實驗二 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實驗

1、實驗二 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實驗一、 預備知識1、火焰?zhèn)鞑ズ突瘜W反應(yīng)燃燒發(fā)生了一系列化學反應(yīng)，在這些反應(yīng)中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更多的H或者是分解成更小的碎片。例如，CH4被連續(xù)地轉(zhuǎn)化成CH3，CH2，CH。最初形成的各種氧化的中間產(chǎn)物與燃料中的碳結(jié)合而首先變?yōu)镃O，并且燃料中的氫基變?yōu)镠2，所有的中間產(chǎn)物將接著進一步氧化，再一次通過自由基的作用，而變?yōu)镃O2和H2O?？偀崃康囊淮蟛糠轴尫哦际前l(fā)生在第二階段。這個次序使燃燒具有自持性，且只能夠發(fā)生在高溫下（如1500K以上）。因為只有在高溫下，才能是自由基產(chǎn)生的速率比消耗的速率快，而這對燃料完全變形以及中間產(chǎn)物

2、的氧化是有必要的。當點燃預混燃料時，局部溫度將提高到一個非常高的值，提高了反應(yīng)速率，從而也引起燃料的燃燒，并且釋放出熱量。通過熱傳導把熱量引導到了未燃的相鄰區(qū)域，相鄰區(qū)域的溫度以及反應(yīng)率都提高了，因此燃燒就在那里發(fā)生了。我們知道，熱量的擴散是火焰?zhèn)鞑サ脑?，燃燒波傳播的速度取決于燃燒后的溫度以及未燃混合物的熱擴散性。為了把高溫區(qū)域的自由基傳遞到與之接觸的低溫的未燃混合物中，質(zhì)量擴散也是很重要的；通常質(zhì)量和熱擴散率是相同的。在本實驗中，未燃混合物的壓力和溫度與環(huán)境大氣一致?；鹧?zhèn)鞑ニ俣戎灰蕾囉诨旌衔镏械娜剂?氧化劑的數(shù)量，它們反過來又控制著火焰的溫度。貧油(<1)和富油(>1)的火焰

3、溫度比化學恰當比(=1)時更低因為偏離化學恰當比時多余的物質(zhì)吸收了由可燃燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量。實際上，溫度最大值出現(xiàn)在當量比比1稍大一些的地方，因為產(chǎn)物的比熱容比化學恰當比時稍低。如果混合物過貧，燃氣溫度將太低，而不能產(chǎn)生大量的自由基，因此火焰?zhèn)鞑プ兊貌豢赡?。如果混合物過富，大量的燃料將吸收自由基，因此使燃燒第二階段不能進行。因此，火焰?zhèn)鞑ブ辉谀硞€當量比范圍內(nèi)才有可能，這被稱為可燃極限。對于甲烷空氣混合物，其貧燃極限是=0.53，其富燃極限是=1.6。2、火焰穩(wěn)定性流動中存在鈍體將在其后引起一個回流區(qū)的產(chǎn)生，這是由于在鈍體邊緣發(fā)生了氣流分離。如果流動的是可燃混合物，并且對其點火，那么火焰就將穩(wěn)

4、定在回流區(qū)和自由流之間的剪切層中。這有兩個原因，一是因為在回流區(qū)的湍流邊界層中有質(zhì)量和熱量的交換，它們將熱的燃燒產(chǎn)物帶入回流區(qū)，使之回流到火焰根部，形成一個連續(xù)的點火源；二是因為回流產(chǎn)生了局部低速區(qū)，因此火焰可能在高的自由流速下連續(xù)。回流區(qū)實際上在產(chǎn)生動力的每一個場合都有應(yīng)用：在工業(yè)燃燒器、燃氣渦輪、煤發(fā)電站和加力燃燒室中。它可能是在高速流中穩(wěn)定火焰的唯一的實用的和低成本的方法。最后，當速度過高時，火焰將可能會熄滅或吹熄。一個直接的解釋就是，太高的氣流速度將會提高對流和紊流擴散的能力，將熱從反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移，使溫度下降，因此易于發(fā)生熄火。另一種解釋是，我們提供了太多的反應(yīng)物，我們對火焰“要求太多”。

