نیز در محفظه‌های احتراق در جاییكه دمای لایه مرزی نزدیك سطوح فلزی، به پایین تر از دمای اشتعال می رسد مشاهده می شود.

برای یك مخلوط مشخص، چندین اندازه لوله (d₀) وجود دارد كه شعله دیگر نمی‌تواند منتشر گردد؛ اندازه لوله تا جاییكه هیچ شعله ای در آن نتواند منتشر شود، كم می گردد. ممكن است لوله با صفحات موازی (شكافهای مستطیلی) یا با یك شكل مخروطی جایگزین گردد. در حالت مخروطی شكل، شعله در طرف بزرگ مخروط شروع شده و در موقعیتی كه شعله خاموش می گردد، قطر خاموشی تعیین می‌گردد.

فاصله خاموشی d₀ به شكل دیواره ها، نوع سوخت، استوكیومتری، فشار، درجه حرارت شركت كننده ها و آشفتگی بستگی دارد. نمودارهای فاصله خاموشی در برابر نسبت تعادلی به صورت یك سهمی با یك مینیمم در قسمت غلیظ نسبت استوكیومتریك می باشند. در طرف رقیق، فاصله خاموشی با عكس سرعت سوزش متناسب می باشد. با افزایش وزن مولكولی سوخت در قسمت غلیظ، فاصله خاموشی به طور جزئی كاهش می یابد. برای مخلوط پروپان- هوا شكلهای (1-10) و (1-11) داده های فاصله خاموشی موازی را نشان می دهند. فاصله خاموشی تقریباً با عكس فشار متناسب می باشد. برای نسبت استوكیومتریك پروپان- هوا، d₀­ با p^-0.88 متناسب بوده ولی برای هیدروژن هوا d₀ با p^-1.14 متناسب می باشد. بعنوان یك تقریب اگر سرعت سوزش با توان S فشار متناسب باشد آنگاه برای فشارهای پایین، d₀ با p^–(1+S) متناسب خواهد شد. اثر درجه حرارت شركت كننده T₀ روی فاصله خاموشی توسط این فرمول تقریبی d₀V₁/T₀=cte بدست می آید.

اثر آشفتگی كمتر محسوس بوده اما با افزایش آشفتگی، انتقال حرارت افزایش یافته، بنابراین فاصله خاموشی نیز افزایش خواهد یافت. اثرات هیدرودینامیكی دیگر از قبیل شناوری روی فاصله خاموشی نیز مشهود است. برای شعله های رقیق در لوله ها، فاصله خاموشی در پایین دست نسبت به بالا دست جریان، 10 درصد بیشتر است. برای شعله های غلیظ ممكن است ناپایداری اتفاق بیفتد و پدیده خاموشی خیلی پیچیده‌تر می شود.

كلاً اثرات دیواره به علت انتقال حرارت بوده نه در اثر نفوذ اجزاء كه به نظر نمی‌رسد روكش دار كردن دیواره ها بر روی خاموشی اثر جزئی داشته باشد.

1-3-12- حداقل انرژی جرقه

منظور از حداقل انرژی جرقه كه با نماد E _min نشان داده می شود، مقدار انرژیی است كه باید توسط منبع جرقه به كار گرفته شود تا احتراق شروع شود. بنابراین در انرژی بیشتر نیز می توان جرقه و در نتیجه احتراق داشت ولی نكته حائز اهمیت در حداقل انرژی جرقه، بحث بهینه سازی است.

1-3-13- حدود اشتعال

منظور از حدود اشتعال این است كه بدانیم حد ایجاد اشتعال كجا بوده و در چه ناحیه‌ای از غلظت، شعله نداریم. علاوه بر این از شعله اضافی یعنی بالاتر از حد اشتعال جلوگیری كرده، چرا كه اگر مثلاً كارخانه ای در فضای پایین تر از حد اشتعال باشد ایمن می باشد. شكل (1-12) حدود اشتعال را در احتراق ذرات آ‌لومینیوم در مخلوطی از اكسیژن- نیتروژن نشان می دهد.

