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IP屬地：湖北 上傳時間：2022-06-25 格式：PPT 頁數(shù)：37 大?。?32.50KB 積分：28 舉報 版權(quán)申訴

1、第四章第四章火焰?zhèn)鞑ダ碚摶鹧鎮(zhèn)鞑ダ碚撘?、層流火焰?zhèn)鞑C理一、層流火焰?zhèn)鞑C理p在工程應(yīng)用中，可燃混合物著火的方法是先引入外部熱源，使局部先行著火，然后點燃部分向未燃部分輸送熱量及生成活性中心，使其相繼著火燃燒。p在可燃混合物中放入點火源點火時，產(chǎn)生局部燃燒反應(yīng)而形成點源火焰。由于反應(yīng)釋放的熱量和生成的自由基等活性中心向四周擴散傳輸，使緊挨著的一層未燃氣體著火、燃燒，形成一層新的火焰。反應(yīng)依次往外擴張，形成瞬時的球形火焰面。此火焰面的移動速度稱為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n(或稱層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l，或正常火焰?zhèn)鞑ニ俣?，簡稱火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｎ慈細怏w與已燃氣體之間的分界面即為火焰鋒面，或稱火焰面。 靜止均

2、勻混合氣體中的火焰?zhèn)鞑チ鞴苤械幕鹧驿h面p取一根水平管子，一端封住，另一端敞開，管內(nèi)充滿可燃混合氣。點火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移動，由于管壁的摩擦和向外的熱量損失、氣體的粘性、熱氣體產(chǎn)生的浮力，使其成為傾斜的彎曲焰面。p如果管子相當長，那么火焰鋒面在移動了大約510倍管徑的距離之后，便明顯開始加速，最后形成速度很高的(達每秒幾千米)高速波，這就是爆振波。p如果將可燃混合物置于一個封閉的容器內(nèi)，氧化反應(yīng)釋放出的熱量會導致容器內(nèi)壓力上升，反應(yīng)速率越大，則壓力上升越快，壓力上升又會進一步加快反應(yīng)速率，導致壓力不斷升高，如果容器不能承受其壓力就會爆裂開來，這種伴隨著壓力不斷上升的燃燒現(xiàn)象稱之為

3、爆炸。p正常燃燒屬于穩(wěn)定態(tài)燃燒，可視為等壓過程；而爆振和爆炸屬不穩(wěn)定態(tài)燃燒，是靠氣體的膨脹來局部壓縮未燃氣體而形成的沖擊波。在民用燃具和燃氣工業(yè)爐中，燃氣的燃燒均屬于正常燃燒。p若可燃混合氣在一管內(nèi)流動，其速度是均勻分布的，形成一平整的火焰鋒面。如Sn=u，則氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥胶?，火焰面便駐定不動。這是流動可燃混合氣穩(wěn)定燃燒的必要條件。p層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?第一是熱理論，它認為控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕菑姆磻?yīng)區(qū)向未燃氣體的熱傳導。第二是擴散理論，認為來自反應(yīng)區(qū)的鏈載體的逆向擴散是控制層流火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩亍５谌蔷C合理論，即認為熱傳導和活性中心的擴散對火焰的傳播可能同等重要。大多數(shù)火焰中，由于

4、存在溫度梯度和濃度梯度，因此傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象交錯地存在著，很難分清主次。下面介紹由澤爾多維奇等人提出的熱理論。 火焰層結(jié)構(gòu)及溫度、濃度分布p在火焰鋒面上取一單位微元，對于一維帶化學反應(yīng)的穩(wěn)定層流流動，其基本方程為：連續(xù)方程動量方程 p常數(shù)能量方程（微元體本身熱焓的變化等于傳導的熱量加上化學反應(yīng)生成的熱量）對于絕熱條件，火焰的邊界條件為 000nppuuSmu00pddddddTTu CwQxxx00md,;0dd,;0;0dTxTTyyxTxTTyx 為求定Sn(u0)，提出了一種分區(qū)近似解法，把火焰分成預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)。在預(yù)熱區(qū)中忽略化學反應(yīng)的影響，在反應(yīng)區(qū)中略去能量方程中溫度的一階導數(shù)項。p預(yù)

5、熱區(qū)中的能量方程為其邊界條件是假定Ti是預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)交界處(溫度曲線曲率變化點)的溫度，從T0到Ti進行積分，(下標“I”表示預(yù)熱區(qū))0npddddddTTS Cxxx0d,0dTxTTx 0np0IdTdiS CTTx p反應(yīng)區(qū)的能量方程為 其邊界條件是 乘式 后積分（下標“”表示反應(yīng)區(qū)）22d0dywQxm2220,;d,0ddddd2ddddixTTTxTTxTTTxxxx d2dTxmd2ddiTTTwQ Tx Ti為未知，進一步變換可得 mn2220p02diTTiwQ TSCTTIdTdTddxxm0TTn2220pm02dwQ TSCTT22n0pm02SQwCTT表示在TmT

