火焰传播和火焰稳定性课件.ppt

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1、火焰分类,预混合火焰锥体,按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰,移动火焰,基本概念,层流火焰火焰面通过热传导和分子扩散把热量和活性中心提供给临近尚未燃烧的预混气体薄层，使火焰传播下去。湍流火焰火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运是依靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动状态支配。,层流火焰 湍流火焰,按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰,火焰前沿（前锋、波前）,新鲜混气,火焰前沿,已燃的区域和未燃的区域之间形成的分界线,特征尺寸极薄，可看成几何面,发光的火焰层，化学反应区,火焰的传播速度,已燃气,未燃气,n,dn,火焰的传播速度： 火焰前锋沿其法线方向相对于新鲜混合气移动的速度。,平面火焰的传

2、播方式,正常火焰传播速度（缓焰波）,预混气,不正常火焰传播（爆震波）,层流火焰传播理论,层流火焰传播理论分为： 热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区向预热区的热量交换的传热过程。 扩散理论:火焰传播过程取决于活性中心浓度的扩散过程。 实际中两种机制同时起作用。,火焰结构及其特征,Cf,0,T0,Ti,Tm,火焰前锋驻定,u0=uLTm,Cf,0,up,Tm,w,火焰结构及参数分布示意图,Cf00,火焰结构及其特征,火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反应区前沿厚度很小，但温度梯度和浓度梯度很大，存在强烈的热传导和物质扩散火焰前沿在预混气中移动，是由于反应区放出热量不断向新鲜混合气传递及新鲜混合

3、气不断向反应区中扩散。,燃烧前沿的导热微分方程,对于绝热条件，火焰面的边界条件为,能量微分方程为：,层流火焰传播速度uL表达式（1）,在预热区：,反应速度W近似为零,积分后：,泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解,边界条件：,层流火焰传播速度uL表达式（2）,在反应区：反应区温度升高所消耗的能量近似为零,积分后：,边界条件：,层流火焰传播速度uL表达式（2）,拐点处：,则求得传播速度为：,层流火焰传播速度uL表达式（3）,因为预热区反应速度很小,因为反应区温度变化不大:,火焰传播速度为：,层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关,在固定火焰、稳定燃烧条件下：,导入热量,获得热焓量,火

4、焰传播速度,宏观角度分析：,选定燃料的火焰速度计算公式,往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验公式：,参考温度下：,式中：,时：,例题：针对下述几种工况，对汽油空气混合物在 下的层流火焰速度进行比较：（1）参考状态：（2）典型的电火化点火的条件，即： （3）条件与（2）相当，但有15的废气回流量。,影响火焰传播速度的因素,燃料、氧化剂性质及其混合比压力初始温度添加剂,燃料、氧化剂性质及其混合比影响,燃料种类 火焰传播速度不同是由于燃料的热物理性质和化学反应性质不同造成。,常用燃料层流时的火焰传播速度（=1）,燃料浓度的影响,火焰传播只发生在一定浓度界限内,燃料气过贫或过富，火焰都无法传

5、播。在火焰传播浓度界限之外，传播速度等于零。 两者都在化学恰当比浓度XFS附近达到最大火焰传播速度。氢气预混气比一氧化碳预混气的火焰传播浓度界限要窄得多。,压力的影响,压力对火焰传播速度的影响取决于反应的压力指数（n-2)/2,压力指数对uL的影响,初始温度的影响,初始温度提高,实验结果,m=1.52,经验公式,cm/s,预热到着火的时间缩短燃烧反应带温度提高反应速度加快气体导热系数增加 气体密度减小。,火焰传播速度增大,添加剂的影响,活性添加剂（H2） 火焰传播界限和火焰传播速度随活性添加剂浓度改变而发生明显变化。惰性添加剂（CO2、N2、He） 火焰传播速度减小，火焰传播界限缩小，火焰传播

6、极限向燃料浓度减小方向偏移。催化剂（铂、钯、铯） 加入混合气中对火焰传播速度有明显的影响。,加入H2对CO预混气uL的影响,加入CH4对CO预混气uL的影响,活性添加剂,惰性添加剂,加入N2对甲烷uL的影响,加入CO2对甲烷uL的影响,0%N2,50%N2,58.8%N2,0%CO2,25%CO2,32.1%CO2,催化剂的影响 CO/空气反应中加入水蒸汽： 干CO/空气： 潮湿CO/空气：,层流火焰传播速度的测量方法,肥皂泡法球弹法平面火焰法本生灯法,测定方法分类,移动火焰测定法,驻定火焰测定法,测定方法：,肥皂泡法,实际火焰传播速度公式：,其中,缺点：,并非所有混气适用受水分影响实现困难,

