Εισαγωγή

Όλες οι φωτιές εμπεριέχουν άντωση, η οποία καθορίζει το ίχνος της ροής και τη φύση της φλόγας. Αυτό το ίχνος της ροής καθοδηγεί την ανάπτυξη της φωτιάς και απορροφά τη παροχή αέρος. Είναι επίσης υπεύθυνο για τα χαρακτηριστικά της φωτιάς που ξεκινούν από τη φωτιά. Ακόμη και υπό συνθήκες αέρος, η άντωση παίζει σημαντικό ρόλο στη συμπεριφορά της φωτιάς. Σ' αυτό το κεφάλαιο θα εξετάσουμε τη συμμετρική φωτιά επί οριζόντιας επιφάνειας (πάτωμα). Αυτό το είδος φωτιάς συνήθως καλείται επίπεδη φωτιά, αντιπροσωπευτική της διαρροής καύσιμης ύλης. Δεν παρουσιάζονται επιδράσεις του αέρος. Όμως, ήπιες επιδράσεις του αέρος (1 m/s) μπορούν σημαντικά να διαφοροποιήσουν τον προσανατολισμό των φλογών, ενώ οι περιστροφικές ροές μπορούν να προκαλέσουν δίνες φωτιάς (περιστρεφόμενες στήλες επιμηκυμένων φλογών). Στην επίπεδη φωτιά, εξετάζουμε το ύψος της φλόγας της και τη θερμοκρασία των αερίων της.
Τυρβώδεις Γλώσσες Φωτιάς ("Πύρινες" Γλώσσες)
Μια γλώσσα φωτιάς είναι η αιωρούμενη στήλη φλόγας και θερμών προϊόντων της καύσης που υψώνονται πάνω από μια πηγή καύσιμης ύλης. Η άντωση είναι μια δύναμη που δημιουργείται σε ένα υγρό λόγω διαφοράς πυκνοτήτων. Επειδή η πυκνότητα είναι αντίστροφα ανάλογη της θερμοκρασίας των αερίων, οι υψηλότερες από τον αέρα θερμοκρασίες των πύρινων γλωσσών προκαλούν μια προς τα πάνω δύναμη στα ζεστά αέρια σε σχέση με τον περιβάλλοντα αέρα (βλέπε σχήμα 7-1).

Εάν τα ζεστά αέρια της πύρινης γλώσσας ψυχθούν μέχρι τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος αέρος, η αντωτική δύναμη μηδενίζεται προκαλώντας διακοπή ανύψωσης της γλώσσας. Αυτή η συνθήκη είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό στρ μάτων κάπνας σε δωμάτιο που είναι γεμάτο από καπνούς τσιγάρων και για τις αυξήσεις της ατμοσφαιρικής μόλυνσης λόγω των θερμοκρασιακών αναστροφών.
Καθώς τα ζεστά αέρια ανυψώνονται σε μια αντωτική πύρινη γλώσσα, ο ψυχρότερος αέρας παρακινείται να ρεύσει μέσα σ' αυτή. Αυτή η διαδικασία ροής καλείται προσαγωγή. Ο ρυθμός αυτής της ροής προσαγωγής είναι υπεύθυνος για το ύψος της φλόγας και για τα χαρακτηριστικά της πύρινης γλώσσας. Συνεπώς, η φωτιά εμπλέκεται με τη ροή του αέρα, εξαρτώμενα το ένα από το άλλο.
Η ροή μπορείνα είναι στοιχισμένη (κανονική) ή τυρβώδης. Η στοιχισμένη ροή είναι ήπια και μεθοδική. Η φλόγα του κεριού είναι στοιχισμένη, αλλά η αντωτική της γλώσσας των θερμαινόμενων αερίων γίνεται τυρβώδης ένα (1) πόδι περίπου πάνω από τη φλόγα. Αυτό το γνώρισμα μπορείνα φανεί προβάλοντας τη φλόγα του κεριού σε μια οθόνη με τη χρήση μιας ευθυγράμμισης ακτίνος φωτός δια μέσου της. Το παλλόμενο φως και οι σκοτεινές σκιές της γλώσσας (της φωτιάς) δεικνύουν την ύπαρξη στροβιλισμών υψηλής συχνότητας. Μέσα σε μια στροβιλιζόμενη (τυρβώδη) φλόγα αυτή η κίνηση υψηλής συχνότητας της περιοχής αντίδρασης μπορεί να παράγει ταλαντώσεις εκατοντάδων βαθμών σε ένα σταθερό σημείο. Πάνω σ' αυτές τις υψηλής συχνότητας ταλαντώσεις, μέχρι και 10 κύκλους ανά δευτερόλεπτο (10 HERTZ, Hz), υπάρχουν μεγάλης κλίμακας ταλαντώσεις ως άμεσο αποτέλεσμα της άντωσης και της τριβής του ρευστού. Καθώς η άντωση προκαλεί στη γλώσσα να ανυψωθεί, οι ψυχρότερες γωνίες της επιβραδύνονται και πέφτουν κάτω. Αυτό προκαλεί δίνες, ανάλογες με τη διάμετρο της καύσιμης ύλης, όπως δείχνεται στο σχήμα 7-2.