فصل دوم

بررسی رفتار احتراقی ذرات ریز فلزی

2-1- مقایسه انتشار شعله در ابر ذرات بور، آلومینیوم، منیزیم، زیركونیم و آهن [ ]

كاری كه توسط آقایان Shevchuk، Boychuk، Goroshin و Kostyshin در دانشگاه ایالتی ارسا انجام شده، در زمینه انتشار شعله در ابر ذرات فلزی مختلف با اندازه‌های مشابه می باشد. ذیلاً شرحی از كار ایشان و نتایج بدست آمده مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در این آزمایشات دو مسئله حائز اهمیت می باشد؛ اول بررسی شرایط لازم جهت انتشار شعله در ابر ذرات بود و مسئله دوم مقایسه سرعت شعله بین فلزات مختلف در شرایط یكسان.

این مقایسات باید بر مبنای سرعت سوزش انجام شود چرا كه ابر ذرات مختلف نه تنها ممكن است در میزان سرعت انتشار متفاوت باشند بلكه در شكل سطحی نیز تفاوت داشته باشند. لذا در این كار اثر غلظت بر سرعت سوزش در مخلوطهایی از هوا و M_g، Al، Zr، Fe و B مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایشات در لوله های شیشه‌ای ی عمودی با قطر m035/0 و طول m1 انجام شده است به طوریكه سوخت از پایین لوله كه محصور شده است به سمت بالا حركت می كند و در بالای لوله كه باز می باشد مشتعل می گردد. جرقه اولیه جهت ایجاد اشتعال توسط یك جرقه زن الكتریكی با توان 27 وات ایجاد می گردد.

در مخلوطهایی از M_g، Al، Zr و هوا ویژگیهای فرایند احتراق بسیار پیچیده و ناپایدار می باشد. یك Photoregistrogram از حركت شعله در مخلوط آلومینیوم- هوا در شكل (1) به همراه بخشهایی از سطح شعله در مقاطع متناظر نشان داده شده است. شكل (1) در مقاطع گذار از یك حالت به حالت دیگر مورد بررسی قرار گرفته است:

در ابتدا یك شعله آرام كه شكل سطح آن شبیه یك منحنی سهمی می باشد به طور مستقیم در داخل مخلوط سوخته پیش می رود (بخش a-b در شكل (1))، سپس یك شعله مرتعش با شكل ثابت (نوع اول) و با فركانس ارتعاش (b-c)، در ادامه یك شعله مرتعش با شكل موج دار روی سطح (نوع دوم، c-b) و در نهایت یك شعله آشفته با ویژگیهای توسعه یافته (d-e).

شكل (2) وابستگی سرعت سوزش v_f به غلظت سوخت، c، را نشان می دهد.

در سوزش كند مخلوط هوا و ذرات آهن، تنها رژیمهای آرام و مرتعش نوع اول وجود دارد. در مخلوطهای هوا- بور ، آغاز فرآیند انتشار با موفقیت همراه نشد چون ذرات بور سوخته شده در شعله جرقه زن به سمت بالای لوله خارج می‌شوند.

در همه مخلوطهای Ze Al Mg با اكسیژن كه در آن بیشتر از 4/0 می باشد یك رژیم نوسانی شدید احتراقی و بلافاصله به دنبال آن گذار به رژیم آشفته دیده می‌شود. در مخلوطهای اكسیژن- بور كه در آن 7/0 یا 4/0=می باشد، انتشار پایدار شعله محقق نشد. تنها تكه های جداگانه ای از شعله سعی در انتشار داشتند كه خاموش شدند. اما در 7/0>فرآیند احتراق دارای ویژگیهای یك شعله آرام (Laminor) بوده كه در آن شعله دارای سرعت انتشار ثابت و پیشانی تقریباً تخت همانند شكل (3) می باشد. تنها بی ثباتی مشهود در فرایند انتشار شعله در مخلوط B+O₂ بی ثباتی در جابجایی شعله است كه به صورت تغییرات متناوب در انحراف سطح شعله به سمت دیواره های لوله ظاهر می گردد. مورد مشابه این اثر در مخلوطهای هوا و آهن نیز دیده می شود.

