Original: http://ronney.usc.edu/research/HeleShaw/HeleShawCells.html

Переглянути онлайн-презентацію про водні хімічні фронти у клітинах Геле-Шоу
Переглянути онлайн-презентацію про газове полум’я у клітинах Геле-Шоу
Завантажити фільм про газоподібне полум’я у клітинах Геле-Шоу (48 МБ!)

Добре відомо, що плавучість і термічне розширення впливають на швидкість поширення і форми попередньо перемішаного газового полум’я. Розуміння таких ефектів ускладнюється великим співвідношенням щільності між реагентами і продуктами, що викликає бароклінну продукцію завихрення внаслідок неузгодженості щільності і градієнтів тиску на фронті, що в свою чергу призводить до складного багатовимірного полум’я/потоку взаємодії. Клітина Геле-Шоу, тобто область між площинами, розташованими близько між собою, є, мабуть, найпростішою системою, в якій існує багатовимірна конвекція, отже, поведінка флюїдів у цій системі широко вивчена (Гомсі, 1987). Ймовірно, найважливішою характеристикою течій Хеле-Шоу є те, що коли число Рейнольдса на основі ширини зазору є достатньо малим, рівняння Нав’є-Стокса, усереднені за розривом, зводяться до лінійного відношення, а саме до рівняння Лапласа для тиску (закон Дарсі).

У цій роботі вивчається поширення полум’я в клітинах Геле-Шоу для кращого розуміння впливу плавучості та теплового розширення на попередньо перемішаний полум’я. Ця робота також має відношення до вивчення незгорілих викидів вуглеводнів, що виробляються двигунами внутрішнього згоряння, оскільки ці викиди в значній мірі є результатом часткового спалювання або повного гасіння полум’я у вузькому кільцевому зазорі, що називається “щілинний об’єм” між стінками поршня і циліндра (див., наприклад, текст Дж. Б. Гейвуд, 1988). Краще розуміння того, як пламена поширюються в цих обсягах за допомогою експериментів з використанням клітин Геле-Шоу, може призвести до ідентифікації засобів для зменшення цих викидів.

Через дуже слабкого теплового розширення (зазвичай 0,06%), викликаного в результаті хімічної реакції, водні хімічні фронти порушені плавучості. Це явище було вивчено в клітин Геле-Шоу, тобто розрив між двома близько розташованими плоскими паралельними пластинами. Результати показують новий тип аплікатури механізму не присутній в які не реагують Геле-Шоу потоки, які були ідентифіковані як ефект поверхневого натягу, навіть при тому, що реагенти і розчини продукту змішуються в будь-яких пропорціях. Справді, ця довжина хвилі практично не залежить від швидкості поширення фронту (S або S_L) і товщини комірки (w). Єдине життєздатне пояснення цього, в порівнянні з передбаченнями Саффман-Тейлор модель, є поверхневий натяг на межі поділу, величина якого становить приблизно 0,005 дин/см – близько 14 000 разів менше, ніж у поверхні розділу вода-повітря.

Ліворуч: зображення автокаталітичних фронтів, що поширюються вгору, в клітині Геле-Шоу, товщина клітин (w) = 1.0 мм, S_L = 0.17 мм/с. Верхнє зображення: 10 секунд після ініціювання; нижнє зображення: після досягнення квазістаціонарного стану розповсюдження. Ширина комірки 200 мм. Праворуч: ефект від w та S_L (Пеклет число = Sw/D, де D = дифузійність маси стехіометрично обмежуючого реагенту, IO₃^–) на довжині хвилі початкового збурення.

Примітно, що швидкості розповсюдження цих зморщених плавучих фронтів також відповідають прогнозам Якота, коли для оцінки ефективної інтенсивності турбулентності використовується характерна лінійна швидкість росту індукованої плавучістю нестійкості (див. Другий графік на цій сторінці).

У якості доповнення до дослідів на хімічних фронтах в клітинах Геле-Шоу, попередньо змішано-газ полум’я в клітин Геле-Шоу було також досліджено. Важливо відзначити, що спостерігалося зморщування навіть для вниз поширюється (життєрадісно стабільного) полум’я і полум’я, що має велике число Льюїса (дифузно-термічно стабільний). Ці швидкості горіння (S_Т) це полум’я сильно відрізняються від їх ламінарних, нем’ятого значень (S_L). Значення S_T/S_L в квазіпостійні стадії були вище вгору вниз проти поширення, але лише слабо залежать від Льюїса і Пеклет числа. З-за ці ефекти освіти складок, передні швидкості поширення в клітинах Геле-Шоу виявляються завжди швидше, ніж швидкість ламинарного полум’я, як правило, з коефіцієнтом 3. Ці результати показують, що навіть при дифузно стабільних сумішах, при мікрогравітація змін теплового розширення і в’язкості по всій передній призведе до нестабільності полум’я. Ці результати також показують, що поведінка поширення полум’я в вузьких каналах, такі як обсяги щілин в попередньо змішаний заряді двигунів внутрішнього згоряння (джерело більшість незгорілих викидів вуглеводнів) може бути вельми відрізняється від виведено з простих експериментів ламинарного полум’я.

Характеристики полум’я в клітинах Геле-Шоу. Ліворуч: прямі зображення (полум’я розповсюджується зліва направо). Ширина комірки (вертикальний напрямок у цих зображеннях) 39 см. Довжина клітинки (горизонтальні в цих зображеннях) 60 см, але зображення обрізаються, щоб показати тільки фронт полум’я. Зображення зліва направо: 7.2% CH₄ у повітрі, горизонтальне поширення; 7.1% CH₄ у повітрі, поширення вгору; 7.1% CH₄ у повітрі, поширення вниз; 3.0% C₃H₈ у повітрі, горизонтальне поширення. Праворуч: кореляція швидкості фронту зі зморшкуванням (S_T/S_L) з числом Пеклет.