Αυτές οι δίνες -περιστρέφονται καθώς επίσης και ανέρχονται κατά μήκος των ακμών (πλευρών) της γλώσσας. Είναι γεγονός ότι επηρεάζουν τη προσαγωγή του αέρος.
Οι μεγάλες επιδράσεις των έντονων δινών που παρουσιάζονται σε όλες τις αντωτικές γλώσσες φωτιάς μπορεί να έχουν μια βαθειά επίδραση στο ύψος της φλόγας αυτών.
Καίτοι αυτές οι τυρβώδεις φλόγες είναι φλόγες διάδοσης, ο μηχανισμός διάδοσης, της συνάθροισης της καύσιμης ύλης και του οξυγόνου "επιβαίνει" (μεταφέρεται) επί της τυρβώδους ροής. Οι εξωτερικές δίνες παράγουν έναν ανερχόμενο στρόβιλο μεταξύ των. Υψηλής συχνότητας στροβιλισμός παραμορφώνει την εικόνα, όπως φαίνεται στο όχημα 7-3.

Καθώς αυτή η καιόμενη δίνη ανέρχεται, προεκτείνει (επεκτείνει) τη φλόγα μέχρι η καύσιμη ύλη να σβήσει. Μια νέα δίνη μετά μεταφέρει τη φλόγα στο προηγούμενο ύψος. Ως αποτέλεσμα, η φλόγα μπορεί να ταλαντεύεται από ένα μέγιστο σε ένα ελάχιστο ύψος. Το σχήμα 7-3 δείχνει ότι το μέγιστο ύψος μπορεί περίπου να είναι το διπλάσιο του ελάχιστου (ύψους). Καίτοι το παράδειγμα αφορά σε φλόγιστρο 0,3 m διαμέτρου με μια συχνότητα δίνης 3 Ηz, αυτή η διαφορά υψών είναι χαρακτηριστική των αντωτικών  στροβιλιζόμενων φλογών. Όταν αναφέρουμε το ύψος και τις θερμοκρασίες των γλωσσών φωτιάς, πρέπει να έχουμε υπόψη ότι η φλόγα είναι ασταθής, υποκείμενη σε υψηλή συχνότητα και των χαμηλότερων ταλαντώσεων των δινών. Οι τύποι για το ύψος της φλόγας συνήθως δίνουν μόνο το μέσο όρο αποτελεσμάτων και δεν εξηγούν το λόγο της περιοδικής βίαιης απόσπασης της φλόγας που φαίνεται στο σχήμα 7-3.
Επίσης η συχνότητα του σχηματισμού και διαχωρισμού των εξωτερικών δινών από τη βάση της γλώσσας (της φωτιάς) (καλείται διάχυση στροβίλων) εξαρτάται από τη διάμετρο βάσης της φωτιάς, D. Αυτή η συχνότητα διάχυσης του στροβίλου σε HERTZ, φωτιάς διαμέτρου D σε μέτρα, είναι περίπου         f=1,5/√D                          (7-1)

Μια φωτιά 10 cm θα διαχέει δίνες 5 φορές ανά δευτερόλεπτο, αλλά μια μεγάλη πυρκαγιά δασώδους έκτασης 100 μέτρων θα σχηματίσει μια δίνη κάθε 10 s. To σχήμα 7-4 δείχνει μια φωτογραφία μιας μεγάλης φωτιάς υγρής καύσιμης ύλης (περίπου 10 μέτρα διάμετρο) που επεξηγεί τις δίνες. Παρατηρήστε ότι οι δίνες έχουν μέγεθος συγκρίσιμο με τη διάμετρο (της φωτιάς), όπου ο υψηλής συχνότητας στροβιλισμός έχει πολύ λεπτότερα μήκη κλιμάκων. Η φωτογραφία επίσης δείχνει τον καταποντισμό της φλόγας από μαύρη αιθάλη που μεταφέρεται απ' αυτές τις δίνες προς τις ψυχρότερες άκρες της φλόγας όπου η αιθάλη δεν καίγεται.

