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認(rèn)證類型：個(gè)人認(rèn)證

認(rèn)證主體：李**（實(shí)名認(rèn)證）

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IP屬地：廣東 上傳時(shí)間：2022-07-21 格式：PPT 頁(yè)數(shù)：37 大?。?35KB 積分：25 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、燃燒理論第4講火焰?zhèn)鞑ダ碚撘?、層流火焰?zhèn)鞑C(jī)理在工程應(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(diǎn)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。在可燃混合物中放入點(diǎn)火源點(diǎn)火時(shí)，產(chǎn)生局部燃燒反應(yīng)而形成點(diǎn)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(kuò)散傳輸，使緊挨著的一層未燃?xì)怏w著火、燃燒，形成一層新的火焰。反應(yīng)依次往外擴(kuò)張，形成瞬時(shí)的球形火焰面。此火焰面的移動(dòng)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?；鹧?zhèn)鞑ニ俣?，簡(jiǎn)稱火焰?zhèn)鞑ニ俣?。未燃?xì)怏w與已燃?xì)怏w之間的分界面即為火焰鋒面，或稱火焰面。 靜止均勻混合氣體中的火焰?zhèn)鞑チ鞴苤械幕鹧?/p>

2、鋒面取一根水平管子，一端封住，另一端敞開，管內(nèi)充滿可燃混合氣。點(diǎn)火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移動(dòng)，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。如果管子相當(dāng)長(zhǎng)，那么火焰鋒面在移動(dòng)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(dá)每秒幾千米)高速波，這就是爆振波。如果將可燃混合物置于一個(gè)封閉的容器內(nèi)，氧化反應(yīng)釋放出的熱量會(huì)導(dǎo)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(huì)進(jìn)一步加快反應(yīng)速率，導(dǎo)致壓力不斷升高，如果容器不能承受其壓力就會(huì)爆裂開來(lái)，這種伴隨著壓力不斷上升的燃燒現(xiàn)象稱之為爆炸。正常燃燒屬于穩(wěn)定態(tài)燃燒，可視為等壓

3、過(guò)程；而爆振和爆炸屬不穩(wěn)定態(tài)燃燒，是靠氣體的膨脹來(lái)局部壓縮未燃?xì)怏w而形成的沖擊波。在民用燃具和燃?xì)夤I(yè)爐中，燃?xì)獾娜紵鶎儆谡Ｈ紵?。若可燃混合氣在一管?nèi)流動(dòng)，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(dòng)。這是流動(dòng)可燃混合氣穩(wěn)定燃燒的必要條件。層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?第一是熱理論，它認(rèn)為控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕菑姆磻?yīng)區(qū)向未燃?xì)怏w的熱傳導(dǎo)。第二是擴(kuò)散理論，認(rèn)為來(lái)自反應(yīng)區(qū)的鏈載體的逆向擴(kuò)散是控制層流火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩亍５谌蔷C合理論，即認(rèn)為熱傳導(dǎo)和活性中心的擴(kuò)散對(duì)火焰的傳播可能同等重要。大多數(shù)火焰中，由于存在溫度梯度和濃度梯度，因此傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象交錯(cuò)

4、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、濃度分布在火焰鋒面上取一單位微元，對(duì)于一維帶化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定層流流動(dòng)，其基本方程為：連續(xù)方程動(dòng)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(dǎo)的熱量加上化學(xué)反應(yīng)生成的熱量）對(duì)于絕熱條件，火焰的邊界條件為 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(xué)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(dǎo)數(shù)項(xiàng)。預(yù)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(diǎn))的溫度，從T0到Ti進(jìn)行積分，(下標(biāo)“I”表示預(yù)熱區(qū))反應(yīng)區(qū)的能量方程為 其邊界條件是

5、 乘式 后積分（下標(biāo)“”表示反應(yīng)區(qū)）Ti為未知，進(jìn)一步變換可得 表示在TmT0之間反應(yīng)速率的平均值 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：層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c平均熱導(dǎo)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)。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?huì)趨向于無(wú)窮大?？扇蓟旌衔锏臒嵝?yīng)及化學(xué)反應(yīng)速率顯著地影響著層流火焰?zhèn)鞑ニ俣??？扇蓟旌衔锏倪^(guò)?？諝庀禂?shù)亦將影響其層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?dāng)1或Sl)時(shí)，為大尺度強(qiáng)紊動(dòng)火焰，反之為大尺度弱紊動(dòng)火焰。關(guān)于大尺度強(qiáng)紊動(dòng)的火焰?zhèn)鞑C(jī)理，

6、不同學(xué)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。 湍流火焰的傳播速度比層流時(shí)要大得多，其理由為(1)湍流脈動(dòng)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(dòng)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(shí)際燃燒速度。(3)湍流脈動(dòng)加快了已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾幕旌?，縮短混合時(shí)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(cè)定層流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔荒苡镁_的理論公式來(lái)計(jì)算。通常是依靠實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得單一燃?xì)饣蚧旌先細(xì)庠谝欢l件