5、在燃燒理論中，這種情況經(jīng)常被表達成兩種時間尺度的比較：當完成化學反應(yīng)所需要的時間比流體力學情況所允許的時間（例如，在反應(yīng)區(qū)的滯留時間）要長時，就會發(fā)生熄火。包含這些想法的理論是基于良攪拌反應(yīng)器概念，它是實際回流區(qū)穩(wěn)焰的一種理想化模型。根據(jù)這個模型，如果火焰在回流區(qū)的滯留時間太短，使燃燒不能完成，那么火焰將會熄滅。這個滯留時間尺度等于鈍體的直徑除以自由來流的速度U，而化學時間尺度大約等于，其中SL是層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋菬釘U散系數(shù)（等于k/cp ,其中k為導熱率，為密度，cp為比熱，所有的值都取室溫下的空氣的相應(yīng)值）。比率phys / chem叫作Damköhler數(shù)，用Da表示。因此，

6、總的來說，在一個給定的燃燒室中，當Da值低于某臨界值時火焰將會熄滅，該臨界值取決于燃燒器的外形參數(shù)。對于熄火還有其他 一些更復雜的理論，但是對于數(shù)據(jù)解釋，這種理論已經(jīng)足夠了。在本實驗中，通過分別改變氣流流率和當量比，連續(xù)改變著物理和化學的時間尺度?？疾煲幌聦τ阝g體火焰，臨界Damköhler數(shù)的概念是否有效。為了將相應(yīng)理論從值班火焰尺寸的試驗臺推廣到真實尺寸的燃燒器，這個概念在工業(yè)上用得非常廣泛，因此學習如何應(yīng)用這個概念是非常重要的。二、 實驗?zāi)康?、演示火焰?zhèn)鞑ミ^程和測定火焰?zhèn)鞑ニ俣取?、掌握測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牧硪环N方法。三、 實驗設(shè)備火焰?zhèn)鞑ニ俣妊b置（圖1）由火焰?zhèn)鞑嶒炁_架

7、一套，浮子流量計兩個，空氣壓力表、甲烷壓力表各一個，雙向開關(guān)一個，點火開關(guān)一個，甲烷流量調(diào)節(jié)開關(guān)一個，單向電磁閥一個，混合器一個、雙路直流穩(wěn)壓電源一臺，數(shù)字計時器一臺，周圍光源傳感器兩個，強化石英玻璃管一個，有機玻璃保護屏一個，以及支架、點火火花塞、混氣管等組成。圖1 火焰?zhèn)鞑ニ俣妊b置火焰速度傳播實驗：將調(diào)節(jié)好恰當?shù)幕旌蠚饨?jīng)過混合管，輸入到一根長1.5m、直徑25mm的石英玻璃管的一端口上進行充氣，經(jīng)過約70秒管內(nèi)充足混合氣體，便將混合管移至窗外。石英玻璃管的另一端口有一點火器裝置將點燃，燃燒的火焰此時在玻璃管內(nèi)可觀察到火球傳播。沿著火球傳播玻璃管外，放置了兩個相距1.4米、用于感知火焰的周圍

8、光源傳感器，并配以相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗中將記錄火焰面先后通過這兩個傳感器的時間差，然后采用計算出火焰通過這兩個傳感器間的平均傳播速度。四、 實驗原理空氣和燃氣調(diào)節(jié)好當量比被分別輸送進入一個混合管，該混合管連接一個內(nèi)徑為25mm石英玻璃管，用于火焰?zhèn)鞑ニ俣妊菔緦嶒灐１緦嶒炗^察火焰在一個石英玻璃管中的傳播，是屬于層流火焰?zhèn)鞑ミ^程，它的傳播速度是一個定值。通過測量火焰?zhèn)鞑サ臅r間和距離就能算出傳播的平均速度。在這個實驗中，用于感知火焰面的兩傳感器的距離是固定不變的，為一個定值，這里主要測量火焰通過這段距離所用的時間，時間的測量是通過周圍光源傳感器感受到的火焰發(fā)光面信號傳給數(shù)字計時器，記錄這兩個信號