6、0之間反應(yīng)速率的平均值 wp層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煽醋魇强扇蓟旌衔锏闹饕匦?，從中可以得出如下定性結(jié)論：p層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c平均熱導率的平方根成正比，與熱容的平方根成反比，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣體混合物的物理常數(shù)有關(guān)。p層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著差值（Ti-T0）的減小而增加，若將氣體預(yù)熱到Ti，則層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染蜁呄蛴跓o窮大。p可燃混合物的熱效應(yīng)及化學反應(yīng)速率顯著地影響著層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?.可燃混合物的過?？諝庀禂?shù)亦將影響其層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?或Sl)時，為大尺度強紊動火焰，反之為大尺度弱紊動火焰。p關(guān)于大尺度強紊動的火焰?zhèn)鞑C理，不同學者有不同的解釋，因而形成了湍流火焰的表面理論和容積理論

7、。 p湍流火焰的傳播速度比層流時要大得多，其理由為(1)湍流脈動使火焰變形，從而使火焰表面積增加，但是曲面上的傳播速度仍保持為層流火焰速度。(2)湍流脈動增加了熱量和活化中心的傳遞速度，反應(yīng)速率加快，從而增大了垂直火焰表面的實際燃燒速度。(3)湍流脈動加快了已燃氣和未燃氣的混合，縮短混合時間，提高燃燒速度。湍流火焰模型(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流；(d)容積湍流燃燒 1燃燒產(chǎn)物；2新鮮混氣；3部分燃盡氣體三、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定三、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定p層流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔荒苡镁_的理論公式來計算。通常是依靠實驗方法測得單一燃氣或混合燃氣在一定條件下的Sn值，有時也可依照經(jīng)驗公

8、式和實驗數(shù)據(jù)計算混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｉ腥鄙偻耆蟂n定義的測定方法。精確測量Sn的困難在于幾乎不可能得到嚴格的平面狀火焰面。p測定Sn的實驗方法，一般可歸納為靜力法和動力法兩類。（一）、靜力法測定Sn1、管子法靜力法中最直觀的方法是常用的管子法，測定時，用電影攝影機攝下火焰面移動的照片，已知膠片走動的速度和影與實物的轉(zhuǎn)換的比例，就可算出可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v。在這種情況下，底片上留下的是傾斜的跡印，根據(jù)傾斜角可以確定任何瞬間的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?用靜力法(管子法)測定Sn的儀器 1玻璃管；2閥門；3火花點火器；4裝有惰性氣體的容器p由于燃燒時氣流的紊動，焰面通常不是一個垂直于管子軸線的平面，而是

9、一個曲面。設(shè)F為火焰表面積，f為管子截面積，可得 Svf=SnFpSvSn。管徑越大，紊動越強烈，焰面彎曲度越大，Sv與Sn的差值也越大。p管徑越大，管壁散熱對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺叫。缪婷娌话l(fā)生皺曲，則隨著管徑的增大火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙?，并趨向于極限值Sn。但實際上管徑增大時焰面要發(fā)生皺曲。管徑越大，焰面皺曲越烈，因而Sv值隨管徑的增加而不斷上升。p當管徑小到某一極限值時，向管壁的散熱大到火焰無法傳播的程度，這時的管徑稱為臨界直徑dc。臨界直徑在工程上是有意義的，可利用孔徑小于臨界直徑值的金屬網(wǎng)制止火焰通過。圖2-22 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c管徑的關(guān)系 管子法測得的可見火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃氣空氣混合物成分的

10、關(guān)系(d=25.4mm)l氫；2水煤氣；3一氧化碳；4乙烯；5煉焦煤氣；6乙烷；7甲烷；8高壓富氧化煤氣2、皂泡法p將已知成分的可燃均勻混合氣注入皂泡中，再在中心用電點火化點燃中心部分的混合氣，形成的火焰面能自由傳播(氣體可自由膨脹)，在不同時間間隔出現(xiàn)半徑不同的球狀焰面。用光學方法測量皂泡起始半徑和膨脹后的半徑，以及相應(yīng)焰面之間的時間間隔。即可計算得火焰?zhèn)鞑ニ俣?。p這種方法的主要缺點是肥皂液蒸發(fā)對混合氣濕度的影響。某些碳氫燃料對皂泡膜的滲透性、皂泡球狀焰面的曲率變化以及湍流脈動等因素，都會給測定結(jié)果帶來誤差。p另一種類似的方法是球形炸彈法。球彈中可燃混合氣點燃后火焰擴散時其內(nèi)部壓力逐步升高。

