第8章 火焰的穩(wěn)定理論

2023/2/11第8章火焰的穩(wěn)定理論燃燒與污染控制COMBUSTION&POLLUTIONCONTROL能源與機(jī)械工程學(xué)院SchoolofEnergy&MechanicalEngineering蔡杰2023/2/12本章內(nèi)容8.1火焰穩(wěn)定存在的基本條件8.2本生燈火焰的穩(wěn)定8.3高速氣流中火焰的穩(wěn)定8.4高速氣流中利用引燃火焰穩(wěn)定火焰8.5高速氣流中利用鈍體穩(wěn)定火焰8.6火焰穩(wěn)定理論8.7鈍體火焰穩(wěn)定器的穩(wěn)定極限8.8高速氣流中穩(wěn)定火焰的其他方法8.1火焰穩(wěn)定存在的基本條件當(dāng)火焰進(jìn)入到燃燒器管內(nèi)或進(jìn)出口中進(jìn)行傳播而不發(fā)生淬熄時，就發(fā)生了“回火”。反之，若，則火焰前鋒位置就會向著新鮮混合氣的下游移動而被氣流吹走。這種情況稱為“脫火”，俗稱“吹熄”。因此，為保證在管道中可燃混合氣的連續(xù)不斷燃燒，就要求火焰前鋒穩(wěn)定在某一位置上不動，以便不斷點(diǎn)燃新鮮混合氣。這就是“火焰穩(wěn)定”。2023/2/15燃燒過程中的一個重要課題是研究火焰的穩(wěn)定性及其穩(wěn)定方法。因為對一個工業(yè)燃燒裝置來說，保證穩(wěn)定、安全燃燒是極其重要的。要求一旦著火后，在不同的工作條件下使火焰能維持穩(wěn)定的傳播?；蛘哒f，能使燃燒穩(wěn)定地繼續(xù)下去而不熄滅。就要求不僅懂得在什么條件下能保證火焰的穩(wěn)定，而且還要知道防止火焰不穩(wěn)定的方法。

8.2本生燈的火焰穩(wěn)定火焰由噴嘴噴出后，火焰錐的形狀不可能是正錐形的，否則火焰就難以穩(wěn)定在爐內(nèi)某一位置。其理由如下：假設(shè)火焰是正錐形，那么火焰錐中法向正常傳播速度和氣流速度之間的關(guān)系為：從下圖可知，此時氣流可分為兩個分速，一個垂直與火焰錐的wn，其大小剛好等于wH，另一個為平行于火焰錐的ws，這個分速不斷地將前沿帶離噴嘴。故著火后經(jīng)過τ1瞬間，火焰前沿被ws帶至下圖(b)的位置；經(jīng)過τ2瞬間，只有在火焰錐頂存在少許火焰前沿，因此火焰會最終被吹走而熄滅。由此分析可知，對于穩(wěn)定燃燒的火焰根部不會是正錐形。由試驗研究發(fā)現(xiàn)，在火焰根部出現(xiàn)一圈w=uH的點(diǎn)火環(huán)，在點(diǎn)火環(huán)內(nèi)φ角等于零，這才能保證uH=wcosφ=wn=w；ws=wsinφ=0。出現(xiàn)點(diǎn)火環(huán)的主要原因：①對氣流來說，靠近壁面的速度w→0；②由于管壁向外大量散熱，其溫度較低；③在管壁附近很多活化分子被中斷，使鏈反應(yīng)變慢。這些都導(dǎo)致uH的降低，因此在火焰根部總是可以找到某一圓環(huán)，保證條件uH=w實現(xiàn)。試驗研究發(fā)現(xiàn)，在湍流工況下的動力火焰穩(wěn)定性較差。這是因為湍流運(yùn)動的速度場在軸心分布較平坦，但其在管壁處速度梯度則比層流的高的多，因此使得形成uH=w的火焰根部圓環(huán)面積變小，再加上氣流不斷的脈動，就導(dǎo)致湍流動力火焰較難穩(wěn)定。火焰頂部的形狀試驗發(fā)現(xiàn)，火焰頂部也不成尖錐形，而一般形成一個圓角。這可以用和上面同樣的道理解釋。2023/2/111火焰的回火與脫火的臨界條件uH近似與溫度平方成正比，此時在壁面處uH<w；可燃物噴離噴嘴，散熱損失減少，在Ⅲ截面上出現(xiàn)點(diǎn)A，在該點(diǎn)uH=w；由于散熱進(jìn)一步減少，uH繼續(xù)提高，在截面上存在uH≥w，即在Ⅳ截面上有兩個uH=w的交點(diǎn)；燃燒出現(xiàn)大量介質(zhì)，反應(yīng)物濃度下降，且周圍空氣沖淡作用增強(qiáng)，在Ⅴ截面上又出現(xiàn)一個交點(diǎn)uH=w；在Ⅵ截面上不再有交點(diǎn)。2023/2/113可見在A、B、D、C、A范圍內(nèi)存在著燃燒速度大于可燃混合物運(yùn)動速度的條件，即存在使火焰往A點(diǎn)運(yùn)動的條件。即便由于某種原因使得氣流速度瞬間大于uH時，火焰前沿便被帶回ABDCA范圍內(nèi)，但瞬時過后，又有uH>w，使得火焰前沿又回復(fù)到A點(diǎn)。