燃燒學_第六章

1、影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赜绊憣恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據)基本概念基本概念一維層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ鸵痪S層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ突鹧婧穸然鹧婧穸然鹧娣€(wěn)定火焰穩(wěn)定6.1 6.1 基本概念基本概念 一、預混一、預混( (動力動力) )燃燒和非預混燃燒和非預混( (擴散擴散) )燃燒燃燒rm m 擴散燃燒擴散燃燒: :rm r 動力燃燒動力燃燒: : 動力擴散燃燒動力擴散燃燒: : m rm ）（ch rph二、二、火焰?zhèn)鞑ニ俣然鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萵dnt+dtt已燃氣已燃氣未燃氣未燃氣三、火焰?zhèn)鞑ヮ愋停喝?、火焰?zhèn)鞑ヮ愋停?( (矢量形式矢量形式) ) lLudnuSSdtp

2、pnuwu四、火焰結構四、火焰結構層流預混火焰坐標系 通常層流火焰的火焰面是一個厚度在通常層流火焰的火焰面是一個厚度在0.010.010.10.1 毫米左右的狹窄區(qū)域毫米左右的狹窄區(qū)域 此區(qū)域內，可燃混合氣的溫度和成分都有急劇此區(qū)域內，可燃混合氣的溫度和成分都有急劇 地變化地變化( (極大的濃度和溫度梯度極大的濃度和溫度梯度) )。一維層流火焰結構一維層流火焰結構大多數(shù)研究者以溫度變化曲線上的拐點大多數(shù)研究者以溫度變化曲線上的拐點Ti為分界點，把整個火為分界點，把整個火焰面劃分為預熱區(qū)焰面劃分為預熱區(qū)ph和反應區(qū)和反應區(qū)r22)()/(/uuuAmdvdP)(uuSu)/()/1 (dvdPu

3、層流火焰速度層流火焰速度= =由于緩燃由于緩燃RayleighRayleigh線斜率比線斜率比爆震爆震RayleighRayleigh線斜率小得多，線斜率小得多，所以緩燃速度比爆震速度小所以緩燃速度比爆震速度小得多。得多。 Rayleigh線的斜率與相對于未燃氣體的波的傳播速度（層線的斜率與相對于未燃氣體的波的傳播速度（層流火焰速度）有關。流火焰速度）有關。五、通過火焰的壓降五、通過火焰的壓降常數(shù)udxud0/ )(0)/(/dxduudxdP1)/(1)/()()/(22buuuubuuubuuuuuuuuPuuuuuxxuuP)/()/)(/)(/(/ubububbubuTTTTRRPP忽

4、略粘性影響和體積力（浮力），動量方程可寫成：忽略粘性影響和體積力（浮力），動量方程可寫成：應用以上兩個方程估算通過火焰的壓力降，應用以上兩個方程估算通過火焰的壓力降，由理想氣體狀態(tài)方程，由理想氣體狀態(tài)方程，碳氫燃料與空氣混合物在大氣條件下的層流火焰速度典型值碳氫燃料與空氣混合物在大氣條件下的層流火焰速度典型值在在15-40cm/s15-40cm/s范圍內。范圍內。的典型值在的典型值在5-75-7范圍內，范圍內， 的典型值等于的典型值等于1)/(2ubuuTTuPubTT /u 33/101cmgP2650.11 /(1010)PN matm 由于反應物與產物的分子量近似相同，預期穿過火焰的由于

5、反應物與產物的分子量近似相同，預期穿過火焰的壓力降與溫度增加相比是很小的，因此壓力降與溫度增加相比是很小的，因此。因此。因此的典型值為：的典型值為：因此，忽略通過火焰的壓力降是很合理的。因此，忽略通過火焰的壓力降是很合理的。 層流火焰特點層流火焰特點火焰鋒面很薄，通常只有火焰鋒面很薄，通常只有0.010.010.1mm0.1mm層流火焰壓力變化很小，可以認為是等壓流動燃燒層流火焰壓力變化很小，可以認為是等壓流動燃燒過程過程層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿?，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣群艿停?通常在通常在1m/s1m/s以下以下nppuwu絕對速度絕對速度 氣流速度氣流速度相對速度相對速度nu影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?/p>

6、影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據)基本概念基本概念一維層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ鸵痪S層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ突鹧婧穸然鹧婧穸然鹧娣€(wěn)定火焰穩(wěn)定6.2 6.2 一維層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ鸵痪S層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ?一、層流火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚搩热菀?、層流火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚搩热輕r層流火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚搩热輰恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ臒崂碚搩热荻?、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萓nUn的確定（運用熱理論）的確定（運用熱理論）連續(xù)方程連續(xù)方程 muvvn 000 動量方程動量方程 常常數(shù)數(shù) p能量方程能量方程 0()()npRdTddTv CRRHdxdxdxr rl l- -= =- - D