Ύψος Φλόγας

Από εδώ και πέρα και για όλο το υπόλοιπο κεφάλαιο θα περιορίσουμε τη προσοχή μας σε συμμετρικές φωτιές από κυκλικές οριζόντιες πηγές καύσιμων υλών. Αυτές καλούνται επίπεδες φωτιές, αντιπροσωπευτικές των διαρροών καύσιμης ύλης. Όμως τα αποτελέσματα μπορεί να προσεγγίσουν άλλα συμμετρικά σχήματα καύσιμων υλών που καίγονται επί πατώματος. Οι γραμμικές φωτιές και οι φωτιές τοίχων έχουν κάποια διαφορετικά ποσοτικά χαρακτηριστικά, όμως προσομοιάζουν ποιοτικά. Επίσης παρουσιάζουμε κυρίως τις τυρβώδεις φωτιές χωρίς επιδράσεις ανέμου και επικροτούμενες από αντωτικές επιδράσεις. Όμως, ας θεωρήσουμε αρχικά μια γκάμα συνθηκών για να δώσουμε μια ποσοτική άποψη.

Αναβλύζουσες φλόγες

Θεωρήστε μια αέρια καύσιμη ύλη να εξέρχεται από σωληνώσεις διαμέτρου D με ταχύτητα εξόδου Ve. Για μια δεδομένη καύσιμη ύλη και μια σταθερή διάμετρο σωλήνωσης, τα αναφλεγόμενα αέρια θα έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση της στοιχισμένης φλόγας καθώς αυξάνεται η Ve, όπως δεικνύεται στο σχήμα 7-5.

Καθώς η ταχύτητα εξόδου αυξάνεται, η φλόγα διατηρείται στοιχισμένη μέχρι ένα μέγιστο ύψος περίπου το μήκος 200 διαμέτρων. Σε υψηλότερες ταχύτητες, η ροή γίνεται τυρβώδης και το μήκος της φλόγας γίνεται σταθερό για μια δεδομένη καύσιμη ύλη και διάμετρο σωλήνωσης. Αυτό το φαινόμενο είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα της διαδικασίας προσαγωγής αέρος. Η βάση για την πρόβλεψη του μήκους της φλόγας είναι ότι η φλόγα "τελειώνει" όταν όλη η καύσιμη ύλη καεί. Επειδή η καύσιμη ύλη παρέχεται στη βάση, το τέλος της διαδικασίας καύσης ελέγχεται από το πόσο γρήγορα ο αέρας προσάγεται καθ' όλο το μήκος της γλώσσας της φωτιάς. Αυτή η κατάσταση δεικνύεται στο σχήμα 7-6.

 

