燃烧传播过程课件.ppt

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1、点火理论的主要内容,首先使点火源附面层内气体着火,存在着火焰传播过程,点火温度高于着火温度,影响燃烧室内预混气体燃烧稳定的主要因素,初始温度,发热量,高温烟气回流,散热情况,影响扩散燃烧的稳定影响因素,混合程度,燃 烧 学,第 十二讲 燃烧传播过程,概述,本章讨论预混气中火焰传播与稳定根据气流流动情况，预混气中火焰传播分为：,层流火焰传播（层流燃烧）湍流火焰传播（湍流燃烧）,要求：掌握层流火焰、湍流火焰的概念，影响火焰、湍流火焰传播的因素与规律；掌握本生灯的工作过程及其火焰稳定机理；掌握回流区稳定火焰的机理；了解高速气流中稳定火焰的方法。,燃烧传播过程,着 火,燃料,氧化剂,充分混合,温度T增

2、加,燃烧,稳定燃烧,不稳定燃烧(爆震),燃烧传播,燃烧前沿面的概念及其传播机理,燃烧前沿面,燃烧层,传热,预热层,燃烧层,正常燃烧的传播,着火,传质,燃烧前沿面的概念及其传播机理,燃烧前沿面,当一个炽热物体或电火花将可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量将加热临近层的混合气，使其温度升高至着火燃烧。这样一层层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个混合气。这种现象叫做火焰的传播。,火焰传播的特征：燃烧化学反应不是在整个混合气内同时进行，而是集中在火焰面内逐层进行，传播速度大小取决于预混气体的物理化学性质及气体的流动状况。,燃烧前沿面的概念及其传播机理,爆震(100040

3、00m/s),正常燃烧,(510)d,稳定、等压燃烧每秒几米至十几米,不稳定燃烧、非等压燃烧,由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的-气体膨胀引起的压力波,实际燃烧前沿,可燃混合物连续流动,燃烧前沿位置,气流速度,燃烧前沿传播速度,实际燃烧前沿,如果|u| |w|，则燃烧前沿向气流上游方向(向左)移动,如果|u| |w|，则燃烧前沿向气流下游方向(向右)移动,如果|u|=|w|，则燃烧前沿驻定不动,实际燃烧前沿,实际燃烧前沿,实际燃烧前沿,层流下燃烧前沿的传播速度-正常传播速度uL,紊流下燃烧前沿的传播速度-实际传播速度uT,层流传播速度,紊流传播速度,流体力学,化学动力学,层流与湍流火焰特点

4、,层流火焰：火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。,湍流火焰：火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声。由于脉动的影响，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。,层流火焰传播,层流火焰的内部结构及其传播机理,设：u0 = ul，则火焰锋面驻定。,将火焰锋面可分为两部分：,反应区RR,预热区PP,层流火焰传播,层流火焰的内部结构及其传播机理,层流火焰传播的机理有三种理论：,热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃的新鲜预混可燃气体区域的热传导，火焰中的化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化引起的。,扩散理论：认为来自反应区的链载体(活化中心如H、OH等)的向未燃的新

5、鲜预混可燃气体区域的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,燃烧前沿正常传播速度,燃烧传播,质量交换,热量交换,化学反应,浓度,温度,导热方程,扩散方程,燃烧传播,火焰前锋(前沿)或火焰波,常压条件下火焰前锋的厚度：10-210-1mm,燃烧前沿正常传播速度,本生灯,德国化学家R.W.本生为装备海德堡大学化学实验室而发明的用煤气为燃料的加热器具。在本生灯发明前，所用煤气灯的火焰很明亮，但温度不高，是因煤气燃烧不完全造成的。本生将其改进为先让煤气和空气在灯内充分混合，从而使煤气燃烧完全，得到无光高温火焰。火焰分三层：内层为水蒸气、一

