燃烧学 第六章课件.ppt

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1、第六章 层流预混火焰传播与稳定,提 纲:,影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据),基本概念,一维层流预混火焰传播模型,火焰厚度,火焰稳定,6.1 基本概念,一、预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧,化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合扩散速度，而与化学反应速度关系不大。,扩散燃烧:（非预混）Diffusion ,动力燃烧:（预混）Premixed,混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化学反应速度（或化学动力因素），而与混合扩散过程关系不大。,燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关。,动力扩散燃烧:,燃烧燃料所需的时间,燃料与空气混合时间,燃烧反应时间,二、火焰传播

2、速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）,火焰前锋：向新鲜混气传播的火焰前沿（薄薄的化学反应发光区，厚度及参数变化梯度）。,火焰传播速度：火焰前锋沿法线方向朝新鲜混气传播的速度（有相对速度的含义，是相对于未燃混气的速度）。,方向：总是从已燃气指向未燃气。,三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。,(矢量形式),四、火焰结构,层流预混火焰坐标系, 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.010.1 毫米左右的狭窄区域 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。,一维层流火焰结构,大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火焰面划分为预热区ph和反应区r,层流火

3、焰速度=,由于缓燃Rayleigh线斜率比爆震Rayleigh线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小得多。,Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层流火焰速度）有关。,五、通过火焰的压降,对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：,忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：,应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，,由理想气体状态方程，,碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在15-40cm/s范围内。,的典型值在5-7范围内，,的典型值等于,由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的压力降与温度增加相比是很小的，因此,。因此,的典型值为：,因此，忽略通过火

4、焰的压力降是很合理的。,层流火焰特点,火焰锋面很薄，通常只有0.010.1mm层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧过程层流火焰传播速度很低， 通常在1m/s以下,绝对速度,气流速度,相对速度,提 纲:,影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据),基本概念,一维层流预混火焰传播模型,火焰厚度,火焰稳定,层流火焰传播的机理有三种理论：,热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜 混气的热传导,扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是 控制层流火焰传播的主要因素,综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传 播可能有同等重要的影响,6.2 一维层流预混火焰传播模型,一、层流

5、火焰传播的热理论内容,反应区,预热区,设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维）假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直如果新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当v0un时（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋。将火焰前锋分为两个区域预热区和反应区。在预热区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等）分区思想。火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。,层流火焰传播的热理论内容,二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）,连续方程,动量方程,能量方程,（6.2）,对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：,化学反应生热量,传导的热流扩

6、散项,混气本身热焓的变化对流项,(2-29),把火焰分成预热区和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。 根据假设，在预热区中的能量方程为:,根据分区近似解法，求Un：,方程(6-2)中的边界条件如下：,假设,，对方程（6-4）从冷边界到xi积分得：,气体冷边界条件:,以及,预热区：,在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：,（6-4）,（6-5）,方程（6-5）的物理解释是：来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进行“预热”，将其温度从Tu提高到Ti。,反应区：,在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量小，因而可以忽略对流项，能量

7、方程（6-2）变成：,方程（6-6）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。,将以上方程从,到,积分得，,（6-6）,到,积分，得,可以看成是反应区中平均反应速率,令在x=xi处，来自方程（6-5）和（6-6）的热通量相等，于是,（6-7）,解方程（6-7），可求出层流火焰传播速度,令,热扩散系数，假设当,对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol，,Ti略小于Tb，于是,式中,（6-8a）,）和,从方程（6-8b）可见，火焰速度,由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得,将以上关系式代入（6-8a）得：,（6-8b）,火焰面控制体,

8、受到扩散输运（通过,反应动力学（通过RR）的影响。层流火焰传播速度与导温系数及反应速度的平方根成正比。也就是说, 是可燃混气的一个物理化学常数。,和,例6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷-空气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学反应机理估计平均化学反应速率。,可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计算,理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（,选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：,解：由简化的预混层流火焰理论可知：,。在简化,），,假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料的平均质量分数分别为：,其中0.2331为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙

9、烷-空气混合物空燃比A/F为15.625。,化学反应速率：,式中,将上述的,和,是平均化学反应速率。a是热扩散系数。热扩散系数,式中,可表示为,把平均温度定义为整个火焰厚度内的平均温度，因为热传导不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此,的值代入层流火焰速度公式得：,提 纲:,影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据),基本概念,一维层流预混火焰传播模型,火焰厚度,火焰稳定,决定层流火焰传播速度的主要因素是混气的化学反应速率和热扩散系数。所以凡是影响化学反应速率和热扩散系数的物理化学参数均会影响层流火焰传播速度。,6.3 影响层流火焰传播速度的因素,化学参数的影响,(1) 混

10、合比（混气成分）的影响,层流火焰传播速度随燃料氧化剂配比而变化，主要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传播速度达到最大。,一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中传播。也就是说，火焰传播有浓度的上下限。 达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？,(2)混气性质的影响：,导温系数增加，活化能减少或火焰温度增加时，火焰传播速度增大。 氧浓度增加，火焰传播速度增大。,几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传

11、播速度见下页。,几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度,Metghalchi和Keck通过实验决定了各种燃料-空气混合物在内燃机和燃气轮机中典型的温度和压力下的层流火焰传播速度,给出如下经验公式:,层流火焰传播速度计算公式,式中系数 , , 与燃料类型有关,列于下表中。,式中的系数,式中温度和压力的指数 是当量比 的函数,可以表示为:,根据以上给出的公式和系数,我们能够计算出不同初温和初压下的层流火焰传播速度。,氢-空气的层流火焰速度,氢的最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1）处,氢的最大火焰速度为280 cm/sec,甲烷-空气的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系,烷烃最大火焰

12、速度在稍富的混合物（=1.1）,烃-空气的层流火焰速度,对于乙烯和乙炔，最大火焰速度分别为=1.2和=1.4处,乙炔的最大火焰速度为160 cm/sec,丙烷-空气混合物的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系,烷烃最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1）处,惰性物质或添加剂的影响：,惰性物质，一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质（热扩散系数）来（明显）影响火焰传播速度。,大量实验证明，惰性物质的加入，将使火焰传播速度降低，可燃界限缩小，以及使最大的火焰传播速度值向燃料浓度较少的方向移动。,甲烷-氧-氮混合物火焰速度,当氧化剂中氧的摩尔分数

13、增加时，火焰速度增加。随着氧化剂中氧的摩尔分数增加，反应速率通过氧的密度和反应温度增加而增加。,物理参数的影响,(1)压力的影响,一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1.52，因此：,(v =00.25),压力对火焰传播速度的影响较小。,一级反应，压力增加，层流火焰传播速度下降；二级反应，与压力无关。,(2)初始温度的影响：,（C=1.52）,初温增加，火焰传播速度增加。,初温 增加 理论燃烧温度 升高 火焰传播速度 增加。,1-C2H4/空气；2-C3H8/空气；3-CH4/空气,(3)火焰温度的影响：,火焰温度增加按指数规律影响火焰传播速度，可见 主要受火焰温度影响。,淬熄距离,根据火焰传播的临

14、界条件可得出：,淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比。,淬熄距离 ：当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火 焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰 便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离 。,淬熄距离与混气浓度的关系,温度对淬熄距离的影响,提 纲:,影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据),基本概念,一维层流预混火焰传播模型,火焰厚度,火焰稳定,6-4 火焰厚度,火焰中温度和浓度梯度决定于火焰厚度，因为这些梯度支持火焰的扩散过程。,对于大的活化能，TiTb，于是,（6-13）,火焰厚度和火焰传播速度是相互联系的,其定性关系可以从xi处的能量平衡求得。,(6-13),与化学恰当比呈弱函数

