火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性

關(guān)于火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性第1頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰分類預混合火焰錐體按火焰面位置：移動火焰和駐定火焰移移動火焰基本概念第2頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰——火焰面通過熱傳導和分子擴散把熱量和活性中心提供給臨近尚未燃燒的預混氣體薄層，使火焰?zhèn)鞑ハ氯?。湍流火焰——火焰面的熱量和活性中心向未燃混合氣輸運是依靠流體的渦團運動來激發(fā)和強化，受流體運動狀態(tài)支配。層流火焰湍流火焰按預混氣流動狀態(tài)：層流火焰和湍流火焰第3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰前沿（前鋒、波前）已燃氣新鮮混氣火焰前沿已燃的區(qū)域和未燃的區(qū)域之間形成的分界線特征尺寸極薄，可看成幾何面發(fā)光的火焰層，化學反應區(qū)第4頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰的傳播速度已燃氣未燃氣ndn火焰的傳播速度：火焰前鋒沿其法線方向相對于新鮮混合氣移動的速度。第5頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五平面火焰的傳播方式正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣龋ň徰娌ǎ╊A混氣火焰前鋒燃燒產(chǎn)物爆震波火焰前鋒多個火焰中心電點火不正?；鹧?zhèn)鞑ィū鸩ǎ?/p>

第6頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

層流火焰?zhèn)鞑ダ碚摲譃椋簾崃碚?火焰?zhèn)鞑ミ^程主要是由于反應區(qū)向預熱區(qū)的熱量交換的傳熱過程。擴散理論:火焰?zhèn)鞑ミ^程取決于活性中心濃度的擴散過程。實際中兩種機制同時起作用。第7頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰結(jié)構(gòu)及其特征Cf,0T0TiTm火焰前鋒駐定u0=uLTm,Cf,0up,Tmi+x-xw火焰結(jié)構(gòu)及參數(shù)分布示意圖Cf0→0第8頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰結(jié)構(gòu)及其特征火焰前沿分兩個區(qū)：物理預熱區(qū)和化學反應區(qū)前沿厚度很小，但溫度梯度和濃度梯度很大，存在強烈的熱傳導和物質(zhì)擴散火焰前沿在預混氣中移動，是由于反應區(qū)放出熱量不斷向新鮮混合氣傳遞及新鮮混合氣不斷向反應區(qū)中擴散。第9頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃燒前沿的導熱微分方程對于絕熱條件，火焰面的邊界條件為能量微分方程為：第10頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達式（1）在預熱區(qū)：反應速度W近似為零積分后：澤爾多維奇和弗朗克-卡門涅茨基的分區(qū)近似解邊界條件：第11頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達式（2）在反應區(qū)：反應區(qū)溫度升高所消耗的能量近似為零積分后：邊界條件：第12頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達式（2）拐點處：則求得傳播速度為：第13頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達式（3）因為預熱區(qū)反應速度很小因為反應區(qū)溫度變化不大:火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋簩恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁桥c預混氣的物理化學性質(zhì)有關(guān)第14頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五在固定火焰、穩(wěn)定燃燒條件下：導入熱量獲得熱焓量火焰?zhèn)鞑ニ俣群暧^角度分析：第15頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五選定燃料的火焰速度計算公式