6、氧化碳、氢、二氧化碳和氮、氧的混合物，温度约300，称为焰心。中层内煤气开始燃烧，但燃烧不完全，火焰呈淡蓝色，温度约500，称还原焰。外层煤气燃烧完全，火焰呈淡紫色，温度可达800900，称为氧化焰，此处的温度最高，故加热时应充分利用氧化焰部分。,燃烧前沿正常传播速度,本生灯的火焰,典型的稳定层流火焰前锋，如果在本生灯直管内的预混可燃气体流动为层流，则在管口可以得到稳定的正锥形火焰前锋。,层流火焰焰峰结构,在焰峰面的两侧是未燃的预混可燃气体和已燃的烟气，在很薄的焰峰面内进行着剧烈的燃烧化学反应和强烈的两类气体混合,燃烧前沿正常传播速度,本生灯测火焰传播速度,动力法：燃气与空气沿着以垂直圆管向上

7、作层流流动进行混合，在到达灯口前混合均匀，气流流速在管内呈抛物线形规律。经过维达辛斯基型面后，速度分布均匀,维达辛斯基型面,a1,内锥为蓝色的预混焰锥，外锥为紫红色的燃烧产物火焰,a1,内锥为蓝色的预混焰锥，外锥为黄色的扩散火焰,燃烧前沿正常传播速度,本生灯测火焰传播速度,动力法：通过测量内锥的层流预混火焰锥来测定正常传播速度,维达辛斯基型面,稳定的火焰面上内锥表面各点的层流传播速度uL与气流速度在焰锥表面法向分速度相等,qV 管内可燃混合气流量r 灯口出口管半径h 火焰内锥的高度,燃烧前沿正常传播速度,本生灯用于测定层流火焰传播速度,当预混可燃气体的性质、组成以及温度和压力一定时，层流火焰传

8、播速度为定值，与气流流动参数无关,燃烧前沿正常传播速度,假设条件,火焰中心化学反应是分子热活化的结果，火焰前沿在空间内的移动取决于已燃气体与新鲜气体之间的热传导，活化中心扩散影响很小，忽略不计,燃烧是简单反应，不是链锁反应，在接近燃烧温度下进行,反应物与燃烧产物均为理想气体，温度场与浓度场相似，质量扩散系数D与热量扩散系数a相等，定压比热为常数，摩尔质量保持不变,反应在等压与绝热下进行，不考虑热扩散和损失,火焰前沿稳定为一静止平面体,预混可燃气体是一维稳定流动，忽略动能变化,燃烧前沿正常传播速度,预热区,反应区,可燃混合物初始温度为T0，最终燃烧温度为TK，反应区与预热区交接处温度为TB,燃烧

9、前沿导热微分方程,反应区dx单元的热平衡关系式：,热量收入：,化学反应放热：,由下游(x+dx)向该单元传入热量：,热量支出：,由该单元向上游传出热量：,dx单元温度升高消耗的能量：,可燃混合物的发热量,反应速度,导热系数,质量流速,平均比热,燃烧前沿导热微分方程,化学反应只是在温度接近于最终燃烧温度的较窄范围内进行，则dq40,边界条件,TTB YY1,TTK YY20,假设化学反应的高温区间为TB-Tk,Y1为通过(T=TB)的热流,正常传播速度,通过(TTB)面的热流,反应区放出的热量,dq40,Y20,正常传播速度近似表达式,qw 单位时间单位体积的反应释热量，即单位体积的释热速度,浓

10、度减小,正常传播速度近似表达式,正常传播速度近似表达式,引入导温系数,化学反应时间,层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比，与平均反应时间的平方根成反比。也就是说，uL 是可燃混气的一个物理化学常数。,火焰厚度与导温系数成正比，与层流火焰传播速度成反比。,正常传播速度影响因素,可燃气体混合物性质,浓度: uL=f(a), 存在一个uL0的浓度范围，与着火浓度范围相吻合。大多可燃混合气的uLmax出现在a=1处。但是如果氧化剂是空气，则uLmax出现于a略小于1，对于碳氢燃料，a约为0.96,密度,导热系数增加，uL增加,发热量,反应速度,热容,正常传播速度影响因素,燃料分子结构的影响,饱和烃

11、的火焰传播速度几乎与分子中的碳原子数无关,不饱和烃的火焰传播速度随分子中的碳原子数增多而减小,碳原子数4， uL剧烈减小,碳原子数4， uL减小缓慢,碳原子数8， uL趋于极限值,混合气体火焰传播速度(最大值)：,惰性气体存在时混合气体火焰传播速度：,同族可燃气体的混合物,1, p2, p3-各单一可燃气体占煤气可燃成分的百分数u1, u2, u3-各单一可燃气体的火焰最大传播速度(最大值)L1, L2, L3-对应于u1, u2, u3的各单一气体的浓度(百分数),正常传播速度影响因素,燃烧温度,可燃混合气的物理性质,正常传播速度计算一,计算以下混合气体的火焰传播速度：,成分换算：总成分减去

