《扩散火焰资料》PPT课件.ppt

燃烧学7-扩散火焰,火焰分类扩散火焰特点层流扩散火焰湍流扩散火焰,第一节 火焰分类,一 扩散燃烧与预混燃烧概念预混火焰在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰扩散火焰在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应,燃料燃烧所需的时间=m+r燃料与空气混合时间m流动特征时间燃烧反应时间r 化学反应时间Da=m/r,扩散燃烧：m r,m 化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化学反应速度关系不大,预混燃烧：m r,r 混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化学动力因素)，与混合过程关系不大,动力-扩散燃烧燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关,本生灯,一次空气消耗系数1：从底部吸入的空气为一次空气量二次空气消耗系数2：从出口引射所得的空气为二次空气量总空气消耗系数：=1+2,（1）1=0，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射提供，属于扩散燃烧；（2）1 1，从本生灯的底部供入的空气充足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于动力燃烧；（3）01 1,燃烧既有一次空气混合物的预混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动力-扩散燃烧。,(a)1 1，当管中混气为贫油时的动力火焰。此时混气中有足够氧气，不需要从外界获取氧气，故火焰光滑，随着1增大，火焰变长,(b)1=1，化学恰当比下的动力火焰。此时温度高，火焰传播速度快，故火焰高度最短,(c)1 1，富油燃烧，此时混气燃料多而氧气少，故有剩余燃料。此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于1=1的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩散获得外界氧气燃烧而形成，称为扩散火焰，内焰温度较高，外焰则较低,(d)1=0，管中供应的为纯油气。所需氧气全部从外界获得，故为纯扩散燃烧，火焰最长,扩散火焰,层流扩散火焰质量扩散以分子扩散形式实现,湍流扩散火焰质量扩散以气团扩散形式实现,扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数影响不大强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件,第二节 扩散火焰特点,扩散火焰温度低扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解,湍流扩散火焰的稳定性：火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始终“悬挂”在管口。当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄（推举和吹熄）推举：气流速度足够大时，射流火焰会被从管口推举起来，火焰根部与管口距离为推举高度，增大流速，推举高度增加，直至吹熄,第三节 层流扩散火焰,2023/7/15,11,射流火焰的物理描述Burke-Schumann简化理论描述,2023/7/15,12,1.射流火焰的物理描述,层流射流的燃烧与等温射流类似：燃料一边沿着轴向流动一边快速向外扩散，同时氧化剂（如空气）迅速向内扩散。Burke and Schumann(1928)给出了非预混火焰最早理论分析。,Burke-Schumann Flame(BSF)是一种受限的层流气体非预混火焰！术语：Confined Jet,BSF实验台from Prof.J.Y.ChenUC Berkeley,Underventilated flame（欠通风火焰）,2023/7/15,13,(1)Burke-Schumann非预混火焰的两种情况,过通风火焰,过通风火焰,欠通风火焰,过通风火焰,Peclet数 对流/扩散,过通风火焰氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总的氧化剂过量）。火焰靠近圆柱管的中心线上欠通风火焰燃料量超过化学计量值，（即燃料过量），火焰向外壁蔓延,2023/7/15,15,燃料一边沿着轴向流动一边快速向外扩散，同时氧化剂（如空气）迅速向内扩散。在流场中，燃料和氧化剂之比为化学当量比的点就构成了火焰表面。,层流非预混火焰(特征一)：火焰表面定义,过通风非预混火焰,2023/7/15,16,在这里需要注意的是，虽然燃料和氧化剂在火焰处都消耗了，但是产物的组成成分只和的取值有关，因此当量比仍然有意义。产物在火焰表面形成后，就向着内外侧快速扩散。对于富氧燃烧，周围存在着过量的氧化剂，火焰长度Lf可以这样定义：,火焰表面定义,2023/7/15,17,在整个火焰中，发生化学反应的区域通常来说是很窄的，就像图9.4中看到的一样，在到达火焰顶部以前，高温的反应区是一个环形的区域。