燃?xì)馊紵c應(yīng)用-chap4

第四章燃?xì)馊紵幕鹧鎮(zhèn)鞑?/p>

(FlamePropagation)第一節(jié)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A(chǔ)第二節(jié)法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)定第三節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩氐谒墓?jié)混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算第五節(jié)紊流火焰?zhèn)鞑サ诹?jié)火焰?zhèn)鞑舛葮O限意義：

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細(xì)馊紵钪匾奶匦?；?duì)火焰的穩(wěn)定性、互換性有很大的影響；涉及：

燃燒方法的選擇……燃燒器的設(shè)計(jì)……安全……

第一節(jié)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A(chǔ)火焰的定義

快速放熱的氣相反應(yīng)、以亞音速在空間傳播，同時(shí)伴隨可見(jiàn)光輻射。空間傳播特性：化學(xué)反應(yīng)、氣體流動(dòng)、分子擴(kuò)散、熱量轉(zhuǎn)移等綜合作用未燃的可燃混合物是分層的；在某一點(diǎn)上點(diǎn)燃后，形成火焰；火焰是熱量、自由基的中心；熱量以導(dǎo)熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自由基以擴(kuò)散的形式向相鄰區(qū)域傳播。相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。形成火焰的傳播過(guò)程。火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）1.焰面(FlameFront):

火焰鋒面、火焰前鋒燃燒反應(yīng)進(jìn)行的區(qū)域；未燃?xì)怏w與燃燒產(chǎn)物的分界面；2.火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

焰面的移動(dòng)速度；符號(hào)S表示。單位為m/s,m3/m2.s

意義：?jiǎn)挝幻娣e上、單位時(shí)間內(nèi)燃燒的可燃混合物的體積。一、火焰?zhèn)鞑サ姆绞剑ㄒ唬┱；鹧鎮(zhèn)鞑?緩燃波Deflagration)

由于傳熱作用，高溫焰面將熱量傳給未燃?xì)怏w，使其著火、燃燒；依次傳遍整個(gè)體積。等壓下進(jìn)行。1.層流火焰?zhèn)鞑aminarFlamePropagation依靠分子擴(kuò)散、導(dǎo)熱等實(shí)現(xiàn)火焰的傳播。2.紊流火焰?zhèn)鞑urbulentFlamePropagation依靠紊流擴(kuò)散等實(shí)現(xiàn)傳播。法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n問(wèn)題的描述：

火焰在管狀的靜止氣體中傳播；傳播方向與焰面垂直；傳播速度的大小與管壁散熱有關(guān)散熱對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懝軓皆叫?，散熱?duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊懺酱螅?/p>

小到一定程度→火焰不能傳播管徑越大，對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懺叫。?/p>

大到一定程度→散熱影響完全消失

→此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大

法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋篠n

可見(jiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v管徑增大時(shí)，由于燃燒及管壁散熱，在焰面附近引起擾動(dòng)，焰面皺曲，此時(shí)焰面的移動(dòng)方向仍為管子軸向，但不是焰面的法向。沿管子的軸向移動(dòng)的速度稱為可見(jiàn)火焰速度，記作Sv。顯然Sv>Sn層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮恿鲿r(shí)一般很小；H2最大：Sn=2.8m/s;Sv=4.85m/s;CH4最?。篠n=0.38m/s;Sv=0.67m/s;在d=25.4mm管子中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果紊流火焰?zhèn)鞑饬鞒蔀槲闪鳡顟B(tài)：

紊流擴(kuò)散系數(shù)大于分子擴(kuò)散熱量傳遞加劇火焰速度增大；St>SnSt不僅與可燃混合物的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與紊動(dòng)程度有關(guān)(Re/管徑等)（二）爆炸(Explosion)背景：