11、根據(jù)記錄的壓力變化和球狀焰面的尺寸，可算得火焰?zhèn)鞑ニ俣取?（二）、動力法測定Sn1、本生火焰法圖p本生火焰由內(nèi)錐和外錐兩層焰面組成，內(nèi)錐面由燃氣與預(yù)先混合的空氣進行燃燒反應(yīng)而形成的，靜止的內(nèi)錐焰面說明了內(nèi)錐表面上各點的Sn(指向錐體內(nèi)部)與該點氣流的法向分速度n是平衡的。內(nèi)錐面上每一點的速度存在以下關(guān)系。nncosS本生火焰示意圖1內(nèi)錐面；2外錐面p如氣體出口速度分布均勻，則可假定內(nèi)錐為一幾何正錐體，并認為內(nèi)錐焰面上各點的Sn均相等。這樣，便可測得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，且具有足夠的準確性。 p當混合氣出流穩(wěn)定時，按連續(xù)方程有p 式中 F0燃燒器出口截面積； m燃氣-空氣混合物在燃燒器出口處

12、的平均流速； Sn平均層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?Ff火焰的內(nèi)錐表面積。p再設(shè)內(nèi)錐為一底半徑是r高度為h的正錐體，只要準確測得氣體流量和火焰內(nèi)錐高度，便可按下式求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?0m0nf0nfFFS F n22gaLLSr rhp有關(guān)火焰中氣流速度比較精確的測量方法簡要介紹如下。(1)顆粒示蹤法 它是在可燃混合氣中摻入一種既能閃光、又不會引起化學反應(yīng)的細小物質(zhì)顆粒，并連續(xù)加以頻閃照射。對頻閃照射的粒子進行拍攝，可據(jù)此確定氣流的流線譜。根據(jù)示蹤間歇的距離和頻閃速度，可以計算得顆粒在氣流中的運動速度。示蹤顆粒運動是與氣體質(zhì)點運動同步的，顆粒速度即代表該處氣流速度。(2)激光測速法 激光測速的基本原理

13、是利用光學多普勒效應(yīng)。當一束激光照射到流體中跟隨一起運動的微粒上時，激光被運動著的微粒所散射，散射光的頻率和入射光的頻率相比較，就會產(chǎn)生一個與微粒運動速度成正比的頻率偏移。通過火焰內(nèi)錐的流線分布情況層流火焰?zhèn)鞑ニ俣妊厝紵鹘孛娴姆植?、平面火焰法pPowling燃燒器和Mache-Hebra噴嘴可提供平面和盤狀火焰，此類火焰的面積比較容易精確測量?？扇季鶆蚧旌蠚膺M入直徑較大的圓管，通過裝在管口的多孔板或蜂窩格及整流網(wǎng)等，形成出口平面處速度的均勻分布。點燃混合氣，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性氣體將火焰包圍，用以限定火焰面的大小。只要準確測得火焰平面的面積和混合氣流量，即可

14、求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sn=LmixFf)。p此法的優(yōu)點是火焰的發(fā)光區(qū)、濃度梯度最大處等都重疊在同一平面上，因而用不同方法測量結(jié)果是一致的。氣流速度(即火焰?zhèn)鞑ニ俣?也可用顆粒跟蹤方法或激光測速法測定。Powling燃燒器不同方法Sn測定值的比較l錐形火焰；2平面火焰；3Powling火焰四、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩厮?、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩豴通過分析火焰?zhèn)鞑ニ俣裙?，可以定性地了解到可燃混合氣的初溫、壓力、燃氣濃度及熱值等物理化學參數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?1. 混合氣比例的影響p燃氣-空氣混合物中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物內(nèi)的燃氣含量直接有關(guān)。燃氣和空氣的混合比例變化時，Sn 也隨之變化。由圖可見

15、，所有單一燃氣或混合燃氣的Sn值隨混合物中燃氣含量變化的曲線均呈倒U形，中間最大，兩側(cè)變小直至最小值，接近于最小值的含量即為混合物著火濃度的上限和下限。當混合物中的燃氣含量低于下限或高于上限時，由于反應(yīng)釋放熱量不足而使火焰?zhèn)鞑ネＶ?。p實驗觀測表明，以空氣作為氧化劑時， Sn最大值是在燃氣含量略高于化學計量比時出現(xiàn)的。其原因是當混合物中燃氣含量略高時，火焰中H、OH等自由基的濃度較大，鏈反應(yīng)的斷鏈率較小所致。對于大多數(shù)火焰，當混合比接近于化學計量比時，火焰燃燒速度最大，一般認為火焰溫度達到最高時，其傳播速度也最大。 燃氣-空氣混合物的Sn與燃氣含量的關(guān)系1H2 2CO dC2H4 4C3H6 5