这个区域可以通过一个简单的实验显示出来，即在本生灯的火焰前面垂直于轴线放置一个金属滤网，在火焰区对应的地方滤网就会受热而发光，就可以看到这种环形的结构。,层流非预混火焰(特征二)：火焰长度定义,2023/7/15,18,在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考虑了。浮力的存在在加快气体流动的同时，也使火焰变窄。由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF/dr的增加，也增强了扩散作用。,层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响,2023/7/15,19,在碳氢化合物的燃烧火焰中，由于经常会有碳黑存在，火焰就可能呈现为橙色或黄色。,层流非预混火焰(特征四)：碳烟Soot的产生,2023/7/15,20,2023/7/15,21,如果有充分的时间碳烟就会在反应区的燃料侧生成 并在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗 由于燃料和火焰停留时间的不同，在燃料侧形成的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被完全氧化 在这种情况下，soot就会冲出火焰而形成碳黑的“翼”，这部分从火焰中出来的碳黑就是我们通常说的说的烟。,2023/7/15,22,图9.6是一个乙烯火焰的照片，在图中可以看到焰舌的右边出现了碳黑翼。,2023/7/15,23,在层流喷射非预混火焰中，还有一个突出的特点，就是火焰长度和初始条件之间的关系。对于圆口火焰来说，火焰长度和初始速度以及管径都无关，但是和初始体积流量QF有关。再由于QF=veR2，不同ve和R的组合也可以得到相同的火焰长度。,层流非预混火焰(特征五)：火焰长度-流量的关联,2023/7/15,24,2023/7/15,25,由此可以看出，火焰长度确实是和体积流量成正比而且还和燃料的化学当量质量分数成反比。这就意味着如果燃料完全燃烧需要较少的空气，那么燃烧的火焰也就较短。,2023/7/15,26,2.简化理论描述,最早的关于层流喷射扩散火焰的理论描述是Burke和Schumann4在1928年发表的。虽然做了很多假设，例如认为速度场在每个地方的分布都是恒定，并且平行于火焰轴，他们的理论也仅能够较为合理地对轴对称（如圆口）火焰的火焰长度进行求解。在此之后，其他的研究者对其理论进行扩展提炼，但一直保留着恒速这一假设。,2023/7/15,27,2-1 基本假设,1、流动为稳定的轴对称层流，燃料由半径为R的圆形喷嘴喷出，在静止的、无限大的、充满氧化剂的空间里燃烧。2、只有燃料、氧化剂和产物三种物质存在，火焰面内部只存在燃料和产物，火焰外部只存在氧化剂和产物。3、火焰表面，燃料和氧化剂按化学当量比进行反应。化学动力学速度无限快，意味着火焰只存在于一个无限薄的薄层里；这就是通常说的“火焰面近似”(Flame-sheet approximation)。4、物质间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。5、热扩散率和质量扩散率相等，即路易斯数（Le=/D）等于1。6、忽略辐射换热。7、只考虑径向的动量、热和物质扩散，而忽略轴向的各种扩散；8、火焰的轴线垂直向上。,2023/7/15,28,“火焰面近似”(Flame-sheet approximation),在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间chem远小于流动特征时间chem transport(或diffusion),火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定（即扩散过程是最慢的、控制反应速度的过程），火焰可以从分开燃料和氧化剂的表面取一个薄层来模拟。,火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。由于chem transport(或diffusion)故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0,2023/7/15,30,2-2 基本守恒方程,质量守恒轴向动量守恒这个方程适用于整个空间，即火焰面内部和外部都适用，并且在火焰薄片处保持连续。,浮力影响,2023/7/15,31,物质守恒 火焰片假设给出了火焰面内、外的产物质量产率()均为零这一条件，所有的化学反应现象都体现在边界条件里面，因此(7.20)可以写作：,产物的质量分数为：,2023/7/15,32,能量守恒（火焰面的前、后）反应放热是边界条件，其中边界为火焰表面。,2023/7/15,33,附加关系和方程归结,状态方程：,5个方程：质量，动量，燃料，氧化剂和能量5个未知的函数：任务艰巨未知的火焰面位置：引入守恒标量表示。,2023/7/15,34,守恒标量的概念,这里我们只讨论其中的两个：一个是下面定义的混合物分数；一个是前面提到的混合物绝对焓。,2023/7/15,35,混合分数：f,Z,在燃料中为1，在氧化剂中为0!,2023/7/15,36,2023/7/15,37,2023/7/15,38,守恒标量能量方程,最原始式子,2023/7/15,39,2-3 新建立的4个守恒方程,a.