火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論打印版

1、火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論火焰?zhèn)鞑ヅc穩(wěn)定理論火焰?zhèn)鞑サ幕痉绞交鹧鎮(zhèn)鞑サ幕痉绞娇扇細怏w的火焰正常傳播火焰正常傳播的理論火焰正常傳播速度可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒火焰穩(wěn)定的基本原理和方法不穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ赫袷巶鞑ゲ环€(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ赫袷巶鞑シ€(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ赫；鹧鎮(zhèn)鞑?，爆燃穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ赫；鹧鎮(zhèn)鞑?，爆燃正常火焰?zhèn)鞑フ；鹧鎮(zhèn)鞑? (小于小于30m/s)30m/s)：燃燒產(chǎn)物以自由膨脹的燃燒產(chǎn)物以自由膨脹的方式向管外逸出，管內(nèi)壓力可認為是常數(shù)。由于火焰?zhèn)鞣绞较蚬芡庖莩?，管?nèi)壓力可認為是常數(shù)。由于火焰?zhèn)鞑ニ俣炔淮?，火焰?zhèn)鞑ネ耆揽繗怏w分子熱運動的導(dǎo)熱播速度不大，火

2、焰?zhèn)鞑ネ耆揽繗怏w分子熱運動的導(dǎo)熱方式將熱量從高溫的燃燒區(qū)（即火焰前沿）傳給與火焰方式將熱量從高溫的燃燒區(qū)（即火焰前沿）傳給與火焰臨近的低溫未燃氣體燃料，使未燃氣體燃料著火燃燒。臨近的低溫未燃氣體燃料，使未燃氣體燃料著火燃燒。燃燒的火焰一層層地傳播。燃燒的火焰一層層地傳播。爆燃：爆燃：其火焰的傳播速度超過了聲速，一般可達其火焰的傳播速度超過了聲速，一般可達100010004000m/s4000m/s，爆燃主要是由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮，爆燃主要是由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮而引起的。而引起的?？扇細怏w的火焰正常傳播可燃氣體的火焰正常傳播由于火焰是一層很狹窄的燃燒區(qū)域，燃料的化學(xué)反應(yīng)只在

3、該區(qū)域內(nèi)進行，在這種情況下，可近似地把它當(dāng)作一個數(shù)學(xué)表面。這一表面把未燃的新鮮燃料和燃燒產(chǎn)物分這一表面把未燃的新鮮燃料和燃燒產(chǎn)物分開，而所有的火焰?zhèn)鞑ゼ礊榇吮砻娴膫鞑?。開，而所有的火焰?zhèn)鞑ゼ礊榇吮砻娴膫鞑??；鹧嬲鞑セ鹧嬲鞑?Hndnuimd PHnuuw火焰?zhèn)鞑ニ俣龋夯鹧嫦鄬τ跓o窮遠處的未燃混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣龋夯鹧嫦鄬τ跓o窮遠處的未燃混合氣在其法線方在其法線方向上向上的速度的速度本生燈火焰移動速度本生燈火焰移動速度cosHnVHHLSduwwwdSqwdudSuSPHnuuw火焰前沿移動的正常速度可理解為在單位火焰前沿火焰前沿移動的正常速度可理解為在單位火焰前沿的表面上，其所能燃燒的可

4、燃氣體混合物的流量。的表面上，其所能燃燒的可燃氣體混合物的流量。本生燈火焰移動速度本生燈火焰移動速度2200VVHLqquSrhr本生燈測量的局限性本生燈測量的局限性火焰前沿各處的速度并不一火焰前沿各處的速度并不一致。致。火焰前沿錐體離噴嘴出口有火焰前沿錐體離噴嘴出口有一段距離，并且寬度略大，一段距離，并且寬度略大，火焰速度與噴嘴直徑有關(guān)，火焰速度與噴嘴直徑有關(guān)，直徑越小影響越大。直徑越小影響越大?？扇細怏w混合物中的含氧量可燃氣體混合物中的含氧量影響火焰錐體的形狀。影響火焰錐體的形狀?；鹧嬲鞑サ睦碚摶鹧嬲鞑サ睦碚?用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 澤利多維奇等的分區(qū)近似

