Tematem pracy są zjawiska towarzyszące spalaniu jednorodnej mieszanki, a w szczególności rozprzestrzenianiu się płomienia w ładunku zawirowanym. Praca dotyczy związku ilościowego między parametrami płomienia a parametrami ruchu wirowego, zależności ilościowej między gaszeniem płomieni a składem mieszanki i prędkościami obwodowymi wiru. Opisuje także wielkości składające się na bilans cieplny komory spalania i mechanizm gaszenia płomienia w polu sił odśrodkowych. Badania prowadzono w zbiornikach cylindrycznych (wykonanych ze szkła organicznego - polimetakrylan metylu - "plexiglas"), o średnicach wewnętrznych 90 i 140 mm, szerokościach od 20 do 100 mm, o poziomej osi wirowania. Prędkości wirowania zmieniały się od 0 do 628 s-1, (CH-6000 obr/min). Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że osiowosymetryczne rozprzestrzenianie się płomieni zachodzi przy prędkościach kątowych powyżej w = 30 s-1 (ok. 300 obr/min). W komorach spalano mieszanki gazowe metanu z powietrzem o składach 5.6^10% CH4 i propanu z powietrzem o składach 3-4% C3H8. Przebieg eksperymentu był sterowany układem komputerowym inicjującym powstanie iskry i umożliwiającym rejestrację danych, a obraz rejestrowano kamerą wideo. Eksperymenty prowadzono przy założeniu wstępnego modelu wirowania ładunku zamkniętego w komorze spalania jako ciała sztywnego. Sytuacja taka występuje na początku eksperymentu w czasie wirowania. Słuszność tego założenia zweryfikowano przez wykonane pomiary eksperymentalne. Potwierdzenie uzyskano przez zarejestrowanie szybką kamerą wideo trajektorii świecących cząstek poruszających się prostopadle do osi wirowania komory spalania, a także przez pomiar prędkości gazu w wirującej komorze względem jej cylindrycznej ścianki. Otrzymane wyniki dowiodły słuszności przyjętego założenia początkowego. Zapłon mieszanki, rozprzestrzeniający się płomień i powstałe cyrkulacje ochłodzonych spalin powodują przemieszczanie się gazów oddziałujących na płomień. Analizowano mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia w stałej objętości zamkniętej komory spalania, dla różnych składów mieszanki metan-powietrze i różnych prędkości obrotowych komory. Dla tych zmiennych parametrów określono szybkość przyrostu ciśnienia w komorze spalania, promień i szerokość czoła płomienia. Stwierdzono również, że zwiększenie prędkości kątowej najpierw nieznacznie rozszerza, a następnie redukuje zakres granic palności. Płomienie w ubogich mieszankach, przy wysokich obrotach są szybko gaszone, co uniemożliwia spalenie całej objętości mieszanki. Rozpoczęcie procesu gaszenia płomienia zostaje przyspieszone, gdy mieszanka jest uboga lub prędkość obrotowa wyższa. W oparciu o uzyskane wyniki zestawiono bilans cieplny ładunku spalanego w wirującej cylindrycznej komorze o stałej objętości. Wyznaczono również straty ciepła do ścianki komory, a w oparciu o zmierzone na powierzchni ścianki czołowej rozkłady temperatury, analitycznie zlinearyzowane, obliczono gęstość strumienia ciepła wnikającego do ścianki (plexiglas) dla różnych prędkości obrotowych. Zaproponowano sposoby obliczania strat ciepła drogą przewodzenia, przejmowania i promieniowania. Przedstawiono model początkowego stadium rozprzestrzeniania się płomienia, dla którego uzyskano zadowalającą korelację z wynikami eksperymentalnymi. W trakcie realizacji prac przeprowadzono również pomiary miejscowej temperatury płomienia i spalin w wirującej komorze spalania. Celem tych pomiarów było wyznaczenie profilu temperatury rozprzestrzeniającego się płomienia oraz określenie promieniowego przemieszczania się czoła płomienia w połowie szerokości komory i spalin przy ściance. Otrzymane wyniki, tj. zarejestrowane profile temperatury, umożliwiły jakościową ocenę zachowania się czoła płomienia w wirującej komorze dla różnych składów mieszanki i różnych prędkości obrotowych. Stwierdzono, że grubość płomienia (określona na podstawie profilu temperatury) maleje przy wzroście prędkości obrotowej cylindrycznej komory spalania. Uzyskany rząd wielkości grubości czoła płomienia jest zbliżony do danych prezentowanych przez Andrewsa i Bradleya. W momencie zgaszenia płomienia spaliny "wyprzedzają" płomień, znajdują się na większym promieniu. Kolejnym etapem pracy były badania szybkości rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia w komorze otwartej, przy stałym ciśnieniu i różnych prędkościach kątowych, dla mieszanki metan-powietrze o koncentracji bliskiej stechiometrycznej, oraz dla mieszanek propan-powietrze o różnych składach - od mieszanki skrajnie ubogiej do stechiometrycznej. Na podstawie tych eksperymentów określono wpływ przyspieszenia promieniowego na prędkość spalania laminarnego. Analiza wyników doświadczalnych wskazuje, że dla danego składu mieszanki krytyczne bezwymiarowe przyspieszenie kątowe jest liniową funkcją prędkości kątowej, a iloczyn prędkości kątowej i promienia krytycznego, na którym rozpoczyna się gaszenie płomienia, jest stały dla danego składu mieszanki. Płomień jest gaszony przy określonej szybkości obwodowej. Oprócz płomieni inicjowanych centralnie w osi komory badano również mechanizm rozprzestrzeniania się płomienia w wirującej komorze spalania przy zapłonie inicjowanym z dala od osi obrotu komory spalania, dla bogatych mieszanek propan-powietrze przy różnych prędkościach obrotowych, rejestrując obrazy szybką kamerą. Sfilmowane przebiegi wykorzystano do określenia położenia toru, po którym poruszał się geometryczny środek płomienia. Opisano mechanizmy gaszenia płomienia i zaniku płomienia, których słuszność potwierdziły symulacje komputerowe, a zastosowana metoda cieniowa zdjęć schlierenowskich potwierdziła przyjęty model procesu rozprzestrzeniania się i gaszenia płomienia w wirującej komorze spalania.