Η ιδιότητα της θερμοκρασίας της τυρβώδους φλόγας

Είδαμε ότι η θερμοκρασία της τυρβώδους φλόγας για επίπεδες φωτιές (πράγμα που )α μπορούσε να δειχθεί και για άλλες διαμορφώσεις φωτιών) είναι σχεδόν μια μέγιστη σταθερά των 800 °C περίπου και είναι ανεξάρτητη της καύσιμης ύλης, ιδιαίτερα για υδρογονάνθρακες. Οι τιμές των αδιαβατικών θερμοκρασιών των φλογών, που υπάρχουν στα διαφημιστικά φυλλάδια, και αφορούν σε υδρογονανθρακούχα καύσιμα που καίγονται στον αέρα, κυμαίνονται χαρακτηριστικά από 1800 °C έως 2000 "C. Γιατί όμως οι τυρβώδεις φωτιές φθάνουν το μέγιστο στους 800 °C ή 1200 "C; Για να καταλάβουμε τον λόγο, πρέπει να καταλάβουμε τι μετριέται και ως εκ τούτου τι αισθάνεται το θερμόμετρο ή άλλη θερμαινόμενη επιφάνεια.
Η αδιαβατική θερμοκρασία της φλόγας είναι η μέγιστη δυνατή θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί για την συγκεκριμένη διαδικασία καύσης. Αδιαβατική σημαίνει απόλυτα μονωμένη· δεν υπάρχει καμία απώλεια θερμότητας από την περιοχή αντίδρασης. Όπως δείχνεται στο Κεφάλαιο 2, η φλόγα του κεριού είναι αντιπροσωπευτική μιας στοιχισμένης φλόγας διάδοσης. Είναι λεπτή και λογικά σταθερή στη θέση της. Επειδή είναι λεπτή, δεν χάνεται πολύ θερμότητα λόγω ακτινοβολίας. Βασικά, θερμότητα χάνεται, λόγω αγωγιμότητας, μέσω των αερίων. Αντίστοιχα, θα περιμέναμε τη θερμοκρασία της να είναι λίγο πιο κάτω από την αδιαβατική θερμοκρασία της φλόγας. Τιμές της τάξεως των 1800 °C έως 2000 "C είναι χαρακτηριστικές τέτοιων στοιχισμένων φλογών. Εάν με ψύξη ή αραίωση η θερμοκρασία της πέσει στους 1300 °C περίπου, μάλλον θα σβήσει. Τότε πώς μπορεί μια τυρβώδης φλόγα να υπάρξει;
Το σχήμα 7-12 δεικνύει την διαδικασία μέτρησης των τυρβωδών και στοιχισμένων φλογών. Ένας πρόβολος σε ένα σταθερό σημείο προσπαθεί να καταγράψει την θερμοκρασία της φλόγας. Η σχετικά σταθερή στοιχισμένη φλόγα είναι ένας εύκολος στόχος για τον πρόβολο θερμοκρασιών. Όμως η τυρβώδης φλόγα δεν είναι! Ένα χαρακτηριστικό ίχνος της απόδοσης (παραγωγής) του προβόλου σε βάθος χρόνου δεικνύεται στο ίδιο σχήμα (7-12). Ο πρόβολος μπορεί να βρίσκεται μέσα ή έξω από τη φλόγα σε οποιαδήποτε πλευρά, του αέρος ή της καύσιμης ύλης. Ακόμη και ένας μικρός πρόβολος (αισθητήριο όργανο) πιθανόν να μην ανταποκριθεί αρκετά γρήγορα στην παλλόμενη φλόγα και έτσι οι αληθείς μέγιστες και ελάχιστες θερμοκρασίες πιθανόν και να μην διαπιστωθούν. Ο μέσος χρόνος ή μέση θερμοκρασία είναι αυτή που αναφέρεται στο σχήμα 7-12 και τι θα καταγράφετε από έναν πρόβολο θερμοκρασιών αργής απόκρισης. Οι 800 "C αντιπροσωπεύουν μια μέσου - χρόνου θερμοκρασία. Εάν μπορούσαμε να βρεθούμε επί της κυμαινόμενης (παλλόμενης) φλόγας, θα μετρούσαμε θερμοκρασίες πάνω 1.300 °C και πιο κοντινές στις στοιχισμένης φλόγας θερμοκρασίες. Παρατηρήστε την θερμική απειλή αυτής της φλόγας που αντιπροσωπεύεται από τη θερμοκρασία του μέσου χρόνου. Αυτή είναι η θερμοκρασία που ένα αντικείμενο εντός ή εκτεθειμένο σε τυρβώδη φλόγα θα αισθάνετο από τη φλόγα αυτή.

Η άντωση παίζει σημαντικό ρόλο στη φύση των πύρινων γλωσσών. Αντίθετα, από τις αναβλύζουσες φλόγες (πίδακες), τα μήκη των αντωτικών τυρβωδών φλογών εξαρτώνται από τους ρυθμούς έκλυσης ενέργειας λόγω της καύσης, Q. Το μήκος της φλόγας για τυρβώδεις επίπεδες φωτιές είναι ανάλογο προς το Q και οι θερμοκρασίες των γλωσσών εξαρτώνται από το z/Q για κάθε ύψος ζ. Οι θερμοκρασίες των στοιχισμένων και τυρβωδών φλογών διαφέρουν, ενώ οι θερμοκρασίες των φλογών δεν εξαρτώνται πολύ από το είδος της καύσιμης ύλης για υδρογονανθρακούχα καύσιμα. Οι μέγιστες θερμοκρασίες των φλογών σε τυρβώδεις φλόγες μετρίου μεγέθους δεν υπερβαίνουν τους 800 °C.
Επειδή οι θερμοκρασίες χαμηλώνουν πολύ γρήγορα μετά την καύση, λόγω της προσαγωγής αέρος, το ύψος της φλόγας είναι μια σημαντική μέτρηση του κινδύνου. Αντικείμενα πάνω από τη φλόγα δεν πρόκειται να αναφλέγουν. Απαιτείται, γενικά, η επαφή με τη φλόγα εκτός των περιπτώσεων της απομακρυσμένης ανάφλεξης από ακτινοβολούσα θερμότητα των πολύ μεγάλων φωτιών.