12、惰性成分可燃混合成分,计算可燃混合成分的最大正常传播速度：,计算惰性气体存在时混合气体火焰正常传播速度：,正常传播速度计算二,求煤气在25mm管道中最大火焰传播速率：,解:(1)100-18.7-0.3-1.7=79.22H2=38.75/79.22=48.91%; CH4=30.12%; CO=13.73%; C2H4=7.20%(2) 利用(10-11)算出可燃混合物正常火焰传播速度(uL)max=1.75(m/s)(3) 利用(10-12)算出有惰性气体存在时的层流火焰传播速率uL=1.3(m/s),正常传播速度影响因素,富氧程度：,氧化剂中含氧量：,氧化剂中含氧量越高，正常传播速度越大

13、，因此，采用富氧空气或者纯氧燃烧时，可以显著提高燃烧强度。,正常传播速度影响因素,可燃混合物预热到着火温度所需时间缩短,初始温度增加,燃烧反应带的温度提高,反应速度加快,导热系数随温度增加而增加,密度随温度增加减小,n 1.5-2.0,因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多，因此温度对火焰厚度的影响不大。,正常传播速度影响因素,压力的影响,m 刘易斯压力指数,uL50cm/s，m0，puL,50cm/s uL100cm/s，m=0，uL与压力无关,uL100cm/s，m0，p uL ,压力对火焰传播速度的影响较小,压力下降，火焰厚度增加。当压力降到很低时，可以使增大到几十毫米。火焰越厚，火焰

14、向管壁散热量越大，从而使得燃烧温度降低,(b=1.00.75),(m=00.25),正常传播速度影响因素,燃烧传播临界直径,熄灭直径,烟气取样管,在强化冷却系统中，燃烧传播的速度将减小。管子直径越小，相对冷却表面积越大，而且火焰传播时活性中间产物碰壁销毁的机率增大，燃烧传播速度将越小。管子直径小于某一值时，燃烧将不能传播，这一直径为燃烧传播临界直径或者熄灭直径,非绝热系统(冷却壁)下的燃烧传播速度：,紊流燃烧前沿的传播,层流燃烧前沿传播速度,物理性质,化学性质,紊流燃烧前沿传播速度,物理性质,化学性质,流动状态,紊流流动时，流体内传热、传质及燃烧过程大大加强，其燃烧传播速度远远大于层流,紊流火

15、焰的特点,紊流燃烧前沿传播速度uT层流燃烧前沿传播速度uL,前者为后者的40140倍。湍流火焰传播速度不仅与燃料的物理化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度增大，将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。,紊流火焰的反应区厚度T层流火焰的化学反应区L,紊流火焰面紊乱、呈毛刷状、传播过程伴有噪声和脉动,紊流燃烧前沿的传播速度：紊流燃烧前沿法向方向相对于新鲜可燃气体运动的速度,燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧设备的经济性好。燃烧产物内氧化氮(NO)含量少，因而对环境的污染小。,紊流燃烧前沿的传播,紊流传播速度增加的原因：,紊流使得可燃混合气体与燃烧产物快速混合，使火焰成为均匀预混可燃混

16、合物，温度提高，燃烧速度加大。,紊流流动使得火焰前沿变形、皱折，使反应表面增大,紊流脉动使得紊流火焰中的热传导速度和活性物质扩散速度增加，增大了燃烧前沿法向的实际燃烧传播速度,紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,皱折表面理论(邓克尔和谢尔金),容积燃烧理论(萨默菲尔德和谢京科夫),紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,小尺度紊流火焰,大尺度紊流火焰,大尺度弱紊流火焰,大尺度强紊流火焰,根据微团尺寸L和层流燃烧前沿厚度L比较，分为：,紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,小尺度紊流火焰：,Re-23006000，微团平均尺寸L L，火焰前沿尚能保持规则，焰峰表面未发生较大变形，不再光滑，变成波浪状，

