thumb|Diferite flăcări ale unui bec Bunsen în funcție de excesul de aer. În stânga, un amestec bogat în combustibil, fără suficient oxigen în amestecul inițial, produce o flacără difuzivă, a cărei culoare galbenă este determinată de radiația particulelor de funingine. În dreapta, o flacără „săracă”, unde combustibilul este amestecat în prealabil cu tot oxigenul necesar arderii, nu produce funingine, iar culoarea albastră a flăcării este produsă de emisia benzii de radicali moleculari. O flacără cinetică este o flacără formată în anumite condiții de curgere în timpul arderii unui unui amestec carburant format din combustibil și oxidant, amestecate în prealabil (înainte de începerea arderii).

Descriere Deoarece combustibilul și oxidantul – reactanții chimici cheie ai arderii – sunt disponibili într-un flux omogen stoechiometric, procesul de ardere, odată inițiat, se susține datorită caracterului său exoterm. Majoritatea transformărilor chimice într-un astfel de proces de ardere are loc în principal într-o regiune subțire care separă gazele nearse de cele arse, frontul flăcării cinetice, care se propagă până când întreaga încărcătură este epuizată. Viteza de propagare a frontului unei flăcări cinetice este cunoscută sub numele de viteza flăcăriiOrdinul Arhitecților din România, viteza flăcării, oar-bucuresti.ro, accesat 2026-08-31, citând SR EN 1991-1-7:2007 (sau viteza de ardereOrdinul Arhitecților din România, viteza de ardere, oar-bucuresti.ro, accesat 2026-08-31, citând SR EN 1991-1-7:2007) și depinde de echilibrul convecție-difuzie-reacție din cadrul flăcării, adică de structura chimică sa internă. Flacăra cinetică este caracterizată ca fiind normală (laminară) sau turbulentă, în funcție de distribuția vitezei în amestecul nears (care furnizează mediul de propagare pentru flacără).

O flacără cinetică este scurtă, transparentă, foarte fierbinte, dar cu capacitate de radiație mică.

Un exemplu de flacără cinetică este o deflagrație, în care frontul de flacără se propagă cu viteze subsonice.Constantin Cârlogeanu, Combustii rapide în gaze și în pulberi, București: Editura Tehnică, 1986

Propagarea flăcării cinetice Flacără laminară În condiții controlate (de obicei într-un laborator), o flacără laminară se poate forma într-una dintre mai multe configurații posibile ale flăcării. Structura interioară a unei flăcări laminare cinetice este formată din straturi în care are loc descompunerea, reacția și oxidarea completă a combustibilului. Aceste procese chimice sunt mult mai rapide decât procesele fizice, cum ar fi mișcarea de rotație a curgerii, prin urmare structura interioară a unei flăcări laminare rămâne intactă în majoritatea cazurilor. Straturile constitutive ale structurii interioare corespund unor intervale specificate pe parcursul cărora temperatura crește de la cea a amestecului nears până la temperatura arderii adiabatice. În prezența transmiterii căldurii și/sau a dispunerii în spațiu sau în condițiile apariției instabilităților intrinseci ale flăcării, gradul de reacție și, prin urmare, temperatura atinsă de-a lungul flăcării pot fi diferite de temperatura arderii adiabatice.

Viteza arderii laminare Pentru o reacție chimică ireversibilă într-o singură etapă, de exemplu flacăra plană are o expresie explicită pentru viteza de ardere, obținută din asimptota energiei de activare când numărul Zeldovici Viteza de reacție (numărul de moli de combustibil consumați în unitatea de volum în unitatea de timp) este considerată a fi dată de ecuația lui Arrhenius,

unde este factorul preexponențial, este densitatea, este fracția masică a combustibilului, este fracția masică a oxidantului, este energia de activare, este constanta universală a gazului ideal, este temperatura, sunt masele moleculare ale combustibilului, respectiv oxidantului, iar și sunt ordinele de reacție. Fie condițiile amestecului nears, mult înaintea flăcării, notate cu indicele și cu cele ale gazelor arse. Atunci se poate defini raportul aer-combustibil pentru amestecul nears ca:

Atunci viteza de ardere laminară a flăcării plane pentru amestecul bogat în combustibil () este dată de: Williams, F. A. (2018). Combustion theory. CRC Press. Linan, A., & Williams, F. A. (1993). Fundamental aspects of combustion.

unde

și

Aici este conductivitatea termică, este capacitatea termică masică la presiune constantă și este numărul Lewis. Similar, se poate scrie formula pentru amestecuri sărace Acest rezultat a fost obținut pentru prima dată de T. Mitani în 1980. Mitani, T. (1980). Propagation velocities of two-reactant flames. Combustion Science and Technology, 21(3-4), 175-177. Corecții de ordinul al doilea la această formulă, cu proprietăți de transport mai complicate, au fost obținute de Forman A. Williams și colegii săi în anii 1980. Rogg, B., & Williams, F. A. (1985). Asymptotic analysis of laminar flame propagation with variable transport coefficients. Combustion science and technology, 42(5-6), 301-316. Chelliah, H. K., & Williams, F. A. (1987). Asymptotic analysis of two-reactant flames with variable properties and Stefan-Maxwell transport. Combustion science and technology, 51(4-6), 129-144. Rogg, B. (1986). On the accuracy of asymptotic flame speed predictions for two-reactant flames. Combustion science and technology, 45(5-6), 317-329.