5、解法澤利多維奇等的分區(qū)近似解法 火焰?zhèn)鞑サ木_解法火焰?zhèn)鞑サ木_解法 坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的擴散理論）等的擴散理論用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 認為火焰中反應(yīng)區(qū)在空間的運動，取決于反應(yīng)區(qū)認為火焰中反應(yīng)區(qū)在空間的運動，取決于反應(yīng)區(qū)放熱及其向新鮮混氣的熱傳導(dǎo)。放熱及其向新鮮混氣的熱傳導(dǎo)。如未燃的可燃氣體混合物的初速度如未燃的可燃氣體混合物的初速度u0恰好使火焰前沿靜止不動恰好使火焰前沿靜止不動則初速度則初速度u0即為火焰前沿移動的正常速度即為火焰前沿移動的正常速度反應(yīng)區(qū)的溫度分布反應(yīng)區(qū)的溫度分布 一元導(dǎo)熱微分方程 介質(zhì)的連續(xù)性方程 未反應(yīng)區(qū)方程()0

6、PxxddTdTcuQwdxdxdx00 xxuu00()PddTdTcudxdxdx 進行一次積分可得 再次進行積分求解可得0 000()pu cxBTTTT e0:0,0:BdTxTTdxxTT 000()()PdTcu TTdx燃燒區(qū)特征燃燒區(qū)特征將將TB至至Tr之間的區(qū)域稱為燃燒區(qū)。之間的區(qū)域稱為燃燒區(qū)。在整個燃燒區(qū)域中，其可燃氣體混合物的化學(xué)反應(yīng)速在整個燃燒區(qū)域中，其可燃氣體混合物的化學(xué)反應(yīng)速率是不同的?；瘜W(xué)反應(yīng)速率不僅與溫度有關(guān)，還與可率是不同的?；瘜W(xué)反應(yīng)速率不僅與溫度有關(guān)，還與可燃物的濃度有關(guān)。燃物的濃度有關(guān)。u著火處附近，可燃物濃度最大，但溫度較低。著火處附近，可燃物濃度最大，

7、但溫度較低。u燃燒區(qū)末端，溫度雖然很高，但可燃物濃度最低。燃燒區(qū)末端，溫度雖然很高，但可燃物濃度最低。反應(yīng)速率最大的區(qū)域為略低于燃燒溫度附近區(qū)域反應(yīng)速率最大的區(qū)域為略低于燃燒溫度附近區(qū)域-反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)。近似假設(shè)在燃燒區(qū)域內(nèi)的溫度按直線規(guī)律升高近似假設(shè)在燃燒區(qū)域內(nèi)的溫度按直線規(guī)律升高000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT0rBxxTTdTdx0001rBpBTTucTT 0 0wu c0000()()xPBdTcu TTdx假定可燃氣體混合物完全在反應(yīng)區(qū)進行反應(yīng)。假定可燃氣體混合物完全在反應(yīng)區(qū)進行反應(yīng)。 火焰前沿移動的正常傳播速度與氣體混合物的物理常火焰前沿移動的正常

8、傳播速度與氣體混合物的物理常數(shù)有關(guān)。數(shù)有關(guān)。 火焰正常傳播速度隨著差值（火焰正常傳播速度隨著差值（TB-T0）的減小而增加，）的減小而增加，因此如果將氣體預(yù)先加熱后再送入燃燒室，則其火焰因此如果將氣體預(yù)先加熱后再送入燃燒室，則其火焰正常傳播速度就能得以提高。正常傳播速度就能得以提高。000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT火焰正常傳播的理論火焰正常傳播的理論 用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 澤利多維奇等的分區(qū)近似解法澤利多維奇等的分區(qū)近似解法 火焰?zhèn)鞑サ木_解法火焰?zhèn)鞑サ木_解法 坦福特（

9、坦福特（TanfordTanford）等的擴散理論）等的擴散理論澤利多維奇等的分區(qū)近似解法澤利多維奇等的分區(qū)近似解法 火焰分為兩個區(qū)域：預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)?；鹧娣譃閮蓚€區(qū)域：預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)。 對反應(yīng)區(qū)內(nèi)的導(dǎo)熱微分方程的簡化方式處理。對反應(yīng)區(qū)內(nèi)的導(dǎo)熱微分方程的簡化方式處理。00()0PddTdTcuqwdxdxdx00000()()()2()0()rbPbPbTbTddTdTdTcucu TTdxdxdxdxddTdTwqwqdTdxdxdx預(yù)熱區(qū)：反應(yīng)區(qū)：222002()rbTTHpbwqdTuc TT0000bTTbrwqdTTTTT0222002()rTTHprwqdTuc TTn 此式對于此

