انواع ناپایداری های نوسانی در پیشروی شعله

ناپایداری نوسانی هنگام پیشروی شعله در محفظه احتراق موجب پارازیت­های شدید صوتی غیرقابل تحمل و اثر نامطلوب بر روی کارایی احتراق و همچنین در مواردی شدید منجر به شکست مکانیکی اجزا سیستم احتراقی میشود. اعداد زلدوویچ، لوییس و دامکوهلر همگی نقش مهمی در توصیف وضیعت شعله­های پیش امیخته بازی میکند. بهر حال از آنجا که نفوذ سوخت و اکساینده هر دو با اهمیت میباشد، نوعا دو عدد لوییس در مبحث شعله­های غیر پیش مخلوط استفاده میشود. یکی بر مبنای نفوذ جرم سوخت و دیگری براساس نفوذ جرم اکساینده

انواع ناپایداری­ها:

1. ناپایداری آکوستیکی: شعله­ها هنگامی که از سر باز کانال به سر بسته کانال آن منتشر میشود شروع به نوسان می­کنند. این ناپایداری حرارتی آکوستیکی خودش را در قالب یک ارتعاش طولی و با فرکانسی که مرتبط با فرکانسی که مرتبط با فرکانس طبیعی کانال بود نشان داد. یک معیار برای ظهور ناپایداری­ها حرارتی- آکویستی توسط رایلی در سال ۱۸۷۸ پیشنهاد شد. او بیان میکند هنگامی که حرارت بصورت موضعی و تناوبی در یک سیال گازی شکل منتشر میشود، در صورتیکه انتشار حرارت و نوسانات فشار با یکدیگر هم فاز باشند موجب تقویت نوسان آکوستیکی می­گردد. این پدیده موجب اغتشاشات شدید فشار میشود که اینچنین موج­های فشاری یک نقش موثر در گذار از اشتعال به انفجار دارد. این اغتششات فشار میتواند منجر به نتایج زیانباری در محفظه­های احتراقی که بر اساس معیارهای مناسبی طراحی نشده­اند گردد ناپایداری اکوستیکی در راکت­های پیشران مایع یا جامد شاهدی بر این مطلب می­یاشد.

2. ناپایداری هیدرودینامیکی: علت آن بدلیل اختلاف چگالی محصولات گازی سبک پس از احتراق در برابر مخلوط نسوخته سنگین و همچنین اثر نیروی شناوری می­باشد چرا که یک اغتشاش کوچک در جبهه شعله هموار موجب شتاب گرفتن شعله و بروز ناپایداری می­شود.

3. ناپایداری نفوذی- حرارتی: ناپایداری نفوذی- حرارتی در شعله­ ها بعنوان نتیجه عدم توازن بین نفوذ جرم و حرارت بوجود می­آید. در این حالت عدد لوویس مخالف واحد است  هنگامی که نرخ هدایت حرارتی نسبت به نرخ نفوذ جرم واکنشگر رقیق، کندتر باشد ( ) ناپایداری شبکه­ای رخ خواهد داد. از سوی دیگر هنگامی که ( ) باشد یک فرم دیگری از ناپایداری یعنی ناپایداری نوسانی بوجود می­آید. مکانیزم محرک این دو نوع فرم از ناپایداری نفوذی- حرارتی در دو زیر بخش پیش رو بحث خواهد شد.

• ناپایداری شبکه ­ای: شکل زیر یک شعله مغتشش همرا با ناپایداری شبکه­ای را نشان می­دهد. لازم به ذکر است که مقیاس طولی اعوجاج های موجود در مرتبه ضخامت شعله می­باشد. در قسمت محدب جبهه شعله( نسبت به گاز نسوخته)، نفوذ جرم واکنشگرها بدرون ناحیه واکنش همگرا می­شوند که تمایل به تقویت شعله پیدا می­کنند. از سوی دیگر، انحنای محدب اثر عکس بر روی هدایت حرارت دارد که نتیجه همگرایی صورت نمی­گیرد و شعله ضعیف می­شود. اثر خالص این دو پدیده به نسبت نرخ­های نفوذ جرم و حرارت (یعنی عدد لوییس) وابسته خواهد بود. برای ، نرخ نفوذ جرم بزرگتر از نرخ هدایت حرارت می­باشد. بنابراین اثر تقویت کننده بر اثر تضعیف کننده غلبه می­کند و نرخ سوزش بخش محدب افزایش می­یابد در حالیکه با استدلال مشابه، بخش مقعر ضعیف میشود و از این رو اغتشاشات رشد می­کند و ناپایداری بوجود می­آید. برای اثر مخالف رخ میدهد و شعله در برابر اغتشاشات در طول جبهه شعله، پایدار نفوذی- حرارتی می­باشد چرا که این ناپایداری توسط ضخامت ناحیه واکنش میرا میشود.

• ناپایداری نوسانی: اگر چه شعله­ها با  نسبت به ناپایداری شبکه­ای نفوذی- حرارتی پایدار می­باشند، ولی امکان توسعه نوع دیگری از ناپایداری نوسانی نامیده می­شود. برای  اگر ناحیه واکنش نسبت به جبهه شعله مغتشش شود آنگاه هدایت حرارت بالا دستی بمیزان قابل توجهی افزایش می­یابد در حالی که نفوذ جرم بدرون ناحیه واکنش منحصرا به آرامی افزایش می­یابد. از این رو نتیجه خالص موضوع این است که شعله ضعیف میشود و ناحیه واکنش به موقیت اصلی خود باز می گردد.