7、下的Sn值，有時(shí)也可依照經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｉ腥鄙偻耆蟂n定義的測(cè)定方法。精確測(cè)量Sn的困難在于幾乎不可能得到嚴(yán)格的平面狀火焰面。測(cè)定Sn的實(shí)驗(yàn)方法，一般可歸納為靜力法和動(dòng)力法兩類。（一）、靜力法測(cè)定Sn1、管子法靜力法中最直觀的方法是常用的管子法，測(cè)定時(shí)，用電影攝影機(jī)攝下火焰面移動(dòng)的照片，已知膠片走動(dòng)的速度和影與實(shí)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(cè)定Sn的儀器 1玻璃管；2閥門；3火花點(diǎn)火器；4裝有惰性氣體的容器由于燃燒時(shí)氣流的紊動(dòng)，焰面通常不是一個(gè)

8、垂直于管子軸線的平面，而是一個(gè)曲面。設(shè)F為火焰表面積，f為管子截面積，可得 Svf=SnFSvSn。管徑越大，紊動(dòng)越強(qiáng)烈，焰面彎曲度越大，Sv與Sn的差值也越大。管徑越大，管壁散熱對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺叫?，如焰面不發(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(shí)際上管徑增大時(shí)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。當(dāng)管徑小到某一極限值時(shí)，向管壁的散熱大到火焰無(wú)法傳播的程度，這時(shí)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(guò)。圖2-22 火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c管徑的關(guān)系 管子法測(cè)得的可見火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c

9、燃?xì)饪諝饣旌衔锍煞值年P(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(diǎn)火化點(diǎn)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(shí)間間隔出現(xiàn)半徑不同的球狀焰面。用光學(xué)方法測(cè)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(shí)間間隔。即可計(jì)算得火焰?zhèn)鞑ニ俣?。這種方法的主要缺點(diǎn)是肥皂液蒸發(fā)對(duì)混合氣濕度的影響。某些碳?xì)淙剂蠈?duì)皂泡膜的滲透性、皂泡球狀焰面的曲率變化以及湍流脈動(dòng)等因素，都會(huì)給測(cè)定結(jié)果帶來(lái)誤差。另一種類似的方法是球形炸彈法。球彈中可燃混合氣點(diǎn)燃后火焰擴(kuò)散時(shí)其內(nèi)部

10、壓力逐步升高。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(dòng)力法測(cè)定Sn1、本生火焰法圖本生火焰由內(nèi)錐和外錐兩層焰面組成，內(nèi)錐面由燃?xì)馀c預(yù)先混合的空氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)而形成的，靜止的內(nèi)錐焰面說(shuō)明了內(nèi)錐表面上各點(diǎn)的Sn(指向錐體內(nèi)部)與該點(diǎn)氣流的法向分速度n是平衡的。內(nèi)錐面上每一點(diǎn)的速度存在以下關(guān)系。本生火焰示意圖1內(nèi)錐面；2外錐面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(rèn)為內(nèi)錐焰面上各點(diǎn)的Sn均相等。這樣，便可測(cè)得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄?，且具有足夠的?zhǔn)確性。 當(dāng)混合氣出流穩(wěn)定時(shí)，按連續(xù)方程有 式中 F0燃燒器出口截面積； m燃?xì)?空氣混合物在燃燒器出口處的平均

11、流速； Sn平均層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?Ff火焰的內(nèi)錐表面積。再設(shè)內(nèi)錐為一底半徑是r高度為h的正錐體，只要準(zhǔn)確測(cè)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)鞑ニ俣扔嘘P(guān)火焰中氣流速度比較精確的測(cè)量方法簡(jiǎn)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(huì)引起化學(xué)反應(yīng)的細(xì)小物質(zhì)顆粒，并連續(xù)加以頻閃照射。對(duì)頻閃照射的粒子進(jìn)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(jì)算得顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)速度。示蹤顆粒運(yùn)動(dòng)是與氣體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)同步的，顆粒速度即代表該處氣流速度。(2)激光測(cè)速法 激光測(cè)速的基本原理是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)。當(dāng)一束激光照射到流體中跟隨一起運(yùn)動(dòng)的微粒上

12、時(shí)，激光被運(yùn)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)與微粒運(yùn)動(dòng)速度成正比的頻率偏移。通過(guò)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Powling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(cè)量?？扇季鶆蚧旌蠚膺M(jìn)入直徑較大的圓管，通過(guò)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(diǎn)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(zhǔn)確測(cè)得火焰平面的面積和混合氣流量，即可求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sn=LmixFf)。此法的優(yōu)點(diǎn)是火焰的發(fā)光