همچنین ورتكسهایی در ناحیه محصولات احتراق بوجود می آید. در واقع شرط لازم جهت تشكیل ورتكسها در ناحیه محصولات احتراق در نزدیكی ناحیه احتراق،
04/0Fr< می باشد (، كه در آن g شتاب جاذبه و D قطر لوله می باشد) (Abrukov Samonov 1958). بور و آهن صادق است و برای دیگر سوختها صادق نمی باشد. بیشترین تلفات احتمالی در لوله هایی كه محدوده انتشار شعله در آن كم می‌باشد مربوط به میزان جابجایی شعله در مخلوطهای بور است. به همین علت، در همه موارد، انتشار شعله در مخلوطهای بور توسط صفحات خاموشی تقریباً در اواسط لوله خاتمه می یابد. مورد مشابه این موضوع در مخلوطهای هوا و آهن نیز وجود دارد.

در مخلوطهای منیزیم، آلومینیوم، روی و آهن (برای آهن در غلظتهای كم)، سرعت سوزش شعله آرام با افزایش غلظت سوخت به اندازه افزایش می یابد. در مخلوطهای B+O₂ سرعت سوزش در محدوده غلظت مورد نظر، به غلظت بستگی نداشته و در حدود cm/sec8 می باشد. این نتیجه غیر منتظره‌ای است و در حال حاضر هیچ پیش زمینه تئوریكه وجود ندارد.

ضمناً توجه كنید كه در ابر ذرات مخلوط B+O₂ با حجم 5 لیتر، سرعت سوزش در غلظت سوخت g/m³350 برابر cm/s10 بدست آمد. با تعویض بخشی از اكسیژن مخلوط با هیچ سرعت سوزش افزایش یافت به طوریكه در مخلوط
He%40+ O₂%60+B سرعت سوزش در غلظت یاد شده cm/s6/13 بدست آمد.

بعنوان نتیجه بحث می توان مكان زیر را بیان نمود.

1- شعله آرام ساكن در مخلوطهای بور حاوی اكسیژن زیاد (7/0>) می تواند شكل بگیرد كه علت آن مقدار كم سرعت سوزش و تاثیر جابجایی طبیعی می باشد (انتشار شعله در لوله ها در راستای بردار ).

2- در مخلوطهای اكسیژن- بور، سرعت سوزش اساساً به میزان غلظت سوخت بستگی ندارد، كه این قضیه احتمالاً دلیلی بر ضعیف بودن مكانیزم فعال سازی اشتعال بور می باشد.

3- براساس مقادیر بدست آمده، سوختهای آزامایش شده به لحاظ مرتبه فعال سازی (activity) می توانند به ترتیب زیر قرار گیرند: Mg، Zr، Al، Fe و B. همین ترتیب در ارتباط با پایداری رژیم سوزش لامینار وجود دارد.

2-2- شعله‌های آرام پیش‌آمیخته در ابر ذرات بور] [

در این بخش كار آقایان Goroshin ، Ageyev، Shoshin، Shevchuk، كه در بخش فیزیك دانشگاه ایالتی ؟ انجام شده مورد توجه قرار گرفته است. آنها با آزمایشات متعدد اثر علظت چرمی بود و نوع تركیب مخلوط گاز را بر سرعت سوزش مورد بررسی قرار دارند. ذیلاَ به بررسی و تشریح كار ایشان می‌پردازیم.