7、移动火焰测量法,球弹法,火焰传播速度,优点,可测定不同压力下、温度下的以及高压情况下的火焰传播速度,只适用火焰传播速度快的混合气,移动火焰测量法,平面火焰法,驻定火焰测量法使用专门的火焰烧嘴火焰传播速度等于气流速度测量的结果准确适用于火焰传播速度较低的预混气体。,网格,平面火焰,整流网,预混气,惰性气体,本生灯法,平均的层流火焰传播速度：,或者,驻定火焰测定法,湍流火焰传播,不同燃烧速率时湍流火焰表面,窄缝燃烧湍流火焰表面,层流火焰和湍流火焰的不同,湍流火焰传播,特点：,层流火焰,湍流火焰,湍流使火焰面变弯曲，增大反应面积湍流加剧了热和活性中心的输运速率，增大燃烧速率湍流缩短混合时间，提高燃烧

8、速率湍流燃烧，燃烧加强，反应率增大,预混气火焰传播速度的实验结果,Re2300,实验图形,，层流状态,2300Re6000,，小尺度湍流火焰,6000Re18000,，大尺度湍流火焰,1）邓克尔实验,小尺度,大尺度,返回,3) 达郎托夫经验公式,预混气火焰传播速度的实验结果,2）博林杰威廉姆斯经验公式,预混气火焰传播速度的实验结果,湍流火焰传播经验公式总结：,湍流火焰传播速度影响因素： 混合气性质、浓度、初温、初压，流动状态,湍流火焰传播速度：,湍流火焰传播理论,皱折表面理论 湍流脉动火焰面皱褶变形燃烧反应表面积增大燃烧速度增大湍流火焰传播速度增大 实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。容积扩

9、散理论。 湍流混合强度决定了火焰传播速度。 实质：湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。,皱折表面理论,层流及湍流火焰前锋示意图：,1）小尺度湍流火焰传播速度模型,湍流火焰传播速度：,层流：,湍流：,湍流扩散系数（涡粘性系数）：,邓克尔用本生灯湍流火焰实验证实了此式。,皱折表面理论模型,2）大尺度弱湍流火焰传播速度模型,进一步发展的小尺度湍流火焰传播速度模型,皱折表面理论模型,3）大尺度强湍流火焰传播速度模型,4）达朗托夫假定,气团l0,火焰速度uM=uL+u,气团尺寸减小l,火焰速度变为uL,皱折表面理论模型,火焰向气团内部的传播速度：,与实验结论,相吻合。

10、,容积扩散理论,湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。,湍流混合强度决定了火焰传播速度。,湍流两种燃烧模型判据,表面燃烧模型保持了层流火焰前锋的基本结构，燃烧表面积增大。解释弱湍流。,容积燃烧模型混合气微团受到脉动的冲击，表面燃烧已不存在，而是微团整体的反应。解释强湍流。,判据K定义：,大尺度弱湍流：,皱褶表面理论起主要作用,大尺度强湍流：,容积燃烧理论起主要作用,大尺度较强湍流：,两个理论都可以用,火焰的稳定性,火焰稳定概念： 没吹熄（脱火），没回火； 火焰区位置和体积稳定。主要内容： 火焰稳定的条件 稳定火焰的方法,一维平面火焰稳定的条件,w0=uL,火焰

11、驻定,w0uL,产生回火,w0uL,产生吹熄（脱火）,火焰稳定条件,本生灯口层流火焰稳定机理,本生灯火焰特点： 外凸边缘火焰 穿透距离（熄火距离） 径向火焰传播速度不同 wn0最大，uL0最大 wnr最小，uLr最小,圆顶,凸缘,圆顶,凸缘,本生灯口层流火焰稳定机理,米海尔松顾己定律或余弦定律,切向速度,火焰微元段速度分析,圆锥形火焰自动稳定机理,1）管口0-0截面：,2）1-1截面 ：,3）2-2截面 ：,4）3-3截面 ：,点火热源区分析,圆锥形火焰自动稳定机理,区域收缩、火焰上移,区域拉长、火焰下移,点火热源区收缩为零，出现吹熄,点火热源区进入喷嘴内，出现回火,回火和脱火的临界条件（1）