往復式內(nèi)燃機和燃氣輪機在典型溫度和壓力下的經(jīng)驗公式：

參考溫度下：式中：

時：第16頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃料(cm/s)(cm/s)甲醇丙烷異辛烷RMFD-3031.11.081.131.1336.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34第17頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五例題：針對下述幾種工況，對汽油－空氣混合物在下的層流火焰速度進行比較：（1）參考狀態(tài)：（2）典型的電火化點火的條件，即：（3）條件與（2）相當，但有15％的廢氣回流量。第18頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩厝剂?、氧化劑性質(zhì)及其混合比壓力初始溫度添加劑第19頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃料、氧化劑性質(zhì)及其混合比影響燃料種類—火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌怯捎谌剂系臒嵛锢硇再|(zhì)和化學反應性質(zhì)不同造成。甲烷乙烷丙烷丁烷乙烯氫氣CO人工煤氣0.43～0.450.4870.4720.4530.793.45-3.570.175-0.191.0常用燃料層流時的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋é?1）第20頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃料濃度的影響火焰?zhèn)鞑ブ话l(fā)生在一定濃度界限內(nèi),燃料氣過貧或過富，火焰都無法傳播。在火焰?zhèn)鞑舛冉缦拗?，傳播速度等于零。兩者都在化學恰當比濃度XFS附近達到最大火焰?zhèn)鞑ニ俣取錃忸A混氣比一氧化碳預混氣的火焰?zhèn)鞑舛冉缦抟枚唷?80H2/空氣CO/O202040608010004080120160200240XfuL第21頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五壓力的影響壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懭Q于反應的壓力指數(shù)（n-2)/2壓力指數(shù)對uL的影響0-0.30.3201001000(n-2)/2uL第22頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五初始溫度的影響初始溫度提高

實驗結(jié)果m=1.5~2

經(jīng)驗公式cm/s預熱到著火的時間縮短燃燒反應帶溫度提高反應速度加快氣體導熱系數(shù)增加氣體密度減小。火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟮?3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五添加劑的影響活性添加劑（H2）

—火焰?zhèn)鞑ソ缦藓突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣入S活性添加劑濃度改變而發(fā)生明顯變化。惰性添加劑（CO2、N2、He）

—火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，火焰?zhèn)鞑ソ缦蘅s小，火焰?zhèn)鞑O限向燃料濃度減小方向偏移。催化劑（鉑、鈀、銫）

—加入混合氣中對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@的影響。第24頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五加入H2對CO預混氣uL的影響加入CH4對CO預混氣uL的影響活性添加劑H2CO%01001000040800250uLXfCH4

CO%1000010004070060uLXf第25頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五惰性添加劑0.81.400.5uL(m/s)當量比0.81.400.5uL(m/s)當量比加入N2對甲烷uL的影響加入CO2對甲烷uL的影響0%N250%N258.8%N20%CO225%CO232.1%CO2第26頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五催化劑的影響

CO/空氣反應中加入水蒸汽：干CO/空氣：潮濕CO/空氣：第27頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量方法肥皂泡法球彈法平面火焰法本生燈法測定方法分類

移動火焰測定法

駐定火焰測定法測定方法：第28頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五肥皂泡法實際火焰?zhèn)鞑ニ俣裙剑浩渲腥秉c：并非所有混氣適用受水分影響實現(xiàn)困難移動火焰測量法第29頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五球彈法火焰?zhèn)鞑ニ俣葍?yōu)點

可測定不同壓力下、溫度下的以及高壓情況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

只適用火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓幕旌蠚庖苿踊鹧鏈y量法第30頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五平面火焰法駐定火焰測量法使用專門的火焰燒嘴火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔跉饬魉俣葴y量的結(jié)果準確適用于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的預混氣體。網(wǎng)格平面火焰整流網(wǎng)預混氣惰性氣體第31頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五本生燈法平均的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋夯蛘?/p>

駐定火焰測定法RHLu第32頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流火焰?zhèn)鞑サ?3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五不同燃燒速率時湍流火焰表面窄縫燃燒湍流火焰表面第34頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰和湍流火焰的不同層流火焰湍流火焰外觀清晰，火焰層薄外觀模糊，火焰層厚長度較長長度較短火焰穩(wěn)定，表面光滑火焰抖動，呈毛刷狀燃燒時較安靜燃燒時有噪聲流動面積小，粘度系數(shù)大流動面積大，粘度系數(shù)小第35頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流火焰?zhèn)鞑ヌ攸c：層流火焰湍流火焰湍流使火焰面變彎曲，增大反應面積湍流加劇了熱和活性中心的輸運速率，增大燃燒速率湍流縮短混合時間，提高燃燒速率湍流燃燒，燃燒加強，反應率增大第36頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五預混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果·Re<2300,實驗圖形，層流狀態(tài)2300<Re<6000,，小尺度湍流火焰6000<Re<18000,，大尺度湍流火焰1）鄧克爾實驗第37頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五0481216Re20X10012345uT/uLRe對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶〕叨却蟪叨确祷氐?8頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五3)達郎托夫經(jīng)驗公式預混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果2）博林杰—威廉姆斯經(jīng)驗公式第39頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五預混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果湍流火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)驗公式總結(jié)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩兀夯旌蠚庑再|(zhì)、濃度、初溫、初壓，流動狀態(tài)