The phenomena accompanying homogeneous mixture combustion, in particular flame propagation structure in swirling load of a combustion chamber, are the subject of the paper. The work concerns a quantitative relationship between flame parameters and rotating motion parameters, a quantitative relation between flame quenching and both a mixture composition and centrifugal acceleration. The quantities (elements) involved in a thermal balance of a combustion chamber and in a flame quenching mechanism in a centrifugal forces field are also described. The experimental investigations were conducted in rotating cylindrical combustion chambers made of organic glass with horizontal axis of rotation. The combustion chambers with different inner diameters (90 and 140 mm) and different lengths (from 20 to 100 mm) were used at rotation rates of up to 6000rpm (from 0 to 628 s-1). Gaseous mixtures methane - air (5,6-10% of methane) and propane - air (3-4% of C3H8) were burned in the chambers. A special computer program was used to control an experimental procedure, to initiate a spark-over and to enable data recordings. The photographic records were made with a colour video camera. The experiments were conducted under the assumption of rigid - body rotation of the gas model. The legitimacy of the assumption was verified by experimental measurements. A confirmation was achieved by the recorded (with high-speed video camera) trajectories of radiant particles moving in radial direction in the section perpendicular to the axis of rotation of the cylindrical vessel, as well as gas velocity measurements inside a rotating chamber as regards its cylindrical wall. The achieved results proved the legitimacy of the assumption. A mixture ignition, propagating flame and arising circulation of cooled combustion gases cause gases interacting with the flame to move. During the experiments a propagation mechanism of flame combustion in a constant volume closed chamber was analyzed for different compositions of methane - air mixture and various rotation rates of the chamber. For above - mentioned varying parameters, the pressure increase rate in combustion chamber, as well as the radius and width of flame front, were determined. On the basis of the obtained results, the thermal balance of burned load in a rotating cylindrical vessel with constant volume was put together, as well as heat loss to the wall. Relaying on measured and linearized temperature profiles, heat flux density for heat penetrating cylindrical wall (wall material - organic glass, polymethacrylate methyl) was calculated. Relaying on the obtained results, it was found that axis-symmetrical propagation took place for angular velocities over w= 30 s-1. An angular velocity increase caused at first small extend of the flammability limits and then caused reduction of the flammability limits. Lean mixture flames, for high rotation rates, were quickly quenched, that was the reason of incomplete combustion of gas mixture. The beginning of flame quenching process was advanced, when the mixture was lean or a rotational speed was higher. The calculation methods of heat losses by the way of conduction, convection and radiation were proposed. The model of the initial flame propagation stage was presented, for which the satisfactory correlation with experimental data had been achieved. During the course of the experimental work local flame and combustion gases temperature measurements were done inside a rotating combustion chamber. One of the main purposes of the measurements was to determine temperature profile of propagating flame, as well as to characterize radial flame front propagation (at the half width of the chamber) and combustion gases propagation at the wall. The obtained results, recorded temperature profile (temperature increase rate), made possible a qualitative evaluation of flame front behaviour inside rotating chamber for various mixture contents and for different rotational velocities. A temperature profile was used to determine flame front thickness. It was found that the thickness of flame front decreased when a rotational rate of combustion chamber increased. Obtained order of magnitude for flame front thickness was very similar to the results presented by Andrews and Bradley. Investigations of flame propagation and quenching mechanism in an open vessel, under constant pressure and varying rotational rates, for methane - air mixture with concentration 8.45% and for propane - air mixtures with different compositions (from lean mixture to stoichometric one) were the next step in realization of the project. At the moment, when the flame was extinguished, the combustion gases "overtook" the flame and they were situated at the larger radius. On the basis of experiments done for open combustion chamber, the influence of radial acceleration on laminar combustion velocity was established. The experimental results analysis indicates, that for given mixture composition, critical dimensionless angular acceleration is a linear function of angular velocity, and the product of angular velocity and a quenching radius is constant for a given mixture composition. The flame is quenched at the specific rotational speed. Apart from the flames initiated in the centre of the combustion chamber axis, a flame propagation mechanism in a rotating chamber for ignition initiated far away from rotational axis of combustion vessel, for rich mixtures propane - air at various rotational rates was also investigated with use of recordings from highspeed video camera. The photographic records were used to determine the trajectory of the geometric centre of the flame. The mechanisms of flame quenching and flame disappearance were described. The legitimacy of them was confirmed by computer simulations and applied Schlieren method confirmed the proposed model of flame propagation and quenching in a rotating combustion chamber.