混合物分数守恒方程(New)b.绝对焓守恒方程(New)c.连续性方程d.动量守恒方程,2023/7/15,40,(a)守恒标量的推导,混合分数：f的边界条件,因为在火焰处f=fstoic，所以只要知道了 f(r,x)的分布，也就能得到火焰的位置。,2023/7/15,41,(b)绝对焓守恒方程,能量方程可以写为：和混合分数一样，h在火焰面也连续，其边界条件如下：,如何构造,2023/7/15,42,(c-d)质量和动量守恒方程,质量守恒轴向动量守恒这个方程适用于整个空间，即火焰面内部和外部都适用，并且在火焰片处保持连续。,2023/7/15,43,我们只需要用守恒量来代替物质组分方程和能量方程，这对连续方程和轴向动量方程没有影响，因此不对前面得到的(9.23)和(9.24)做变换。速度的边界条件和非反应射流的边界条件一样：最后，要确定密度：(r,x),2023/7/15,44,2-4 无量纲方程,在这里，我们使用喷嘴半径R为特征长度，喷嘴出口速度ve为特征速度来定义下面的无量纲空间坐标和速度：,2023/7/15,45,混合分数f（0f1）本身就是一个无量纲变量，可以直接使用。而混合物的绝对焓h具有量纲，对此则做如下定义：注意，在烧嘴出口，h=hF,e 且 h*=1；而在环境中(r),h*=0,2023/7/15,46,再定义如下的无量纲密度，来使控制方程完全无量纲化：其中 e 是烧嘴出口的燃料密度,2023/7/15,47,将这些无量纲变量和参数与其对应的物理量联系起来，再代入前面的基本守恒方程里面，就可以得到下面的无量纲控制方程：连续性,轴向动量,雷诺数和Freud数,2023/7/15,48,混合分数,无量纲焓,2023/7/15,49,上述方程无量纲的边界条件为：,中心线,R无穷远,中心线对称,出口,2023/7/15,50,通过观察这些无量纲控制方程和边界条件，我们可以结论：首先，混合分数和无量纲焓的方程以及边界条件是一样的形式，就是说f和h*在各自的控制方程里的所处的地位是一样的。因此只需要对(9.38)和(9.39)中的一个进行求解就可以了，例如已经解出了f(r*,x*)，那么就可以认为h*(r*,x*)=f(r*,x*)。,2023/7/15,51,附加假设,如果忽略浮力的作用，那么轴向动量方程(9.37)的右边项就为零，这个方程和混合分数以及无量纲焓方程相对比，就只有其中的和后者中的D是不一样的了。如果再假设和D相等，那么问题就可以得到进一步的简化。施密特数Sc定义如下：,如果=D，那么即施密特数为1（Sc=1）。,前面已经做了热扩散率和质量扩散率相等的假设（Le=1）。,2023/7/15,52,忽略了浮力的作用，并做了Sc=1这个假设，前面的轴向动量、混合分数（物质）和焓（能量）方程（9.379.39）就可以用下面这个统一的式子来表达：式中的通用变量=vx*=f=h*，雷诺数Re=eveR/。,2023/7/15,53,状态关系式,为了对上述射流火焰的问题进行求解，需要将无量纲密度*（=/e）和混合分数或其它任何一个守恒量联系起来。为此将引入理想气体状态方程(9.28)，但是这又必须知道各组分的质量分数和温度，因此接下来要做的就是将各组分的Yi和T表示为混合分数的函数，然后就可以得到所需要的函数关系式=(f)了。对于我们考虑的简单系统，在火焰内部只有燃料和产物，火焰外只有氧化剂和产物（参见假设2），需要确定的是下面的状态关系式：,2023/7/15,54,2023/7/15,55,由火焰面的假设（假设3），对于火焰内、火焰面处和火焰外的YF、YOx和YPr，都可以用混合分数的定义将其同f 联系起来，如图9.7所示，其关系为：,2023/7/15,56,火焰内部(fstoicf1),2023/7/15,57,在火焰面上(f=fstoic),2023/7/15,58,火焰外部(0ffstoic),2023/7/15,59,由上面的结论可知所有组分的质量分数都与混合分数成线性关系，如图9.8所示。,2023/7/15,60,为了将混合物的温度表示为混合物分数f的函数，还需要引入热量状态方程(2.4)。像前面几章那样，这里也应用Spalding理论，并做下面的假设：1、所有组分的比热均为常数，并且彼此相等，即cp,F=cp,Ox=cp,Pr cp。2、氧化剂和产物的生成焓均为零，即hof,Ox=hof,Pr=0。这就使得燃料的生成焓和燃烧热相等。,状态关系式-温度分布,2023/7/15,61,将(9.48)代入无量纲焓h*的定义式(9.35e)中，并利用控制方程中h*=f这一相似性，可以得到：,2023/7/15,62,式中用到了 和 这两个焓定义式。通过求解(9.49)，再注意到YF也是混合分数f的函数，就可以得到关于T的状态关系式：,2023/7/15,63,将YF在火焰内、火焰面处和火焰外的表达式（9.44a、9.45a和9.46a）代入(9.50)，就可以得到下面的结论：火焰内部(fstoicf1),2023/7/15,64,在火焰面上(f=fstoic)火焰外部(0ffstoic),2023/7/15,65,温度在火焰面内部和外部均为线性分布，并在火焰面处达到最大值,层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在=1处形成火焰锋面在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度达到最大值，然后向两侧扩散,焰面外侧：空气+燃烧产物焰面内侧：燃料+燃烧产物焰面：燃料与空气的理论浓度为零,层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律,2023/7/15,71,3 火焰高度的影响因素,a)流率和几何形状的影响,图9.9中将圆口燃烧器和不同长宽比的槽形口燃烧器的火焰长度的对比.