7、D（6.2） 對于一維帶化學反應的定常層流流動其基本方程為：對于一維帶化學反應的定常層流流動其基本方程為： (2-29) 0/,(0/,(dxdTTTxdxdTTTxbu平衡時已燃氣體）未燃氣體）方程方程(6-2)中的邊界條件如下：中的邊界條件如下：0/ )/()/(dxdxdTddxdTcupuuppcc常數(shù)uTT 0/dxdT假設假設，對方程（，對方程（6-46-4）從冷邊界到）從冷邊界到x xi i積分得：積分得：氣體冷邊界條件氣體冷邊界條件: :以及以及預熱區(qū)：預熱區(qū)：在預熱區(qū)，假設在預熱區(qū)，假設RR=0，能量方程（，能量方程（6-2）變成：）變成：（6-4）)()/(uipuuiTT

8、cuxdxdT（6-5）方程（方程（6-56-5）的）的物理解釋物理解釋是：來自已燃氣體的導熱是：來自已燃氣體的導熱通量對預熱區(qū)未燃氣體混合物進行通量對預熱區(qū)未燃氣體混合物進行“預熱預熱”，將其，將其溫度從溫度從T Tu u提高到提高到T Ti i。反應區(qū)：反應區(qū)： 在反應區(qū)，能量的對流通量（源自溫差）比擴散通量在反應區(qū)，能量的對流通量（源自溫差）比擴散通量小，因而可以忽略對流項，能量方程（小，因而可以忽略對流項，能量方程（6-2）變成：）變成：Rd( dT / dx ) / dxRR(H ) (/)iiixxxTTdT dxdT dx 式式中中；(;/0)ixTTdT dx 式式中中將以上方

9、程從將以上方程從到積分得，biiTRxTdT dxHRRdT 1/2(/)2（6-6）到到1/2() 2biTuupiuRTS c TTHRRdT uS1/2(/) (2)/()1/()biTuupRupiuiuTScHc TTTTRRdT /pTcD 0iTTRR ，1/2 (2)/()1/()biTuRupiuTiuTSHc TTDTTRRdT 對于典型的碳氫燃料的總的活化能數(shù)值大于對于典型的碳氫燃料的總的活化能數(shù)值大于40kcal/mol，Ti略小于Tb，于是1/()biTiuTTTRRdT _RR,()()()()/1/fRpbuuf uRupbuRupbuf uumHmc TTwHc

10、 TTHcTTw或或（）（） 1/2,2()TLf uuDSRRw （6-8b） LSTD LS1/2,2TLf uuDSRRw TDRR/2x KTTTTbub1770)(21(212260 ,300 ,baduTTK TK= = = =x ,1(0)0.06015/20.03012ff uww= =+ += = =of uww2,10.2331(1)00.10952= =- -+ += = 220.11.65383821.750.11.65,( )() ()Ofr fr Od C HRRk C HOdtwwk TMMr r= = = - -= = - -式中kmolkTmskmolms90

11、.753950.7531509814.836*10 exp()()1509814.836*10 exp()9.55*10 ()1770- - - -= =- -= = =31013250.1997/(/)(8315/29)1770urPkg mRM Tr r= = = =RRkmol smkg sm51.750.11.65330.03010.10959.55 10 (0.1997)()()44322.439/2.439*44107.3/= -= -= -= -= -= -= -= -/auERARR( )( )TupTDCTl lr r= =( () )112802buTTTK= =+ +=

12、=520.08095.89 10/1.16 1186TDms- -= = = 5_1/21/2,5.89*10*107.32()2*0.425/42.5/1*1.1615.6251TLf uuDSRRm scm swr r- -= = = = =+ +TDRR影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赜绊憣恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據)基本概念基本概念一維層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ鸵痪S層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ突鹧婧穸然鹧婧穸然鹧娣€(wěn)定火焰穩(wěn)定 燃燃 料料氧化劑氧化劑S SL L（cm/s)cm/s)著火極限余氣系數(shù)著火極限余氣系數(shù)貧油富油以以及及式式中中atmPKTKTrefrefuu1

13、;298;350, 22,)(MMrefLBBS )/()/(,refrefuurefLLPPTTSS MB2BM ,M MB,2B ,)1(22. 016. 0)1(8 . 018. 2 氫氫-空氣空氣的層流火焰速度的層流火焰速度甲烷甲烷-空氣空氣的層流火焰速度的層流火焰速度插圖表示化學恰當比的火焰速度與壓力的關系插圖表示化學恰當比的火焰速度與壓力的關系烷烴最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1） 烴烴-空氣的層流火焰速度空氣的層流火焰速度對于乙烯和乙炔，最大火焰速度分別為對于乙烯和乙炔，最大火焰速度分別為=1.2和和=1.4處處 乙炔的最大火焰速度為乙炔的最大火焰速度為160 cm/sec丙

14、烷丙烷-空氣混合物的層流火焰速度空氣混合物的層流火焰速度插圖表示化學恰當比的火焰速度與壓力的關系插圖表示化學恰當比的火焰速度與壓力的關系烷烴最大火焰速度在稍富的混合物（烷烴最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1）處）處 惰性物質或添加劑的影響：惰性物質或添加劑的影響： 甲烷-氧-氮混合物火焰速度 vnpu/1 一級反應，壓力增加，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?；一級反應，壓力增加，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆?；二級反應，與壓力無關。二級反應，與壓力無關。nuuRRkwE RT_() exp(/)r r= = - - -/p RTr r= =nnuuLupmQkwERTSpCTT12(2)/2220() exp(/