均勻的燃?xì)?空氣混合物在密閉容器內(nèi)局部著火，燃燒放熱與高溫產(chǎn)物熱膨脹，壓力急劇升高。結(jié)果：

未燃?xì)怏w絕熱壓縮；瞬間燃燒完畢。爆炸自身(緩慢)加熱或點(diǎn)燃（三）爆燃(Detonation)管子的長(zhǎng)與短

短管——燃燒產(chǎn)物及時(shí)排出，等壓下燃燒；長(zhǎng)管——燃燒產(chǎn)物對(duì)未燃?xì)怏w絕熱壓縮，產(chǎn)生激波；火焰到達(dá)之前未燃?xì)怏w已到著火溫度；可燃混合物“一層”“一層”地燃燒。著火的原因：沖擊波的絕熱壓縮；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?000~3500m/s;極具破壞力二、法向火焰?zhèn)鞑ダ碚搯?wèn)題的描述：一端封閉(點(diǎn)燃)、一端開(kāi)口的管子；假設(shè)管子不散熱焰面不皺曲；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導(dǎo)進(jìn)行；燃燒過(guò)程在等壓下進(jìn)行。焰面移動(dòng)、氣流靜止焰面的移動(dòng)速度焰面靜止、氣流反向移動(dòng)氣流的移動(dòng)速度需回答的問(wèn)題法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n=?焰面厚度δ=？燃燒反應(yīng)時(shí)間=？可燃混合物的歷程冷態(tài)時(shí)——濃度為C0，溫度為T(mén)0；接近焰面時(shí)——被預(yù)熱(溫度逐漸升高)，但未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，C0近似不變。T0Ti

——開(kāi)始著火，經(jīng)感應(yīng)期后到達(dá)Ti

’，

進(jìn)行劇烈燃燒，溫度很快升高到Tth；

濃度從溫度Ti時(shí)開(kāi)始下降，燃燼時(shí)C=0?？扇冀M分的濃度變化曲線沿火焰厚度方向的溫度變化曲線燃燒產(chǎn)物的濃度分布曲線化學(xué)反應(yīng)速度曲線火焰的結(jié)構(gòu)焰面以左：預(yù)熱區(qū)+感應(yīng)區(qū)厚度ph反應(yīng)速度很慢焰面以右：反應(yīng)區(qū)厚度ch化學(xué)厚度ch<物理厚度ph在火焰鋒面中取一薄層，討論在單位時(shí)間內(nèi)/單位面積內(nèi)的平衡情況。連續(xù)性方程：動(dòng)量方程：能量方程：混合物自身的焓變化導(dǎo)熱導(dǎo)致的凈能量變化化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量在未燃處的邊界條件：在燃盡處的邊界條件：將火焰分為預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)，其交界處的溫度為T(mén)i在預(yù)熱區(qū)中忽略化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)中忽略自身的能量變化從T0~Ti積分從Ti~Tm積分交界面上的熱流量連續(xù)Ti是未知量；可利用已知條件簡(jiǎn)化：化學(xué)反應(yīng)集中在反應(yīng)區(qū)，預(yù)熱區(qū)中反應(yīng)速率很小。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度變化很小，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化；定義T0~Tm之間的平均反應(yīng)速率分析1、導(dǎo)溫系數(shù)a=/Cp;化學(xué)反應(yīng)時(shí)間與平均反應(yīng)速率成反比，即可有層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c導(dǎo)溫系數(shù)的平方根成正比；與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的平方根成反比。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强扇蓟旌衔锏奈锢砘瘜W(xué)常數(shù)2、壓力的影響平均的燃燒反應(yīng)速率對(duì)理想氣體，成立綜觀反應(yīng)級(jí)數(shù)一般n=1.5~2，所以Sn隨著壓力增大而減??！3、火焰的厚度由和火焰厚度與導(dǎo)溫系數(shù)成正比，與火焰速度成反比。導(dǎo)溫系數(shù)與溫度、壓力的關(guān)系是因此壓力越低，火焰厚度越大。第二節(jié)法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)定

一般可使用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出各種單一氣體在一定條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?；再?jì)算得到混合氣體的火焰速度。技術(shù)上的困難定義：焰面為平面；焰面與火焰?zhèn)鞑シ较蚧驓饬鞣较虼怪?。難以實(shí)現(xiàn)目前采用的實(shí)驗(yàn)方法焰面不能?chē)?yán)格垂直于氣流，但焰面必須是平面；焰面不是平面，而有很小的曲率，但氣流方向必須與焰面垂直。靜力法（動(dòng)態(tài)火焰法）焰面在靜止的可燃混合物中運(yùn)動(dòng)；

火焰核法；皂泡法；管子法；動(dòng)力法(靜態(tài)火焰法)

焰面靜止；可燃混合物以層流狀態(tài)與火焰?zhèn)鞑シ较蜃鱿喾催\(yùn)動(dòng)。球形火焰法；錐形火焰法；平面火焰法倒置火焰法；新月形火焰法；管子法原理管子內(nèi)充滿可燃混合物；點(diǎn)燃后形成火焰、在管子內(nèi)移動(dòng)；用照相機(jī)或攝象機(jī)記錄火焰在不同時(shí)刻的位置。