(各种情况下的喷口面积都相等，因此平均出口速度也都相等)从图中可以看到，圆口燃烧器的火焰长度和燃料的体积流率成线性关系，而槽形口燃烧器的火焰长度对燃料体积流量的变化率呈上升趋势。,1.火焰的弗劳德数都很小，即火焰是受浮力控制的,2.当h/d变大时，火焰会明显地变短,2023/7/15,72,b)影响化学当量的因素,前面得出式子里面，用到了化学当量摩尔比S这个概念，它是用喷射流体和环境流体来定义的：,可以看出，喷射流体和环境流体的化学成分都会影响到S的值。例如，对于纯燃料和用氮气稀释后的燃料在空气中燃烧这两种情况，它们的S的取值就不同。类似的，氧气在环境流体中的摩尔分数也会影响到S。在大多数的应用中，我们关心的主要是下面的几个参数对S的影响。,2023/7/15,73,b-1)燃料类型,对于纯燃料，化学当量摩尔空燃比可以根据简单的原子平衡来计算。对于碳氢化合物CxHy，这个比值根据下面的式子来计算,其中xO2是空气中的氧气摩尔分数。,2023/7/15,74,在图9.10给出了由圆口表达式(9.60)计算得出的氢气、一氧化碳以及含1-4个碳的烷烃的火焰相对长度。(其中的每种情况均具有相同的燃料流率，并都以甲烷的火焰长度为标准)。在这个式子中，认为各种混合物都具有相同的平均扩散系数，这只是一个近似的假设；而对于氢气来说，这个假设根本就不合理。,一氧化碳和氢气的火焰和碳氢化合物的相比要短得多。,2023/7/15,75,b-2)一次风,对一个应用层流射流扩散火焰的燃气设备，通常在气体燃料在燃烧以前都要和空气进行部分预混，这部分预混的空气就是一次风。一次风量一般为完全燃烧所需空气量的40-60，它使得燃烧的火焰变短，防止了碳黑的生成，通常会产生蓝色的火焰。引入一次风量的最大值受到了安全性的限制，如果加入的量过大，就可能超过可燃上限(rich flammabilty)，即此时混合物具备形成预混火焰条件。此时，燃烧中可能有回火现象，当气流速度足够大就可能产生类似Bunsen灯内焰的预混火焰。,2023/7/15,76,一次风量会影响到火焰长度，图9.11中给出了一次风对圆口燃烧器中甲烷火焰长度的影响情况。,一次风量为40-60时，Lf和不加一次风相比，减小了8590。在加入一次风情况下，可以将喷射流体当作是纯燃料和空气的混合物，来计算(9.71)定义的化学当量摩尔比S：,其中pri 是一次风量占所需空气的百分比，Spure是纯燃料对应的化学当量摩尔比。,2023/7/15,77,b-3)氧化剂的含氧量,氧化剂中的含氧量对火焰长度的影响很大，由图9.12中，空气中的含氧量为21，如果氧气含量在此基础上的减少一点，所产生的火焰长度就会大大增加。以甲烷在纯氧中和空气中燃烧为例，前者的火焰长度只有后者的四分之一左右。通过(9.72)来计算碳氢化合物在不同含氧量下化学当量摩尔比，观察含氧量的影响。,2023/7/15,78,b-4)惰性气体的稀释,用惰性气体来对燃料进行稀释，也会影响到化学当量比，从而影响到火焰长度。对碳氢化合物来说，其中dil是燃料流中稀释剂（惰性气体）的摩尔分数。,在射流速度较低时，火焰保持层流状态，火焰前沿面光滑、稳定、明亮、清晰,随着射流速度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此时火焰仍然保持层流,在增大射流速度，顶部开始出现颤动、皱折、破裂，表明端部出现湍流，由于湍流脉动，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短,继续增加射流速度，火焰端部的湍流区长度增加，开始颤动、皱折、破裂的点（转变点）向喷口方向移动，火焰的总高度则明显缩短，直到破裂点靠近喷口。此时火焰达到完全湍流状态，此后破裂点位置不变（或与管口距离略有缩短）、火焰高度趋于定值，但噪音增加,第四节 湍流扩散火焰,扩散燃烧火焰长度的变化规律（1）层流扩散火焰区：火焰高度（长度）与气流速度成正比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰长度增加）；（2）扩散火焰过渡区：火焰高度（长度）随气流速度的增大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流速度越大，层流状火焰长度越短；（3）湍流火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有褶皱和噪音）,火焰高度,根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：（1）自由射流湍流扩散火焰（2）受限射流湍流扩散火焰（3）同心射流湍流扩散火焰（4）旋转射流湍流扩散火焰（5）逆向射流湍流扩散火焰,相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长度和半径的经验公式,