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

混合氣的物理化學性質(zhì)

流動狀態(tài)（Re）第40頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚摪櫿郾砻胬碚撏牧髅}動——火焰面皺褶變形——燃燒反應表面積增大——燃燒速度增大——湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?/p>

實質(zhì)：火焰面褶皺到那里，就燃燒到那里。容積擴散理論。

湍流混合強度決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣取嵸|(zhì)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃扰c湍流脈動特性有關(guān)，也與可燃物特性及著火燃燒條件有關(guān)。第41頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論層流及湍流火焰前鋒示意圖：1）小尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ偷?2頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

混合氣的物理化學性質(zhì)

流動狀態(tài)（Re）層流：湍流：湍流擴散系數(shù)（渦粘性系數(shù)）：鄧克爾用本生燈湍流火焰實驗證實了此式。第43頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論模型2）大尺度弱湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ瓦M一步發(fā)展的小尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ偷?4頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論模型3）大尺度強湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ?）達朗托夫假定氣團l0火焰速度uM=uL+u’氣團尺寸減小l火焰速度變?yōu)閡L第45頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論模型火焰向氣團內(nèi)部的傳播速度：與實驗結(jié)論相吻合。第46頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五容積擴散理論微團多個新的微團強湍流脈動作用整體燃燒與其他微團結(jié)合邊混合邊反應達到著火條件沒達到著火條件湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃扰c湍流脈動特性有關(guān)，也與可燃物特性及著火燃燒條件有關(guān)。湍流混合強度決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?7頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流兩種燃燒模型判據(jù)表面燃燒模型——保持了層流火焰前鋒的基本結(jié)構(gòu)，燃燒表面積增大。解釋弱湍流。容積燃燒模型——混合氣微團受到脈動的沖擊，表面燃燒已不存在，而是微團整體的反應。解釋強湍流。判據(jù)K定義：第48頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五大尺度弱湍流：皺褶表面理論起主要作用大尺度強湍流：容積燃燒理論起主要作用大尺度較強湍流：兩個理論都可以用第49頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰的穩(wěn)定性火焰穩(wěn)定概念：沒吹熄（脫火），沒回火；火焰區(qū)位置和體積穩(wěn)定。主要內(nèi)容：火焰穩(wěn)定的條件穩(wěn)定火焰的方法第50頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五一維平面火焰穩(wěn)定的條件w0=uL,火焰駐定點火w0uLuLuLw0w0<uL,產(chǎn)生回火w0>uL,產(chǎn)生吹熄（脫火）火焰穩(wěn)定條件uLw0第51頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五本生燈口層流火焰穩(wěn)定機理本生燈火焰特點：外凸邊緣火焰穿透距離（熄火距離）徑向火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?/p>

wn0最大，uL0最大

wnr最小，uLr最小wn0uL0wnruLr圓頂凸緣第52頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五wn0uL0wnruLr圓頂凸緣第53頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五本生燈口層流火焰穩(wěn)定機理w↑，θ↑，火焰伸長w↓，θ↓，火焰變短

