導入
火災は延焼する複雑な現象です。炎は、物理的および化学的な燃焼反応が起こる場所です。
火災の延焼は、次の概念の定義につながります。
- 火災前線、または森林火災の場合の火炎前線。
- 火炎面、主に予混合火炎の場合に使用されます。
火炎面は、燃焼が起こる薄いゾーンです。それは、燃料を含む媒体と燃焼生成物を含む媒体という 2 つの環境を分離します。
プレミックスの場合の火炎面の研究は、産業および民間の安全保障分野において非常に重要です。
- 内燃機関、バーナー（つまりボイラー、オーブン）などの効率を決定します。
- これにより、パイプ内での炎の上昇、壊滅的な伝播（火災の急速な広がり、爆発）などの事故を回避したり、その結果を制限したりすることが可能になります。
拡散炎
拡散火炎の場合、火炎面も燃料を酸化剤から分離します。
ろうそくまたはオイルランプの炎の典型的な場合、「青い炎」（酸化剤が豊富な炎領域）は、半径 4 mm（直径 8 mm）の底面を有するほぼ円錐形です。
この円錐の内部では、キャンドルの「ワックス」（ステアリン）が熱の影響で溶け、芯の中を進み、その後揮発します。可燃性ガスは拡散によって火炎面に向かって進み、そこで消費されます。
酸化剤、つまり空気中の酸素は屋外にあります。酸素は火炎面で消費され、拡散によって火炎面に向かって進みます。
燃焼ガスは高温であるため、上昇気流でアルキメデスの推力によって上昇します。
分子の拡散はフィックの法則に従います。熱の一部は高温ガスの対流によって上方に輸送され、別の部分は熱伝導によって水平に広がります。これはフーリエの法則に従います。拡散により、燃料蒸気は約 10 cm/s の速度で移動すると推定されています (Boyer p. 62)。
定常状態に達すると、炎によって生成された熱エネルギーはステアリンの融解と蒸発によって内部で消費されると推定できます (融解と蒸発の潜熱)。屋外では、部屋から離れた場所でも室温は一定です（キャンドルだけでは部屋を暖めるのに十分ではありません）。
微小重力下でのろうそくの炎の場合、対流は起こりません。炎は半球状です。半球の外側では、反応によって生成された高温ガスが過剰な圧力を生成します。理想気体の法則によれば、圧力は温度とともに増加しますが、半球では、低温ガスの温度は周囲温度 (約20 °C 、またはしたがって、約 293 K) から約 1500°C (1773 K) までの温度では、圧力は 6 倍になります。これにより、炎から遠ざかる「風」が発生します。したがって、これにより酸化剤の拡散が遅くなります。
参考文献
- ルイ・ボワイエ『炎と炎』編ベリン、コル。科学のために、2006
プレミックスフレーム
爆発の炎についても話します。
静止ガス
ガスが基準系内で静止しているとき (観察者にはガスの流れも風もない)、通常は球状の炎があり、球の中心が点火点になります。また、球状の炎が球の内部に向かって伝播することもできます。炎はパーツの周囲に広がり、中心に向かって伝播します。
パイプ内では、球体が壁によって「切断」され、それが伝播するキャップになります。一定の距離を移動すると、半径が非常に大きくなり、キャップは平らに見えますが、壁のレベルで変形しています。
したがって、パイプ内では、平らな火炎面があると推定できます。この火炎面は 2 つのゾーンを分けます。
- 一方では、周囲温度（約20 °C 、または 293 K）の燃料と酸化剤の予混合物であるフレッシュガス。
- もう一方は、高温 (約 1,800 °C、または約 2,073 K) で燃焼したガスです。
反応物はすでに接触しており、火炎面の進行を決定するのは熱の伝播です。これはフーリエの法則によって与えられます。
D T が熱拡散係数、τ が反応時間(反応速度の逆数) である場合、火炎面速度u L は次のようになります。
火炎の厚さeは
室温での新鮮なガスの場合、次のような大きさになります。
- D T ≃ 0.4 cm 2 /s;
- τ ≃ 4⋅10 -4秒;
- e ≃ 0.13 mm;
- u L ≃ 32 cm/s (約 1 km/h)。
(Boyer p. 67 以降を参照) 反応速度 1/τ はアレニウスの法則に従い、前線の速度は次の形式を持つと推定されます。