10、式對于 整數(shù)時，無法得出正確值。但該式可用來分析各種整數(shù)時，無法得出正確值。但該式可用來分析各種因素對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，預(yù)測出火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔荨Ｒ蛩貙鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，預(yù)測出火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊淖兓厔荨?000rSpw TTwc q0010002 !11() exp()()nsHnprrrw qTnEuBc TTTR TT0EnRTwk c e火焰正常傳播的理論火焰正常傳播的理論 用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 澤利多維奇等的分區(qū)近似解法澤利多維奇等的分區(qū)近似解法 火焰?zhèn)鞑サ木_解法火焰?zhèn)鞑サ木_解法 坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的擴散理論）等的擴散

11、理論火焰?zhèn)鞑サ木_解法火焰?zhèn)鞑サ木_解法 利用數(shù)值計算方法直接對層流火焰基本利用數(shù)值計算方法直接對層流火焰基本方程進行迭代求解。方程進行迭代求解。坦福特等的擴散理論坦福特等的擴散理論 認為凡是燃燒均屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在鏈?zhǔn)椒凑J為凡是燃燒均屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中借助于活性分子的作用，使混氣變?yōu)閼?yīng)中借助于活性分子的作用，使混氣變?yōu)槿紵a(chǎn)物。燃燒產(chǎn)物。 對于層流火焰中的某些反應(yīng)，活性物質(zhì)向?qū)τ趯恿骰鹧嬷械哪承┓磻?yīng)，活性物質(zhì)向未燃氣體的擴散速度，能決定火焰速度的未燃氣體的擴散速度，能決定火焰速度的大小。大小。各種理論解法的比較各種理論解法的比較影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因

12、素-過量空氣系數(shù)的影響過量空氣系數(shù)的影響可燃氣體混合物最大的可燃氣體混合物最大的火焰正常傳播速度發(fā)生在火焰正常傳播速度發(fā)生在可燃物濃度比化學(xué)當(dāng)量比可燃物濃度比化學(xué)當(dāng)量比例稍大的混合物中例稍大的混合物中(即過量即過量空氣系數(shù)小于空氣系數(shù)小于1)。最高燃燒溫度也是偏向最高燃燒溫度也是偏向富燃料區(qū)的，火焰中自由富燃料區(qū)的，火焰中自由基基H，OH等濃度較大，鏈等濃度較大，鏈鎖反應(yīng)的鏈斷裂率較少，鎖反應(yīng)的鏈斷裂率較少，因而反應(yīng)速度較快。因而反應(yīng)速度較快。 對于飽和碳氫化合物（烷烴類），其最大對于飽和碳氫化合物（烷烴類），其最大火焰速度火焰速度(0.7m/s)幾乎與分子中的碳原子幾乎與分子中的碳原子數(shù)數(shù)n

13、無關(guān)；無關(guān)； 對于一些非飽和碳氫化合物（無論是烯烴對于一些非飽和碳氫化合物（無論是烯烴還是炔烴類），碳原子數(shù)較小的燃料，其還是炔烴類），碳原子數(shù)較小的燃料，其層流火焰速度卻較大。層流火焰速度卻較大。 差異是由熱擴散性不同所造成，這種熱擴差異是由熱擴散性不同所造成，這種熱擴散性和燃料分子量有關(guān)。散性和燃料分子量有關(guān)。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響 提高可燃物初始溫度可以大大促進化學(xué)反應(yīng)速率，從而增提高可燃物初始溫度可以大大促進化學(xué)反應(yīng)速率，從而增大火焰正常傳播速度。大火焰正常傳播速度。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳

14、播速度的主要因素-混合可燃物初始溫度混合可燃物初始溫度T0的影響的影響 火焰溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧鏈囟葘鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣染哂袠O大影響。具有極大影響。 超過超過2500C自由基濃度自由基濃度大量增加起重要影響。大量增加起重要影響。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-火焰溫度的影響火焰溫度的影響影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-熱擴散率和比壓定熱容的影響熱擴散率和比壓定熱容的影響熱擴散率越大，熱擴散率越大，則火焰?zhèn)鞑ニ俣仍絼t火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇??？臁１葔憾崛菰叫?，比壓定熱容越小，則火焰溫度越高，則火焰溫度越高，相應(yīng)火焰?zhèn)鞑ニ俣认鄳?yīng)火焰?zhèn)鞑ニ俣纫苍娇臁?/p>