15、关系，火焰厚度与火焰,速度成反比。火焰速度与当量比具有一定的函数关系。,热扩散系数,测量的大气压下预混甲烷-空气火焰厚度与公式计算值比较，模型计算值与实验值用化学恰当比混合物归一。,与预热区厚度,反应区厚度,（6-14）,之比如下式所示：,与预热区相比，反应区很薄（火焰厚度 ）,式中n为总的反应级数。方程（6-16）表示火焰厚度随压力减低而增加。对于预混层流火焰结构的大多数实验研究都是在低压（典型的压力低于0.1大气压）下进行的，所以火焰是足够厚的，因而，有很好的分辨率。,（6-16）,(1) 火焰厚度主要取决于它的 与 值 (2) 火焰厚度很薄（仅十分之几或百分之几毫米） 在火焰厚度内完成了

16、： 传热 扩散 化学反应过程 火焰厚度内，温度浓度相差很大，有较大的温度梯度 与浓度梯度，可以保证： 热量很快从化学反应区传出 快速扩散迅速供给反应区反应物 保证火焰以一定的速度传播,例6.3 在一个大气压力下，贫燃丙烷-空气混合物中自由伸展的绝热火焰传播速度为30cm/s，火焰厚度为2mm。如果压力下降为0.25个大气压，求该混合物中自由伸展的绝热火焰传播速度和火焰厚度？,解：,提 纲:,影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据),基本概念,一维层流预混火焰传播模型,火焰厚度,火焰稳定,6-5 火焰稳定,一、火焰稳定的分类,低速气流下的火焰稳定，包括回火和吹熄问题 高速气流下的火焰稳

17、定工程中的火焰稳定 多数属于这种情况,二、火焰稳定条件,注：（1）火焰锋面总是朝着新鲜混气方向传播的（2）火焰传播速度是依据预混气体燃烧而提出的,吹熄,回火,稳定,1、火焰稳定的流动必要条件火焰传播余弦定理,为火焰锋面,法向稳定条件余弦定律：,上式说明在气流中，要保持火焰稳定，必须满足火焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条件，这就是米哈尔松火焰传播的余弦定律的实质所在。这是火焰稳定的流动必要条件。,切向稳定条件：,有一个稳定的点火源。,锥形火焰稳定条件：1、余弦定律；2、稳定的点火源。,火焰稳定的热力必要条件：火焰锥根部存在稳（固）定、连续、强大的点火源，以便不断地点燃根部的可燃混合气

18、。,2、火焰稳定的热力必要条件稳定的点火源,气流流速增大,气流流速减小,气流流速增大,气流流速减小, 当气流速度增加时， 增大，火焰拉长 当气流速度减小时， 要减小，火焰将变短 在一定的气流速度变化范围内，火焰前沿将会在新的条件下稳定下来。, 火焰底部不和喷嘴出口重合，存在向外突出的一 个区域，以及靠近壁面有一段无火焰区 如采用收敛管，火焰形状将接近正圆锥形，上述 特点仍存在,本生灯火焰外形特征：,注意：各处的火焰传播 速度不一定相 等， 应视混气成分及热 积累而定。,流动上：,低气流速度下的火焰稳定余弦定理， 角度自发调节,2. 高气流速度下的火焰稳定建立回流区 人为,三、回流区流谱和稳定火

19、焰机理,1、回流区的建立,加力燃烧室中回流区的形成,（1）扰流器的作用,（2）离心喷嘴刚喷出的油膜,（3）油膜破裂后的散射,主燃烧室中回流区的形成,2、回流区流谱,顺流区、逆流区、过渡区,顺流区边界,零速线,顺流区,过渡区,逆（回）流区,3、回流区火焰稳定原理,4、火焰稳定理论,两种：能量理论； 特征时间理论。,能量理论认为：混气受回流区高温燃气的加热，达到着火温度而使火焰保持稳定，如果回流区传给可燃新鲜空气的热量不足以使混气达到着火温度，则火焰熄灭。特征时间理论认为：火焰稳定性取决于两个特征时间新鲜混气在回流区外边界停留的时间 及点燃新鲜混气所需的感应期 ；若 ，则火焰可以稳定，反之， ，则火焰就会熄灭。,由以上两理论所得的稳定性准则结论基本相同：稳定器尺寸 ，混气温度 ，混气成分接近化学恰当比，混气压力 ，等均能在较高的流速下保持火焰稳定。,四、常见稳定火焰的方法,谢 谢！,