故可將A點(diǎn)看成不動的點(diǎn)火源，A點(diǎn)的位置與流體動力及可燃混合物特性等條件有關(guān)。由前面的分析可知，氣流速度處于所對應(yīng)的臨界回火和臨界吹熄情況之間的，火焰將會穩(wěn)定地懸浮在噴燃器管口邊緣上方某一距離處，該距離將取決于氣流速度的大小。根據(jù)前面圖所示的模型，劉易斯等提出了邊界層速度梯度相等的火焰穩(wěn)定理論。要使火焰穩(wěn)定得以實現(xiàn)，氣流速度和燃燒速度在該點(diǎn)處的梯度必須相等。如果w和uH都是線性變化，則同時滿足了uH=w的條件。對于層流火焰，速度分布規(guī)律為：此時，為了使火焰穩(wěn)定在噴嘴口且不至于產(chǎn)生回火的條件為：對式（2）進(jìn)行微分得：qV—流出噴嘴的體積流量，m3/s；R—噴嘴直徑，m。8.4高速氣流中利用引燃火焰（小型點(diǎn)火火焰）穩(wěn)定火焰機(jī)理：把熾熱氣流射入高速的、冷的未燃混合氣中，在兩股氣流的邊界處進(jìn)行強(qiáng)烈的熱質(zhì)交換，使冷的未燃混合氣溫度提高，反應(yīng)速率加快，達(dá)到著火、燃燒，從而保證主氣流火焰穩(wěn)定。方法：在流速較高的預(yù)混可燃主氣流附近放置一個流速較低的穩(wěn)定的小型引燃火焰。設(shè)流過截面積為A的可燃混合氣射流的質(zhì)量流量為，若是射流容積為V的某種平均化學(xué)反應(yīng)速率，則可燃混合氣體由于化學(xué)反應(yīng)而消耗的速度將是。如果氣流速度大于這一反應(yīng)消耗速度就將產(chǎn)生吹熄現(xiàn)象。因此，為了維持火焰的穩(wěn)定就必須顯然當(dāng)上述兩速度相等時就處于臨界吹熄工況，此時氣流速度就應(yīng)為極限吹熄速度，即：因化學(xué)反應(yīng)速率為：則8.6火焰穩(wěn)定理論8.6.1基于“回流區(qū)點(diǎn)燃模型”的火焰穩(wěn)定理論假設(shè)：鈍體的回流區(qū)是一充滿著幾乎完全燃燒的、高溫的和成分均一的已燃?xì)怏w區(qū)域。在回流區(qū)與主氣流（未燃混合氣）之間有一很薄的邊界層，未燃混合氣與高溫燃?xì)庠谄渲羞M(jìn)行混合。回流區(qū)中高溫燃?xì)馔ㄟ^湍流擴(kuò)散作用不斷地滲入沿回流區(qū)外緣流動的一小股未燃混合氣中，與其混合并將其加熱。當(dāng)未燃混合氣在“走”完回流區(qū)長度之前，已經(jīng)獲得足夠多的熱量，使其溫度達(dá)到著火溫度而著火，從而形成局部火焰。若已有足夠數(shù)量的未燃混合氣被點(diǎn)燃著火，由局部火焰就會向下游及周圍的未燃混合氣傳播，因而產(chǎn)生穩(wěn)定的火焰。根據(jù)此觀點(diǎn)，火焰的穩(wěn)定取決于回流區(qū)中高溫燃?xì)鈧鹘o鄰近回流區(qū)邊界的未燃混合氣中去的熱量。使未燃混合氣著火所需的時間為τc，決定于著火延遲時間，它包括混合所需時間τmix和著火誘導(dǎo)的感應(yīng)期τi，即：此外，未燃混合氣在回流區(qū)外緣與燃?xì)庀嘟佑|直到點(diǎn)燃為止的接觸時間為：或wl—鄰近回流區(qū)的未燃混合氣沿回流區(qū)邊界的流速；l—著火點(diǎn)離穩(wěn)定器的距離；Lre—回流區(qū)的長度。如果使未燃混合氣著火所需的時間τc小于未燃混合氣與高溫已燃?xì)怏w相接觸的時間τk，則可就保證未燃混合氣不斷被點(diǎn)燃從而獲得穩(wěn)定的火焰。由此可見，產(chǎn)生熄火的極限時刻就應(yīng)是上述兩者時間相等的情況，即：或根據(jù)實驗結(jié)果，可以認(rèn)為在著火延遲時間中，混合時間τmix比τi要短得多，因而可以可以將其忽略，即由著火理論可知，或回流區(qū)長度Lre與穩(wěn)定器直徑D有下列關(guān)系：則由上式可得：或上式等號左邊稱為極限綜合量。在不同的混合氣組成下，產(chǎn)生熄火的極限綜合量可有不同的值。因此，熄火極限條件就可以寫成：α—未燃混合氣組成。8.8高速氣流中其他火焰穩(wěn)定方法逆向噴流（反吹射流）穩(wěn)定火焰利用氣流的旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)射流）穩(wěn)定火焰利用燃燒室凹槽穩(wěn)定