15、也越快。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-惰性物質(zhì)含量的影響惰性物質(zhì)含量的影響惰性物質(zhì)的加入惰性物質(zhì)的加入將使火焰?zhèn)鞑ニ賹⑹够鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣冉档?，并向燃度降低，并向燃料濃度較少的方料濃度較少的方向移動。向移動。采用添加劑的主要目的是提高著火溫度及緩和過早著火和爆震的趨勢，添加劑對火焰速度只有輕微的影響。2種燃料性質(zhì)相差不大的混氣互相混合時。若添加劑能改變擴散系數(shù)，則會對火焰速度產(chǎn)生明顯影響。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-添加劑的影響添加劑的影響火焰?zhèn)鞑ソ缦藁鹧鎮(zhèn)鞑ソ缦?對于每種可燃氣體混合物來講，都有火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦?。對于每種可燃氣體混

16、合物來講，都有火焰?zhèn)鞑サ臐舛冉缦蕖?可燃物在混合物中的濃度低于某值而使正常速度為零的濃度值可燃物在混合物中的濃度低于某值而使正常速度為零的濃度值稱為下限，高于某值而使正常速度為零的濃度值稱為上限。稱為下限，高于某值而使正常速度為零的濃度值稱為上限。 接近限值時，火焰的正常傳播速度約為接近限值時，火焰的正常傳播速度約為0.030.08m/s?；鹧嬲鞑ニ俣鹊臏y量火焰正常傳播速度的測量 圓柱管法圓柱管法 定容球法定容球法 肥皂泡法肥皂泡法 粒子示蹤法粒子示蹤法 平面火焰燃燒器法平面火焰燃燒器法可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒 火焰的形狀及其長短對于一定噴燃器形式火焰的

17、形狀及其長短對于一定噴燃器形式而言，主要取決于可燃氣體與空氣在噴燃器中而言，主要取決于可燃氣體與空氣在噴燃器中的混合方法：的混合方法：動力燃燒火焰：預(yù)先混合好的化學(xué)均勻可燃動力燃燒火焰：預(yù)先混合好的化學(xué)均勻可燃氣體混合物的火焰。氣體混合物的火焰。擴散燃燒火焰：氣體可燃物與燃燒所需的部擴散燃燒火焰：氣體可燃物與燃燒所需的部分空氣預(yù)先混合或者不預(yù)先混合的情況下，由分空氣預(yù)先混合或者不預(yù)先混合的情況下，由噴燃器噴出，燃燒所形成的火焰。噴燃器噴出，燃燒所形成的火焰?；瘜W(xué)均勻可燃氣體混合物的動力燃燒化學(xué)均勻可燃氣體混合物的動力燃燒Z動力燃燒的火焰形狀動力燃燒的火焰形狀ROnu0rZr可燃氣體混合物層流運

18、動時任一截面可燃氣體混合物層流運動時任一截面上混合物的速度分布規(guī)律上混合物的速度分布規(guī)律2021rR流出噴燃出口時的速度分布規(guī)律流出噴燃出口時的速度分布規(guī)律2021RrR求得火焰形狀函數(shù)求得火焰形狀函數(shù)22cos()()Hudrwdrdz22HHwudzdru 21HHwdzwudru 火焰形狀火焰形狀300213RHwrzwwRrRuR火炬著火區(qū)長度計算公式火炬著火區(qū)長度計算公式0023BRrHRLzwwu在噴管中心線上具有最大的正常傳播速度在噴管中心線上具有最大的正常傳播速度u火焰錐體內(nèi)部可燃氣體混合物得到預(yù)熱火焰錐體內(nèi)部可燃氣體混合物得到預(yù)熱u在噴管中心軸線上所獲得的活潑中心較其他部分多

19、在噴管中心軸線上所獲得的活潑中心較其他部分多火焰中心線火焰中心線uH=w, 火焰錐體的頂部成為圓形火焰錐體的頂部成為圓形靠近管壁附近氣流速度最小，但是散熱量大導(dǎo)致傳播速度降低靠近管壁附近氣流速度最小，但是散熱量大導(dǎo)致傳播速度降低可燃氣體的擴散燃燒可燃氣體的擴散燃燒擴散火焰：將氣體燃料和空氣分別由噴燃器送入爐膛內(nèi)進行燃燒。火焰的形狀和表面積大小不再取決于火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，而是取決于氣體燃料和空氣之間的混合速度。在層流下，依靠分子熱運動的分子擴散進行混合在湍流下，依靠微團擾動的湍流擴散部分摻空氣的可燃氣體的擴散燃燒部分摻空氣的可燃氣體的擴散燃燒 擴散形式的火焰可以在氣體燃料和部分空氣均勻混合后由噴燃