17、燃烧区厚度只是略大于层流火焰前沿面厚度。,由于湍流脉动使火焰中的热传导和扩散过程变得比在层流时因分子迁移所引起的热传导和扩散过程更为剧烈，导致火焰传播速度有所增大,紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,邓克尔小尺度紊流火焰传播速度：,物理性质,化学性质,流动状态,谢尔金小尺度紊流火焰传播速度：,物理性质,化学性质,分子输运过程,紊流输运过程,紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,大尺度弱紊流火焰：,Re6000，微团平均尺寸LL微团脉动速度u层流火焰传播速度uL，微团不能冲破火焰前沿面，但是由于微团尺寸较大，从而使前沿面扭曲呈连续皱折状，皱折火焰前沿的任一微元面法向上的传播速度仍以层流燃烧前沿传播

18、速度uL向前推进,由于湍流脉动使火焰锋面皱折变形，表面积增大，导致火焰传播速度有所增大,h 火焰表面锥体高度r 火焰表面锥体底面半径w湍流脉动速度,紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,谢尔金大尺度弱紊流火焰传播速度：,邓克尔：由于紊流脉动促使火焰紊流皱折变形而导致了燃烧面积增大，使得紊流火焰传播速度大于层流，这样大尺度弱紊流火焰传播速度将通过计算皱折表面积来确定,谢尔金：紊流火焰是由无数锥形组成,紊流燃烧前沿的传播皱折表面燃烧理论,大尺度强紊流火焰：,Re6000，微团平均尺寸LL，微团脉动速度u层流火焰传播速度uL，前沿面呈破碎态，不再保持连续的火焰面,A 实验系数，接近于1,紊流燃烧前沿的

19、传播皱折表面燃烧理论,大尺度强紊流火焰：,湍流火焰传播速度与化学动力学因素无关，只取决于脉动速度的大小。,湍流强度很大时：,紊流燃烧前沿的传播容积燃烧理论,大尺度强紊流火焰的厚度为层流火焰的几十到一百倍，湍流气团深入到宽阔的燃烧区内进行着程度不同的反应-容积燃烧理论，以快速的微扩散为主。,紊流燃烧前沿的传播容积燃烧理论,在大尺度强紊流条件下，燃烧的可燃预混气体微团中，并不存在着能够将未燃气体和已燃气体截然分开的正常火焰前沿面，燃烧反应不仅仅局限在火焰前沿面厚度内,在每个湍动的微团中，不同成分和温度的物质激烈混合，并进行着不同快慢程度的化学反应，达到着火条件的微团整体燃烧，没有着火的微团，则在其

20、脉动和其它已燃微团作用下，达到着火条件而燃烧，或与其它微团结合，形成新微团,每个微团以及同一个微团内的各个部分的脉动速度不同，各部分的位移不同，火焰不能保持连续的、很薄的火焰前沿面。,每个湍动的气团内，温度和浓度是均匀的，但是不同气团的温度和浓度是不同的。,DT 湍流扩散度M 分子运动粘度,紊流燃烧前沿的传播紊流火焰传播速度的实验研究,实验测定,传播速度,影响因素,浓度与气流速度的影响：,存在前沿传播的浓度界限和最大传播速度,气流速度增加时，紊流最大传播速度显著增加,紊流燃烧前沿的传播紊流火焰传播速度的实验研究,Re与初始温度的影响：,Re增加，uT明显增加,混合物初始温度对紊流燃烧传播速度的影响和对层流传播速度的影响一样，比较显著,焦炉煤气,城市煤气,紊流燃烧前沿的传播紊流火焰传播速度的 实验研究,Re与管口直径的影响,提高可燃预混气体燃烧速度的措施：,使用uL大的可燃预混气,提高紊流强度,uT /uL = 0.18 d 0.25 Re 0.24,提高混合气体的压力与温度,12 复习题,何谓火焰传播速度？火焰传播的特征是什么？按照气体的流动状况，预混可燃气体中的火焰传播可分为哪几种？层流火焰传播速度(正常火焰传播速度)的主要影响因素是什么？何谓熄灭直径？有何实际应用？湍流火焰前沿传播理论主要有哪些？基本内容和观点是什么？提高可燃预混气体燃烧速度的措施是什么？,