13、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(cè)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(cè)速法測(cè)定。Powling燃燒器不同方法Sn測(cè)定值的比較l錐形火焰；2平面火焰；3Powling火焰四、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赝ㄟ^(guò)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?xì)鉂舛燃盁嶂档任锢砘瘜W(xué)參數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?1. 混合氣比例的影響燃?xì)?空氣混合物中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物內(nèi)的燃?xì)夂恐苯佑嘘P(guān)。燃?xì)夂涂諝獾幕旌媳壤兓瘯r(shí)，Sn 也隨之變化。由圖可見，所有單一燃?xì)饣蚧旌先細(xì)獾腟n值隨混合物中燃?xì)夂孔兓那€均呈倒U形，中間最大，兩側(cè)變小直至最小

14、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(dāng)混合物中的燃?xì)夂康陀谙孪藁蚋哂谏舷迺r(shí)，由于反應(yīng)釋放熱量不足而使火焰?zhèn)鞑ネＶ?。?shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，以空氣作為氧化劑時(shí)， Sn最大值是在燃?xì)夂柯愿哂诨瘜W(xué)計(jì)量比時(shí)出現(xiàn)的。其原因是當(dāng)混合物中燃?xì)夂柯愿邥r(shí)，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(duì)于大多數(shù)火焰，當(dāng)混合比接近于化學(xué)計(jì)量比時(shí)，火焰燃燒速度最大，一般認(rèn)為火焰溫度達(dá)到最高時(shí)，其傳播速度也最大。 燃?xì)?空氣混合物的Sn與燃?xì)夂康年P(guān)系1H2 2CO dC2H4 4C3H6 5CH4 6C2H67C3H8 8C4H10 9煉焦煤氣 10發(fā)生爐煤氣2. 燃?xì)庑再|(zhì)的影響火焰?zhèn)鞑ニ?/p>

15、度首先與燃?xì)獾奈镄杂嘘P(guān)。從傳熱角度分析，氣體導(dǎo)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(dǎo)率最大。碳?xì)淙剂系慕Y(jié)構(gòu)對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿胁煌挠绊?。由圖中曲線可見，對(duì)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(wú)關(guān)，約為70cm/s左右。但對(duì)不飽和烴燃料，則火焰速度隨nc的增多而減小，并且在nc4時(shí)，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(kuò)散速度不同來(lái)解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，隨著燃料分子量的增大，火焰?zhèn)鞑シ秶苍絹?lái)越小。因?yàn)槿剂戏肿恿吭龃?，混合氣總分?/p>

16、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。與燃料分子中碳原子數(shù)nc的關(guān)系3. 溫度的影響(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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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 (2) 火焰溫度的影響 火焰溫度對(duì)Sn的影響較為復(fù)雜。溫度不太高時(shí)，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(rèn)為，對(duì)Sn起決定作用的是火焰溫度。當(dāng)超過(guò)2500時(shí)，火焰溫度的影響已不符合熱力理論了。因?yàn)樵诟邷叵码x解反應(yīng)易于進(jìn)行，從而使自由基濃度大大增加。作為鏈載體的

17、自由基(活化中心)的擴(kuò)散，既促進(jìn)了反應(yīng)，又增強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑??；鹧鎮(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(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?4 . 壓力的影響長(zhǎng)期以來(lái)，許多實(shí)驗(yàn)表明，隨著燃燒時(shí)壓力的升高而其他參數(shù)不變時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒁獪p小。由熱理論分析已知。 對(duì)大多數(shù)碳?xì)淙剂系娜紵磻?yīng)來(lái)說(shuō)，其反應(yīng)總級(jí)數(shù)均小于2。據(jù)上述比例關(guān)系式，只有n2時(shí)，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(shí)，燃燒強(qiáng)度明顯增大，即火焰質(zhì)量傳播速度增大。5 . 濕度和惰性氣體的影響在單一燃?xì)饣蚩扇蓟旌蠚庵屑尤胩砑託鈺r(shí)可以增大或減小火焰?zhèn)鞑ニ?/p>

18、度。大多數(shù)添加氣或是改變混合氣的物理性質(zhì)(如導(dǎo)熱系數(shù))，或是起催化作用。例如，CO燃燒時(shí)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(dāng)混合氣中水蒸氣含量為2.3%時(shí)，最高Sn可達(dá)52cm/s，比干氣燃燒時(shí)高出一倍多。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(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔胁煌挠绊?。一般?lái)說(shuō)，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(shí)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

19、傳播速度與加入水蒸氣量的關(guān)系 N2含量對(duì)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限在燃?xì)?空氣(或氧氣)混合物中，只有當(dāng)燃?xì)馀c空氣的比例在一定極限范圍之內(nèi)時(shí)，火焰才有可能傳播。若混合比例超過(guò)極限范圍，即當(dāng)混合物中燃?xì)鉂舛冗^(guò)高或過(guò)低時(shí)，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到著火溫度，火焰就會(huì)失去傳播