16、CH4 6C2H67C3H8 8C4H10 9煉焦煤氣 10發(fā)生爐煤氣2. 燃氣性質(zhì)的影響p火焰?zhèn)鞑ニ俣仁紫扰c燃氣的物性有關(guān)。從傳熱角度分析，氣體導熱系數(shù)越大，熱量傳遞越快，越有利于燃燒反應(yīng)，則Sn也越大。 例如H2，熱導率最大。p碳氫燃料的結(jié)構(gòu)對火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿胁煌挠绊?。由圖中曲線可見，對于飽和烴類(CH4除外)，如C2H6、C3H8等，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跖c分子中的nc無關(guān)，約為70cm/s左右。但對不飽和烴燃料，則火焰速度隨nc的增多而減小，并且在nc4時，則Sn又下降緩慢，并逐步趨向于一極限值。這些結(jié)果，可用反應(yīng)活化能不同(含碳多者活化能大)或者反應(yīng)中離子(如H、O、OH等)的擴散速度不

17、同來解釋。實驗結(jié)果還表明，隨著燃料分子量的增大，火焰?zhèn)鞑シ秶苍絹碓叫?。因為燃料分子量增大，混合氣總分子量也變大，使得混合氣密度增大，由原理上分析得出的火焰?zhèn)鞑O限值減小。maxnS與燃料分子中碳原子數(shù)nc的關(guān)系3. 溫度的影響p(1) 混合物初始溫度的影響 由燃燒熱平衡條件可知，混合物起始溫度的提高，將導致反應(yīng)溫度的上升，燃燒反應(yīng)速率加快，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?。歸納實驗結(jié)果表明，火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n隨初始溫度T0的變化規(guī)律大致為 p(2) 火焰溫度的影響 火焰溫度對Sn的影響較為復雜。溫度不太高時，Sn隨火焰溫度的增加主要表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，因而影響很大?？梢哉J為，對Sn起決定作用的是火焰溫度。當

18、超過2500時，火焰溫度的影響已不符合熱力理論了。因為在高溫下離解反應(yīng)易于進行，從而使自由基濃度大大增加。作為鏈載體的自由基(活化中心)的擴散，既促進了反應(yīng)，又增強了火焰?zhèn)鞑ァ0nTS火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物初溫的關(guān)系1一水煤氣 2一煉焦煤氣 3一汽油增熱煤氣4一天然氣 5一發(fā)生爐煤氣 火焰溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?4 . 壓力的影響p長期以來，許多實驗表明，隨著燃燒時壓力的升高而其他參數(shù)不變時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒁獪p小。由熱理論分析已知。 對大多數(shù)碳氫燃料的燃燒反應(yīng)來說，其反應(yīng)總級數(shù)均小于2。據(jù)上述比例關(guān)系式，只有n2時，Sn才有可能隨壓力的提高而增大，否則Sn將隨壓力的上升而變小。但壓力增加時，

19、燃燒強度明顯增大，即火焰質(zhì)量傳播速度增大。12n0nPS5 . 濕度和惰性氣體的影響p在單一燃氣或可燃混合氣中加入添加氣時可以增大或減小火焰?zhèn)鞑ニ俣取４蠖鄶?shù)添加氣或是改變混合氣的物理性質(zhì)(如導熱系數(shù))，或是起催化作用。例如，CO燃燒時加入很少量添加氣，由于反應(yīng)加快而使火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增大。圖中可以看出，當混合氣中水蒸氣含量為2.3%時，最高Sn可達52cm/s，比干氣燃燒時高出一倍多。p在混合氣中以惰性氣體N2、Cl（氯）、He（氦）和CO2等代替O2，從而改變氧化劑中O2的濃度，視其含量不同對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔胁煌挠绊?。一般來說，加入惰性氣體(或降低O2的濃度)，將使燃燒溫度大大下降，從而降低

20、了火焰?zhèn)鞑ニ俣取５遣煌栊詺怏w的影響可能是相互矛盾的。圖示為N2含量不同時CH4- O2混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓囊幌盗星€。CO-空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c加入水蒸氣量的關(guān)系 N2含量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?(預(yù)混氣：CH4+O2)1一1 .5%N2+98.5% O2； 2一20% N2+80% O2 ；3一40% N2 +60% O2 ； 4一60% N2 +40% O2； 5一70% N2 +30% O2 ； 6一75% N2 +25% O2 ； 7一79% N2 +21% O2五、火焰?zhèn)鞑舛葮O限五、火焰?zhèn)鞑舛葮O限p在燃氣-空氣(或氧氣)混合物中，只有當燃氣與空氣的比例在一定極限范圍之內(nèi)時，火焰才有可能傳播。若混合比例超過極限范圍，即當混合物中燃氣濃度過高或過低時，由于可燃混合物的發(fā)熱能力降低，氧化反應(yīng)的生成熱不足以把未燃混合物加熱