12、,体积流量：,喷嘴出口流速分布：,径向速度梯度：,回火和脱火的临界条件（2）,临界吹熄梯度GcrA,临界回火梯度GcrB,临界吹熄流量VcrA,临界回火流量VcrB,火焰吹熄,火焰回火,回火和脱火的临界条件（3）,1）吹熄临界极限比较陡峭,脱火区,火焰稳定区,回火区,边界速度梯度,G0,0.7,0.8,1.4,5000,500,102,燃气相对浓度（1/）,1.0,1.2,2) 富燃料混合气稳定燃烧的工作范围较大,CH4/AIR混气火焰稳定特性,3) 化学当量比附近，混合气最 容易回火，其临界速度梯度GcrB,4) 混合气浓度确定，一固定喷嘴，回火临界梯度是一个常数,回火与脱火的临界条件,天然

13、气/空气在不同喷嘴孔径时的回火特性曲线,讨论：,d0 ,易回火， GcrB ,d0 ,不易回火， GcrB ,d0 =const,Cf Cfs,GcrB ,d0 =const,GcrB ,回火,Cf Cfs,Cf Cfs,最易回火,GcrB Max,回火与脱火的临界条件,讨论,天然气/空气在不同喷嘴孔径时的吹熄特性曲线,熄火,d0 ,不易吹熄， GcrA ,d0 ,易吹熄， GcrA ,d0 =const,Cf ,GcrA ,防止回火的办法,基本方法,1）喷口处的UL ,2）混合气在喷口处w ,具体措施：,1）减小喷嘴孔径,大d0多个小d0，GcrB ,2）冷却喷嘴头部,T壁，T混合气，UL

14、,3）减小混合气的1,Cf偏离Cfs，Cf UL ,4）改进喷嘴结构和材料：,外散热好,内散热不好, T混合气,5）保持较高的喷嘴内压力,6）采用扩散燃烧,1 0,w ,高速混合气流的火焰稳定,稳定火焰的方法,钝体稳焰，旋转射流或逆喷射流稳焰，值班火焰稳焰，突扩通道或偏转射流稳焰,钝体稳焰的机理,钝体稳焰器,钝体：高速气流中放置的非流线型物体,不同截面形状的钝体稳焰器,钝体稳焰的机理,回流区：截面上轴向速度为负值的区域,环流区：回流区 外侧的顺流区,钝体稳焰理论能量理论(1),能量理论,回流区点火热源提供的能量：,混合气燃烧吸收的能量：,速度梯度G,钝体稳焰理论能量理论(2),讨论：,表明混合

15、气消耗能量与提供能量之比,取决于混合气性质与燃烧反应条件,Qs/Qr ，,维持火焰稳定所需要的能量,Qs/Qr 临界值，,火焰就熄火,Qs/Qr 临界值,VcrA，wcrA,反应级数n=2,T=const,P=const,特征时间理论：,钝体稳焰理论特征时间理论,s新鲜混合气在回流区外边界停留的时间,i新鲜混合气点燃过程的感应期, S i,混合气被不断加热，火焰才能稳定住, S临界值,火焰将熄灭,火焰稳定取决于两个特征时间的相对大小。,讨论,钝体稳焰理论特征时间理论,能量理论与特征时间理论的稳定性准则关系式基本相同,回火和熄火都与速度梯度有关系,P，T=const, d ,有利于火焰稳定,燃料

16、浓度化学当量比浓度,有利于火焰稳定,i,P，T,有利于火焰稳定,影响钝体稳焰的因素（1）,1）燃料 性质以及可燃混合气的成分,CfCfst, uB最大,uL大的燃料,2）可混合气温度、压力,T uL uB ,uB T 1.21.76，uB P,3）主流速度与湍流程度,主流速度与湍流速度的增加都不利于火焰的稳定,影响钝体稳焰的因素（2）,4）钝体型式以及尺寸的影响,不同截面形状的钝体稳焰器,非线性程度增加，火焰稳定界限加宽,影响钝体稳焰的因素（3）,5）燃烧室形状和尺寸,适当增加阻塞比，,加长燃烧室会缩小火焰稳定界限,5）声学效应,增大噪声强度，对火焰稳定性有不利影响,高速气流中的火焰稳定的其他方法,1.旋转气流装置（旋流器）稳焰,旋转气流中的速度分布,旋转气流装置,带切向进气圆桶旋流装置,旋转气流装置（旋流器）稳焰,叶片式旋流器,环状旋转气流的流型,旋流强度弱,旋流强度强,开放气流型,全扩散气流型,常采用,不常采用,突扩、偏转和凹壁结构稳焰,高速气流中的火焰稳定的其他方法,回流区,回流区,回流区,带孔圆筒稳焰（罐式火焰稳定器）,高速气流中的火焰稳定的其他方法,逆向射流稳焰,高速气流中的火焰稳定的其他方法,值班火焰,主火焰,Thanks a lot for your attention,