注意Vb=100Vt保持燃燒過(guò)程中壓力不變實(shí)際情況管子散熱，導(dǎo)致氣流紊動(dòng)，焰面成為曲面，所測(cè)的火焰速度為可見(jiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?dāng)管子直徑增大到一定程度，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒔咏赟n……但是，直徑越大，氣流紊動(dòng)越強(qiáng)烈，焰面彎曲越大，二者相差越大……隨著管子直徑減小，散熱的影響增大，可見(jiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。當(dāng)小到某一值時(shí)，管子的散熱使火焰無(wú)法傳播。此時(shí)的直徑稱做“臨界直徑”——dc在工程上，dc可用來(lái)防止回火

H2:dc=0.9mm;CH4:dc=3.5mm;

焦?fàn)t氣：dc=2mm管子法總結(jié)直觀；受管徑影響比較大、準(zhǔn)確性不夠；只能在相同管徑下對(duì)各種燃?xì)獾膶?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。氫氣水煤氣CO乙烯煉焦煤氣乙烷甲烷高壓富氧汽化煤氣皂泡法(火焰核法)原理：

皂泡是一個(gè)球體，火焰的傳播是對(duì)稱的；焰面與火焰?zhèn)鞑サ姆较虼怪保辉砼菥哂袕椥员诿?，可自由膨脹，過(guò)程是等壓的。計(jì)算：按照皂泡的膨脹率(火焰空間所占體積的變化)問(wèn)題與解決皂泡溶液蒸發(fā)，導(dǎo)致氣體混合物變濕。對(duì)CO，問(wèn)題尤甚；含凈化劑的甘油無(wú)水皂泡皂泡的擴(kuò)張速度起始時(shí)的皂泡半徑結(jié)束時(shí)的皂泡半徑本生火焰法一次空氣→內(nèi)錐；二次空氣→外錐；Benson火焰的特點(diǎn)直徑略大于管口直徑，根部較平

近管口處的未燃?xì)怏w向外擴(kuò)散，火焰根部不與管口銜接——火焰外凸；頂部較平頂點(diǎn)附近散熱損失小，活化中心集中，火焰?zhèn)鞑ニ俣却螅蛭慈細(xì)怏w溯進(jìn)——頂部變圓。只有圓錐中部比較真實(shí)地代表了混合氣參數(shù)下的層流火焰面。Sn計(jì)算原理對(duì)管口出口斷面和錐形火焰面，列連續(xù)性方程：燃燒器出口斷面積燃燒器出口處空氣-燃?xì)饣旌衔锏钠骄魉倩鹧鎯?nèi)錐表面積出口處的平均流速火焰內(nèi)錐表面積火焰表面的位置/面積測(cè)量符合法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩x；光學(xué)方法：發(fā)光法、陰影法、紋影法、干涉法；發(fā)光法：靠近火焰的一面比真正面積大；陰影法：測(cè)的是密度梯度最大的位置，處于中間值；紋影法、干涉法：測(cè)定的是密度的直接分布情況、靠近混合物一側(cè)，較為準(zhǔn)確。顆粒示蹤法Lewis-VonElbe提出；在可燃混合物中摻入氧化鎂/氯化銨/硅油煙霧等既閃光、又不引起化學(xué)反應(yīng)的微小顆粒——連續(xù)頻閃攝象；由頻閃和顆粒移動(dòng)距離，計(jì)算顆粒移動(dòng)速度；顆粒移動(dòng)速度=氣流速度；Benson內(nèi)錐微粒移動(dòng)軌跡——流線內(nèi)錐焰面大部分Sn為常數(shù)中心處有所下降邊緣處Sn下降平面火焰法平面火焰的面積容易測(cè)量；Powling燃燒器。多孔板/蜂窩格/整流網(wǎng)平面火焰防止外圍空氣的擴(kuò)散破壞火焰外緣的平整性適合火焰速度低于15cm/s的氣體不同方法測(cè)量值的比較錐形火焰法平面火焰法Powling火焰CH4第三節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩匾?、燃?xì)鉂舛?混合氣比例)的影響Snmax在燃?xì)獗壤愿哂诨瘜W(xué)計(jì)量比處稍富時(shí)：自由基濃度高；斷鏈概率??；稍富時(shí)，火焰溫度最高，反應(yīng)速度最快；氫氣（化學(xué)計(jì)量比29.6%）CO（化學(xué)計(jì)量比29.6%）乙烯（化學(xué)計(jì)量比6.54%）丙烯煉焦煤氣存在上限/下限！?。《?、燃?xì)庑再|(zhì)的影響導(dǎo)溫系數(shù)越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?、導(dǎo)溫系數(shù)H2:=0.186,Snmax=2.8m/s;CH4:=0.0286,Snmax=0.38m/s2、分子結(jié)構(gòu)炔族>烯族>烷族燃料分子量越大，火焰速度越??；烷烴：火焰速度與碳原子數(shù)無(wú)關(guān)；烯烴/炔烴：碳原子數(shù)以4為界，下降速度趨緩。碳原子數(shù)三、溫度的影響1、初始溫度的影響T0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰溫度的影響初始溫度四、壓力的影響1、一般燃燒反應(yīng)：n<2;2、質(zhì)量燃燒速率隨壓力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=25~50cm/s的火焰，n<2;Sn=50~100cm/s的火焰，n=2;Sn>100cm/s的火焰，n=2;Sn>800cm/s的火焰，n=2.5;壓力對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懳?、惰性氣體的影響CO中加入少量的水，火焰速度快速增大——近1倍！惰性氣體加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加組分的具體影響，需按照對(duì)物性、化學(xué)反應(yīng)途徑等的影響來(lái)全面考慮。CO的火焰速度與水蒸汽含量的關(guān)系無(wú)水1——1.5%N2+98.5%O2;2——20%N2+80%O2;3——40%N2+60%O2;4——60%N2+40%O2;5——70%N2+30%O2;6——75%N2+25%O2;7——79%N2+21%O2;第四節(jié)混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算有必要、有條件時(shí)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試；或按照經(jīng)驗(yàn)公式、根據(jù)單一氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣龋M(jìn)行計(jì)算。CO<20%(以燃?xì)庵械目扇冀M分為100%計(jì))N2+CO2<50%(扣除燃?xì)庵械腛2所對(duì)應(yīng)的空氣?。?！)計(jì)算公式的適用條件準(zhǔn)確程度：與實(shí)測(cè)的偏差小于5%燃?xì)庵蠴2所對(duì)應(yīng)的N2燃?xì)庵械腛2所對(duì)應(yīng)的空氣考慮惰性氣體的影響各單一氣體的最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鲉我粴怏w在最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)的一次空氣系數(shù)計(jì)算燃?xì)庾畲蠡鹧嫠俣鹊臄?shù)據(jù)第五節(jié)紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流相比：