米海爾松－顧己定律或余弦定律wwτwnuL理想火焰面θ

切向速度火焰微元段速度分析第54頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五第55頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五圓錐形火焰自動穩(wěn)定機理燈壁射流邊界Rx1）管口0-0截面：外界大氣ywiuLi0w0uL01w1uL1A2w2uL2BC3w3uL3D2）1-1截面：3）2-2截面：4）3-3截面：點火熱源區(qū)分析第56頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五圓錐形火焰自動穩(wěn)定機理區(qū)域收縮、火焰上移D燈壁射流邊界回火區(qū)外界大氣123Rw001yxwiuLiuL0A區(qū)域拉長、火焰下移點火熱源區(qū)收縮為零，出現(xiàn)吹熄點火熱源區(qū)進入噴嘴內(nèi)，出現(xiàn)回火第57頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火和脫火的臨界條件（1）體積流量：噴嘴出口流速分布：徑向速度梯度：第58頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火和脫火的臨界條件（2）臨界吹熄梯度GcrA臨界回火梯度GcrB臨界吹熄流量VcrA臨界回火流量VcrB火焰吹熄火焰回火第59頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火和脫火的臨界條件（3）1）吹熄臨界極限比較陡峭脫火區(qū)火焰穩(wěn)定區(qū)回火區(qū)邊界速度梯度G00.70.81.45000500102燃氣相對濃度（1/α）1.01.22)富燃料混合氣穩(wěn)定燃燒的工作范圍較大CH4/AIR混氣火焰穩(wěn)定特性3)化學當量比附近，混合氣最容易回火，其臨界速度梯度GcrB4)混合氣濃度確定，一固定噴嘴，回火臨界梯度是一個常數(shù)第60頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火與脫火的臨界條件天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的回火特性曲線討論：d0

↑易回火，GcrB↑d0

↓不易回火，GcrB↓d0=constCf↓

<CfsGcrB↓d0=constGcrB↓回火Cf↑

>CfsCf

≈Cfs最易回火GcrBMax第61頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火與脫火的臨界條件討論天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的吹熄特性曲線熄火d0

↑不易吹熄，GcrA↑d0

↓易吹熄，GcrA↓d0=constCf↑GcrA↑第62頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五防止回火的辦法基本方法1）噴口處的UL

↓2）混合氣在噴口處w↑具體措施：1）減小噴嘴孔徑大d0→多個小d0，GcrB↓

2）冷卻噴嘴頭部T壁↓，T混合氣↓，UL

↓3）減小混合氣的α1Cf偏離Cfs，Cf↑UL↓4）改進噴嘴結(jié)構(gòu)和材料：外散熱好,內(nèi)散熱不好,T混合氣↓5）保持較高的噴嘴內(nèi)壓力6）采用擴散燃燒α1

＝0w↑第63頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五高速混合氣流的火焰穩(wěn)定穩(wěn)定火焰的方法鈍體穩(wěn)焰，旋轉(zhuǎn)射流或逆噴射流穩(wěn)焰，值班火焰穩(wěn)焰，突擴通道或偏轉(zhuǎn)射流穩(wěn)焰第64頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(wěn)焰的機理鈍體穩(wěn)焰器鈍體：高速氣流中放置的非流線型物體矩形截面V型截面圓形截面穩(wěn)定性好穩(wěn)定性差不同截面形狀的鈍體穩(wěn)焰器第65頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(wěn)焰的機理回流區(qū)：截面上軸向速度為負值的區(qū)域環(huán)流區(qū)：回流區(qū)外側(cè)的順流區(qū)回流區(qū)環(huán)流區(qū)iiV型槽（鈍體）下游的流場火焰第66頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(wěn)焰理論－能量理論(1)能量理論回流區(qū)熱量新鮮混合氣T0著火溫度TB吸熱回流區(qū)點火熱源提供的能量：混合氣燃燒吸收的能量：速度梯度G第67頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(wěn)焰理論－能量理論(2)討論：表明混合氣消耗能量與提供能量之比取決于混合氣性質(zhì)與燃燒反應條件Qs/Qr↑，維持火焰穩(wěn)定所需要的能量↑Qs/Qr>臨界值，火焰就熄火Qs/Qr臨界值VcrA，wcrA反應級數(shù)n=2,T=const,P=const第68頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五特征時間理論：鈍體穩(wěn)焰理論－特征時間理論τs－新鮮混合氣在回流區(qū)外邊界停留的時間τi－新鮮混合氣點燃過程的感應期τS>τi混合氣被不斷加熱，火焰才能穩(wěn)定住τS<τi或τi/τS>臨界值火焰將熄滅火焰穩(wěn)定取決于兩個特征時間的相對大小。第69頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五討論鈍體穩(wěn)焰理論－特征時間理論能量理論與特征時間理論的穩(wěn)定性準則關(guān)系式基本相同回火和熄火都與速度梯度有關(guān)系P，T=const,d↑有利于火焰穩(wěn)定燃