20、器送入爐膛內(nèi)，支持能夠完全燃燒的部分空氣從火焰的外界依靠擴散來供給燃燒而形成的火焰。 一般將預(yù)先和氣體燃料相混合好的那部分空氣稱為一次風(fēng)；將由外界擴散入的那部分空氣稱為二次風(fēng)經(jīng)過一定的假設(shè)，擴散燃燒的火焰形狀如下所示1ZOr1R2air2Rair1 1空氣過剩時空氣過剩時2 2氣體可燃物過剩時氣體可燃物過剩時氣體可燃物層流工況下火焰長度層流工況下火焰長度22,B TTwRLD22VBqwRLDD當(dāng)氣流流動速度和噴燃器半徑增大時，火焰長度增加當(dāng)擴散系數(shù)增加時，則火焰長度減短湍流工況下火焰長度擴散燃燒的火焰核心的長度隨氣體速度和噴燃器管徑增擴散燃燒的火焰核心的長度隨氣體速度和噴燃器管徑增加而增加，

21、但其增加程度比層流工況下小。加而增加，但其增加程度比層流工況下小。不論氣體的流動工況為層流或湍流，在化學(xué)非均勻的擴散燃燒過程中，其火焰的性質(zhì)在很大程度上取決于氣體的空氣動力學(xué)特性和混合過程的物理因素，而火焰核心的長度基本上與火焰?zhèn)鞑サ恼Ｋ俣葻o關(guān)?；鹧娣€(wěn)定的基本原理 要保證火焰前沿穩(wěn)定在某一位置上，可燃物向前要保證火焰前沿穩(wěn)定在某一位置上，可燃物向前流動的速度等于火焰前沿可燃物傳播的速度，這流動的速度等于火焰前沿可燃物傳播的速度，這兩個速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就兩個速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就靜止在某一位置上。靜止在某一位置上。 當(dāng)預(yù)混氣體流量很小時、使得出口斷面上的流動

22、當(dāng)預(yù)混氣體流量很小時、使得出口斷面上的流動速度總是小于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，火焰就會向管內(nèi)速度總是小于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，火焰就會向管內(nèi)傳播，造成回火。傳播，造成回火。 若流速過高，則會造成吹滅。若流速過高，則會造成吹滅?；鹧娣€(wěn)定的特征火焰穩(wěn)定的特征-火焰根部形狀火焰根部形狀cossinHnsuwwww不斷將火焰前沿帶離噴嘴火焰穩(wěn)定的特征火焰穩(wěn)定的特征-火焰形狀火焰形狀火焰根部呈現(xiàn)點火圓環(huán) 對氣流來說，靠近壁面速度趨于零。 散熱明顯，溫度較低，管壁附近鏈反應(yīng)緩慢，從而火焰?zhèn)鞑ニ俣纫草^低?；鹧骓敳坎怀杉忮F形，一般往往形成一個圓角，這樣才火焰頂部不成尖錐形，一般往往形成一個圓角，這樣才能實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定能實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定火焰穩(wěn)定的特征火焰穩(wěn)定的特征-火焰前沿位置火焰前沿位置動力火焰：動力火焰：穩(wěn)定在穩(wěn)定在 的表面的表面擴散火焰：擴散火焰：穩(wěn)定在過量空氣系數(shù)為穩(wěn)定在過量空氣系數(shù)為1 的表面上的表面上uwcosH火焰穩(wěn)定的基本方法火焰穩(wěn)定的基本方法- -小型點火火焰小型點火火焰把熾熱氣流射入高速的、冷的未燃混合氣中。在兩股氣流的邊界把熾熱氣流射入高速的、冷的未燃混合氣中。在兩股氣流的邊界處進行強烈的熱量和質(zhì)量交換，使冷的未燃混合氣溫度提高。處進行強烈的熱量和質(zhì)量交換，使冷的未燃混合氣溫度提高?；鹧娣€(wěn)定的基本方法火焰穩(wěn)定的基本方法- -鈍體鈍體 氣流繞流過鈍體在其后緣形成了