15、)()()l lr rr r- - -= =- -CnTu00TmTnunupudlq/常常數(shù)數(shù) 淬熄距離淬熄距離 ：qdqd淬熄距離與混氣濃度的關系淬熄距離與混氣濃度的關系溫度對淬熄距離的影響溫度對淬熄距離的影響影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赜绊憣恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據)基本概念基本概念一維層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ鸵痪S層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ突鹧婧穸然鹧婧穸然鹧娣€(wěn)定火焰穩(wěn)定 火焰中溫度和濃度梯度決定于火焰中溫度和濃度梯度決定于火焰厚度，因為這些梯度支持火焰厚度，因為這些梯度支持火焰的擴散過程。火焰的擴散過程。 1fupuTu(/c )( / S )D / S （6

16、-13） 火焰厚度和火焰?zhèn)鞑ニ俣仁窍嗷鹧婧穸群突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁窍嗷ヂ?lián)系的互聯(lián)系的,其定性關系可以從其定性關系可以從xi處的能量平衡求得。處的能量平衡求得。 ibufuupiu(dT / dx)x(TT )/S c (TT ) (6-13)TD 測量的大氣壓下預混甲烷測量的大氣壓下預混甲烷- -空氣火焰厚度與公式計算值比空氣火焰厚度與公式計算值比較，模型計算值與實驗值用化學恰當比混合物歸一。較，模型計算值與實驗值用化學恰當比混合物歸一。與預熱區(qū)厚度與預熱區(qū)厚度反應區(qū)厚度反應區(qū)厚度)/()(/ubibphrTTTTr ph （6-146-14）之比如下式所示：之比如下式所示：與預熱區(qū)相比，反應區(qū)很薄

17、（與預熱區(qū)相比，反應區(qū)很?。ɑ鹧婧穸然鹧婧穸?）f ph 21122211111nTfnnnLDpSpppp （6-166-16）1fupuTu(/c )( / S )D / S (1) 火焰厚度主要取決于它的火焰厚度主要取決于它的 與與 值值 (2) 火焰厚度很薄（僅十分之幾或百分之幾毫米）火焰厚度很薄（僅十分之幾或百分之幾毫米） 在火焰厚度內完成了：在火焰厚度內完成了： 傳熱傳熱 擴散擴散 化學反應過程化學反應過程 火焰厚度內，溫度火焰厚度內，溫度濃度相差很大，有較大的溫度梯度濃度相差很大，有較大的溫度梯度 與濃度梯度，可以保證：與濃度梯度，可以保證： 熱量很快從化學反應區(qū)傳出熱量很快從化

18、學反應區(qū)傳出 快速擴散迅速供給反應區(qū)反應物快速擴散迅速供給反應區(qū)反應物 保證火焰以一定的速度傳播保證火焰以一定的速度傳播TDuS例例6.3 在一個大氣壓力下，貧燃丙烷在一個大氣壓力下，貧燃丙烷-空氣混合物中自由伸空氣混合物中自由伸展的絕熱火焰?zhèn)鞑ニ俣葹檎沟慕^熱火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?0cm/s，火焰厚度為，火焰厚度為2mm。如。如果壓力下降為果壓力下降為0.25個大氣壓，求該混合物中自由伸展的絕個大氣壓，求該混合物中自由伸展的絕熱火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婧穸?？熱火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婧穸龋?解： 142 20.250.2510.2510.2511.4142/nLLLatmatmLLatmatmSppSSSScm

19、 s 120.752 20.750.25110.250.252.82815.6nTfnLfffatmatmatmfatmpDppSpmm 影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赜绊憣恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葦?shù)據)基本概念基本概念一維層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ鸵痪S層流預混火焰?zhèn)鞑ツＰ突鹧婧穸然鹧婧穸然鹧娣€(wěn)定火焰穩(wěn)定 一、火焰穩(wěn)定的分類一、火焰穩(wěn)定的分類l 低速氣流下的火焰穩(wěn)定，包括回火和吹熄問題低速氣流下的火焰穩(wěn)定，包括回火和吹熄問題l 高速氣流下的火焰穩(wěn)定高速氣流下的火焰穩(wěn)定工程中的火焰穩(wěn)定工程中的火焰穩(wěn)定 多數(shù)屬于這種情況多數(shù)屬于這種情況aa cosvvun火焰穩(wěn)定的流動必要條件火焰穩(wěn)定的流動必要條件。氣流流速增大氣流流速增大氣流流速減小氣流流速減小氣流流速增大氣流流速增大氣流流速減小氣流流速減小 當氣流速度增加時，當氣流速度增加時， 增大，火焰拉長增大，火焰拉長 當氣流速度減小時，當氣流速度減小時， 要減小，火焰將變短要減小，火焰