層流——火焰鋒面很薄、光滑；紊流——鋒面變厚、焰面抖動(dòng)/粗糙。燃燒速度增大十幾倍或更高。一、紊流火焰結(jié)構(gòu)燃燒反應(yīng)在發(fā)光的燃燒區(qū)內(nèi)完成；少量未燃盡氣體在高溫燃燼區(qū)內(nèi)繼續(xù)燃燒；紊流火焰特點(diǎn)：焰面皺曲、輪廓模糊；焰面厚度較大、火焰高度較短；火焰穩(wěn)定性變差，易脫火；燃燒時(shí)噪聲較大。二、紊流火焰?zhèn)鞑サ囊话憬Y(jié)論1、紊流火焰的傳播取決于紊流流動(dòng)特性：St與Re有關(guān)Re<2300,St/Sn=1Re=2300~6000,St/SnRe1/2Re>6000,St/SnRe2、紊流火焰速度與混合物濃度的關(guān)系與層流時(shí)基本相同在氣流速度較小時(shí)，相對(duì)層流而言，受濃度影響較小層流紊流表征紊流特性的參數(shù)氣流脈動(dòng)速度的時(shí)均方根值紊動(dòng)微團(tuán)從形成到分裂過(guò)程所經(jīng)過(guò)的平均自由行程表示紊流程度的強(qiáng)弱表示紊動(dòng)范圍的大小，尺度的大小層流火焰的厚度紊流火焰的種類(lèi)劃分小尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度弱紊動(dòng)大尺度強(qiáng)紊動(dòng)焰面厚度稍大于層流焰面皺曲不存在連續(xù)焰面紊流火焰結(jié)構(gòu)圖示小尺度紊動(dòng)大尺度弱紊動(dòng)大尺度強(qiáng)紊動(dòng)容積燃燒模型燃燒產(chǎn)物新鮮混合氣部分燃盡氣體三、紊流火焰的表面理論主要論點(diǎn)：層流火焰鋒面的基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，燃燒集中于鋒面中；紊流火焰比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑颍簜鬟f過(guò)程的加快、焰面的增大；小尺度紊流對(duì)層流火焰aA=a+DTSnSt紊流擴(kuò)散系數(shù)所以由于當(dāng)有小尺度紊流一般只發(fā)生在燃燒器管壁附近；只有在小口徑管子