9、間的時間差就能知道火焰通過兩傳感器的傳播時間。五、 實驗步驟1、圖1所示。打開壓縮空氣閥門（空氣壓力0.3Mpa），調(diào)節(jié)減壓閥出來的壓縮空氣符合實驗壓力要求。2、打開甲烷氣罐閥門，調(diào)節(jié)減壓閥（甲烷壓力0.1MPa），符合實驗要求。3、打開控制總開關(guān)，接通電磁閥。4、調(diào)節(jié)浮子流量計使得壓縮空氣和甲烷流量達到當量比為=1的流量。5、將甲烷氣體和壓縮空氣送入混合器，混合器將已知配比適合點燃的混合氣體送石英玻璃管一端中。6、大約經(jīng)過70秒,關(guān)閉甲烷調(diào)節(jié)控制閥，（迅速抽出混合管甩到窗外）管的兩個端口保持堵塞狀態(tài)35秒，以便混合氣體繼續(xù)混合，然后按點火器控制鍵，在玻璃管的另一端用點火電嘴點火。此時可以看見

10、一個火焰面從點火端向另一端傳播。觀察火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象并記下火焰?zhèn)鞑r間。7、記錄兩個傳感器之間的距離S和過數(shù)字計數(shù)器傳過這段距離所用的時間t。8、重復實驗幾次，求平均值。9、關(guān)閉甲烷氣瓶閥，關(guān)閉壓縮空氣閥。10、關(guān)閉電源和數(shù)字頻率計數(shù)器。11、實驗結(jié)束。六、 實驗數(shù)據(jù)處理1、氣體流量由于本實驗所用空氣為壓縮空氣，則其空氣壓力必然會對流量造成一定影響，浮子流量計的讀數(shù)用m3/h表示的體積流量。那么，由公式可知，壓力與體積成反比，用V測 表示實測的流量，可用公式算出常壓下的空氣體積流量Vair。2、當量比對于空氣中的甲烷，化學恰當燃料/空氣體積比為1: 9.542。3、誤差分析氣流速度的誤差大概為&#

11、177;5%，這是由于浮子高度的讀數(shù)誤差以及浮子流量計標定和曲線擬合的誤差。因此在估計計算當量比時的組合誤差同時，還必須估計在測量火焰速度和貧油熄火極限時的誤差，這取決于操作者。火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘞叶桑涸O(shè)氣流與焰鋒法線方向成一夾角，可把氣流分解成兩個分速，一個是與焰鋒表面垂直的法向分速un，一個是與焰鋒表面平行的切向分速uT。前者產(chǎn)生的牽連運動將使焰鋒沿a-b順著焰鋒表面移動。當火焰穩(wěn)定時，這兩個分速引起的焰鋒牽連運動將得到平衡和補償，亦即焰鋒相對于燈口的位置不變。顯然，與法向分速un相平衡的正是當?shù)氐幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萿l，他們的大小相等而方向相反，從數(shù)值上看un=ul。由于所以這就是說，在火焰穩(wěn)定

12、時，迎面氣流速度在火焰前鋒法向上的投影，即法向分速，在數(shù)值上必等于混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，這就是余弦定律。本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎愎剑?令內(nèi)錐表面積為Af，燈管的截面積為At，管內(nèi)的平均流速為Vt，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L就可以用連續(xù)方程來確定。由于錐體表面積Af大于Ar，所以SL必小于Vf。表1 當量比與甲烷、空氣的流量對照表0.60.70.80.91.01.11.21.31.4Vair(m3/h)2.382.041.791.591.431.301.191.11.02VCH4(m3/h)0.15表2 理論的甲烷空氣混合物的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?.80.91.01.081.11.21.31.4SL(m/s)0.300.380.430.450.440.400.310.18七、 實驗注意事項點火前一定要確認將混氣管移出石英玻璃管，并移至到窗外。監(jiān)控人員必須有一名學生專人負責，向點火人員報告能否點火，接到監(jiān)控人員的可以點火指示。點火人員才能按點火按鍵?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葴y量系統(tǒng)的調(diào)試：1將兩只傳感器分別安裝在距石英玻璃管體兩端口50毫米處