Variațiile vitezei locale de propagare a unei flăcări laminare apar datorită a ceea ce se numește întindere a flăcării. Întinderea flăcării poate apărea din cauza solicitării câmpului exterior de curgere sau a curburii flăcării; diferența dintre viteza de propagare și viteza laminară corespunzătoare este o funcție a acestor efecte și poate fi scrisă ca: Clavin, P., & Graña-Otero, J. C. (2011). Curved and stretched flames: the two Markstein numbers. Journal of Fluid Mechanics, 686, 187-217. Clavin, Paul, and Geoff Searby. Combustion Waves and Fronts in Flows: Flames, Shocks, Detonations, Ablation Fronts and Explosion of Stars. Cambridge University Press, 2016.

unde este versorul normal la suprafața flăcării (orientat spre partea gazelor arse), este câmpul vitezelor de curgere la suprafața flăcării și este divergența la suprafață a vitezei tangențiale ; curgerea fiind incompresibilă în afara flăcării, Mai mult, și sunt cele două numere Markstein asociate cu curbura și deformarea tangențială.

Flacără turbulentă În realitate turbulența este inevitabilă și, în condiții moderate, ea ajută procesul de ardere cinetică, deoarece îmbunătățește procesul de amestecare a combustibilului și oxidantului. Dacă amestecul combustibil nu este omogen, variațiile compoziției pot afecta viteza de propagare a flăcării. În unele cazuri, acest lucru este de dorit, ca în cazul arderii stratificate a combustibililor amestecați.

Se poate presupune că, atât timp cât procesele care determină structura internă a flăcării nu sunt afectate, o flacără cinetică turbulentă se propagă ca o suprafață compusă dintr-un ansamblu de flăcări laminare. În astfel de condiții, suprafața flăcării este încrețită din cauza mișcării turbulente a gazelor, mărind suprafața flăcării. Procesul de încrețire crește viteza de ardere a flăcării cinetice turbulente în comparație cu cea a flăcării laminare.

Propagarea unei astfel de flăcări cinetice poate fi analizată folosind ecuația câmpului: Williams, F. A. (1985). Turbulent combustion. In The mathematics of combustion (pp. 97-131). Society for Industrial and Applied Mathematics. pentru un scalar :

care este definită astfel încât seturile de niveluri ale lui G reprezintă diversele interfețe din cadrul flăcării cinetice care se propagă cu o viteză locală Totuși, acest lucru nu se întâmplă de obicei, deoarece viteza de propagare a interfeței (cu reveniri în amestecul nears) variază de la punct la punct datorită întinderii aerodinamice induse de gradienții din câmpul de viteză.

Însă în alte condiții structura interioară a flăcării cinetice poate fi complet perturbată, determinând stingerea flăcării fie local (cunoscută sub numele de extincție locală), fie global (cunoscută sub numele de extincție globală sau „suflare”). Astfel de cazuri influențează funcționarea dispozitivelor practice de ardere, cum ar fi motoarele cu aprindere prin scânteie, precum și sistemele de postcombustie ale motoarelor de aeronave. Prezicerea măsurii în care structura interioară a flăcării este afectată de curgerea turbulentă este un subiect de cercetare extinsă.

Configurații ale flăcărilor cinetice Configurația curgerii gazelor amestecate în prealabil afectează stabilitatea și caracteristicile de ardere ale flăcării.

Flacăra becului Bunsen Într-o flacără a unui bec Bunsen se asigură un debit constant care se potrivește cu viteza flăcării, astfel încât flacăra să se stabilizeze. Dacă viteza amestecului combustibil este sub viteza flăcării, flacăra se va deplasa în amonte (adică se va retrage în tub, fenomen cunoscut drept „returul flăcării”) până când combustibilul este consumat sau până când întâlnește un stabilizator de flacără. Dacă viteaza amestecului este egală cu viteza flăcării, frontul de flacără ar fi plat și staționar, la gura becului. Dacă viteza amestecului este mai mare decât viteza flăcării, frontul flăcării devine conic, astfel încât componenta normală pe frontul de flacără a vectorului vitezei amestecului va fi egală cu viteza flăcării.

Flacără staționară Se poate aranja viteza amestecului combustibil încât să fie egală și de sens contrar vitezei flăcării. În acest caz frontul de flacără este staționar și flacăra este stabilă.

Flacără sferică În acest caz flacăra este de obicei inițiată de o scânteie în interiorul unui volum de amestec combustibil omogen. Propagarea ulterioară a flăcării are loc într-un front sferic până când se ating pereții vasului de ardere sau amestecul este ars complet, după caz, în funcție de direcție. Este cazul arderii în cilindrii motoarelor cu ardere internă cu scânteie.

Aplicații Întrucât raportul reactanților în amestec poate fi controlat, arderea cinetică oferă un mijloc de a atinge temperaturi scăzute și, prin urmare, de a reduce emisiile de NOx. Datorită amestecării îmbunătățite în comparație cu flăcările difuzive, formarea funinginii este, de asemenea, atenuată. Prin urmare, arderea cinetică a câștigat importanță în ultima vreme. Utilizările cuprind turbinele cu gaze cu amestec sărac vaporizat în prealabil și motoarele cu aprindere prin scânteie.

Note

Vezi și Amestec carburant Flacără difuzivă

Categorie:Ardere Categorie:Foc