برای تحقیق در خصوص احتراق ابر ذرات بور از شعبه پدیدار ؟ پیش‌آمیخته نوع جنس (‌Bunsen ) استفاده شده است. شكل (‌4) شماتیكی از دستگاه آزمایش را نشان می‌دهد.

شكل (‌4- الف ) تركیبی از یك پیستون تغذیه كننده و یك شكاف برای پخش ذرات را نشان می‌دهد. ذرات قبلاَ توسط یك نوسانگر[12] در سیلندر تغذیه كننده فشرده شده‌اند. حركت خطی پیستون در محدوده سرعت تنظیم شده است. میزان حجم گاز در شیار دایروی ( انواع شیار 30 میكرون می‌باشد) ثابت و برابربا می‌باشد. تنظیم جریان ذرات در طول یك نازل مخروطی كه توسط آب خنك می‌شود با استفاده از یك egector انجام می‌شود. زمانیكه نیاز باشد. جریان ذرات با كمك یك گزمكن الكتریكی حلقوی پیش‌گرم می‌شود جهت پیدا نگه‌داشتن شعله غبار ذرات بود از نوع جنس از یك نگهدارنده شعله پروپان – ؟ استفاده شده است( به شكل 4 توجه كنید). تمام جریان مخلوط پروپان، اكسیژن از 10 % جریان ذرات كه از سال خارج می‌شود تجاوز نمی‌كند. جدیدترین آزمایشات شعله غبار ذرات بر این نكته تأكید دارند كه استفاده از نگهدارنده شعله[13] در عمل هیچ تأثیری بر سرعت شعله ندارد. میزان غلظت غبار ذرات با جمع‌آوری تمام ذرات خارج شده از فیلتر در مدت 5 تا 10 ثانیه و توزین آنها اندازه‌گیری می‌شود.

سرعت سوزش با تقسیم میزان جریان خارج شده از نازل بر سطح مخروطی شعله داخلی محاسبه می‌شود از خصوصیات شعله ذرات بور و روشنایی بیش از حد آن می‌باشد. به همین علت عكسبرداری با فیلتر انجام شده است. درجه خلوص غبار ذرات بور در این آزمایشات 97 % می‌باشد. شكل ذرات بور بی‌قاعده و با نظم و عموم ذرات دارای دو نظر متفاوت می باشند قطر میانگین ذرات می‌باشد توزیع قطر ذرات را در شكل ( 5 ) ببینید.

در این مقاله گزارش شده است كه زمانی كه سرعت شعله بینهایت محكم است، مثلاَ در سوسپانسیونهای غبار ذرات بور اكیژن خالص موفق به پایدار نمودن شعله بنفش شده‌اند. حتی زمانیكه توان پایدار كننده دو برابر شد. در این حالت با انتشار شعله در یك لوله عمودی سرعت شعله بدست آمده است.

نتایج تجربی اثر غلظت جرمی بور بر سرعت سوزش در مخلوطهای گازی با تركیبات مختلف در شكل (6) ارائه شده است حد بالایی غلظت سوخت در آزمایشات را ویژگیهای سیستم ایجاد جریان ذرات تعیین می‌كند.

همچنین حد پایین غلظت سوخت ( تقریباَ با عدم امكان ایجاد شعبه پایدار تعیین می‌گردد.

در این شكل واضح است كه تغییر غلظت سوخت عملاَ تأثیری در سرعت سوزش ندارد.

شكل (‌7) اثر تركیب مخلوط گاز هلیم / اكسیژن بر سرعت سوزش شعله را نشان می‌دهد. این شكل بیانگر این مطلب است كه اثر تركیب مخلوط گاز هلیم / اكسیژن بر سرعت سوزش بسیار قوی می‌باشد. كه بیشترین مقدار آن مربوط به مخلوط گاز می‌باشد. زمانیكه غلظت اكسیژن كمتر از 24 % باشد، شعله بور در مشعل پدیدار نمی‌شود. در لوله نیز منتشر نمی‌گردد.