ここで、 EAは活性化エネルギー、 kはボルツマン定数、 T は冷たいガスの絶対温度です。
予混合ガスの流れ
- 注記
- このセクション全体を通じて、速度と不動性の概念は、実験室の基準枠、つまり地球上の静止した観測者との関係にあります。 x軸は、新鮮ガスから燃焼ガス、ソースから出口までの方向を向いています。
ガス流を介して供給されることがよくあります。
パイプの場合を考えてみましょう。ガスが静止している場合、火炎面は平面状であり、速度u Lで進行します。
u_Lより小さい速度v gでガス流を加えると、
その後、炎は依然として源に向かって進みますが、速度はより遅く、-( u_L – v_g ) になります。
新鮮なガスの速度が炎の速度と等しい場合
その後、炎はパイプ内で動かないままになります。このケースは、一方では火炎面が動かないので単純に研究することができ、他方では燃焼ガスの噴出速度を単純に計算できるため興味深いものです。実際、パイプ内にガスが蓄積することはあり得ません。時間tの間、反応は体積u L ⋅ S 0 ⋅ tを消費し、 k倍の体積のガスを生成します。 ｋは６以上である。したがって、排出速度は
したがって、ガスは前線速度の少なくとも 6 倍、200 cm/s (約 7 km/h) 程度の速度で噴出します。
新鮮ガスの速度が火炎速度より大きい場合
その後、炎は出口に向かって進みます。中程度の速度では、出口で「ぶら下がった」ままの円錐形の炎が得られます。実際、パイプ内の流れの場合、ガスは壁との流体摩擦を受けるため、速度は中心よりも端で遅くなります。したがって、流体の速度が火炎の速度と等しい場所が存在します。したがって、炎はこの位置で動かず、炎が消えるのを防ぎます。
円錐形の炎
したがって、円錐形の形状は、流体摩擦を受けるパイプの中心と端の間の新鮮ガスの速度勾配によるものです。これは完全な円錐ではありませんが、この単純化した仮定を立てます。
不動の平面火炎 ( u L = v g ) の場合、火炎前面はパイプ セクションの表面S 0になります。燃焼によるフレッシュガスの消費量はガス流量に等しい
円錐形の炎は表面積が大きくなります。 α が頂点での半角の場合、火炎前面の表面Sの値になります ( 「円錐 (ジオメトリ) > 回転円錐の場合」を参照)。
ガス消費量はu L ⋅ S (火炎面の速度は変化しません) であり、流量と等しくなければなりません。
どちらか
したがって
ここで、流量が大きくなるほど炎が鋭くなるという事実がわかります。流量の増加は火炎の伸びによって補われ、これにより前面の表面積が増加し、消費量の増加、ひいては火力の増加を引き起こします。
新鮮なガスの流れがチューブの軸方向にある間、燃焼したガスは「斜め」に逃げます。実際、平面の正面を考慮すると、ガスはこの平面に対して垂直に逃げます。ここで、その速度は新鮮なガスの初速度と円錐の表面に垂直な排気速度の合成です。そして、その軌道は垂直に曲がります（アルキメデスの推力により上昇します）。
乱流
乱流の場合、乱流によって火炎面が変形します。特に、障害物（ベナール・フォン・カルマン路地）によって生じる渦（渦）は、前線を横切るときに前線を変形させ、「折り畳まれた」前線を生じさせます。渦が大きい極端な場合には、火炎面が渦を包み込み、非常に大きな表面積が得られることがあります。
しわができると火炎面の表面積が増加し、円錐形の火炎の場合と同様にガス消費量が増加し、したがって火力が増加します。
したがって、バーナー、ボイラー、反応器をコンパクトにするために、所定の体積で最大の火炎前面を得るために、可能な限り乱流を大きくすることが重要です（ 「比表面積」を参照）。これにより、航空分野で不可欠な出力/体積比および出力重量比を高めることが可能になります。
さらに、流れに障害物が存在すると、上流の流れが減速するため、火炎キャッチャーが形成されます。
乱流は、壁や障害物とのガスの摩擦によって発生します。したがって、乱流の存在は、流体の速度とその粘度、つまり速度の変化を伝達する能力によって条件付けられます。それらはレイノルズ数R eが高いとき、つまり速度が速いときに現れます。したがって、やはり出力の増加を引き起こすのは流量の増加です。