實驗二-層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實驗

實驗二層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實驗一、 預(yù)備知識1、火焰?zhèn)鞑ズ突瘜W(xué)反應(yīng)燃燒發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng)，在這些反應(yīng)中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更多的H或者是分解成更小的碎片。例如，CH4被連續(xù)地轉(zhuǎn)化成CH，CH2,CH。最初形成的各種氧化的中間產(chǎn)物與燃料中的碳結(jié)合而首先變?yōu)镃O,并且燃料中的氫基變?yōu)镠2，所有的中間產(chǎn)物將接著進(jìn)一步氧化，再一次通過自由基的作用，而變?yōu)镃O2和H2O?？偀崃康囊淮蟛糠轴尫哦际前l(fā)生在第二階段。這個次序使燃燒具有自持性，且只能夠發(fā)生在高溫下〔如1500K以上〕。因為只有在高溫下，才能是自由基產(chǎn)生的速率比消耗的速率快，而這對燃料完全變形以及中間產(chǎn)物的氧化是有必要的。當(dāng)點燃預(yù)混燃料時，局部溫度將提高到一個非常高的值，提高了反應(yīng)速率，從而也引起燃料的燃燒，并且釋放出熱量。通過熱傳導(dǎo)把熱量引導(dǎo)到了未燃的相鄰區(qū)域，相鄰區(qū)域的溫度以及反應(yīng)率都提高了，因此燃燒就在那里發(fā)生了。我們知道，熱量的擴(kuò)散是火焰?zhèn)鞑サ脑?，燃燒波傳播的速度取決于燃燒后的溫度以及未燃混合物的熱擴(kuò)散性。為了把高溫區(qū)域的自由基傳遞到與之接觸的低溫的未燃混合物中，質(zhì)量擴(kuò)散也是很重要的；通常質(zhì)量和熱擴(kuò)散率是相同的。在本實驗中，未燃混合物的壓力和溫度與環(huán)境大氣一致?；鹧?zhèn)鞑ニ俣戎灰蕾囉诨旌衔镏械娜剂?氧化劑的數(shù)量，它們反過來又控制著火焰的溫度。貧油(g1)和富油(0>1)的火焰溫度比化學(xué)恰當(dāng)比(0=1)時更低因為偏離化學(xué)恰當(dāng)比時多余的物質(zhì)吸收了由可燃燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量。實際上，溫度最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比比1稍大一些的地方，因為產(chǎn)物的比熱容比化學(xué)恰當(dāng)比時稍低。如果混合物過貧，燃?xì)鉁囟葘⑻?，而不能產(chǎn)生大量的自由基，因此火焰?zhèn)鞑プ兊貌豢赡堋Ｈ绻旌衔镞^富，大量的燃料將吸收自由基，因此使燃燒第二階段不能進(jìn)行。因此，火焰?zhèn)鞑ブ辉谀硞€當(dāng)量比范圍內(nèi)才有可能，這被稱為可燃極限。對于甲烷—空氣混合物，其貧燃極限是，其富燃極限是。2、火焰穩(wěn)定性流動中存在鈍體將在其后引起一個回流區(qū)的產(chǎn)生，這是由于在鈍體邊緣發(fā)生了氣流別離。如果流動的是可燃混合物，并且對其點火，那么火焰就將穩(wěn)定在回流區(qū)和自由流之間的剪切層中。這有兩個原因，一是因為在回流區(qū)的湍流邊界層中有質(zhì)量和熱量的交換，它們將熱的燃燒產(chǎn)物帶入回流區(qū)，使之回流到火焰根部，形成一個連續(xù)的點火源；二是因為回流產(chǎn)生了局部低速區(qū)，因此火焰可能在高的自由流速下連續(xù)?；亓鲄^(qū)實際上在產(chǎn)生動力的每一個場合都有應(yīng)用：在工業(yè)燃燒器、燃?xì)鉁u輪、煤發(fā)電站和加力燃燒室中。它可能是在高速流中穩(wěn)定火焰的唯一的實用的和低成本的方法。最后，當(dāng)速度過高時，火焰將可能會熄滅或吹熄。一個直接的解釋就是，太高的氣流速度將會提高對流和紊流擴(kuò)散的能力，將熱從反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移，使溫度下降，因此易于發(fā)生熄火。另一種解釋是，我們提供了太多的反應(yīng)物，我們對火焰“要求太多”。在燃燒理論中，這種情況經(jīng)常被表達(dá)成兩種時間尺度的比較：當(dāng)完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時間比流體力學(xué)情況所允許的時間〔例如，在反應(yīng)區(qū)的滯留時間〕要長時，就會發(fā)生熄火。包含這些想法的理論是基于良攪拌反應(yīng)器概念，它是實際回流區(qū)穩(wěn)焰的一種理想化模型。根據(jù)這個模型，如果火焰在回流區(qū)的滯留時間太短，使燃燒不能完成，那么火焰將會熄滅。這個滯留時間尺度等于鈍體的直徑除以自由來流的速度U,€=D/U,而化學(xué)時間尺度大約等于€=,/S2,其中SL是層流火焰?zhèn)鱬hyschemLL播速度，a是熱擴(kuò)散系數(shù)〔等于嘰，其中k為導(dǎo)熱率，p為密度，Cp為比熱，所有的值都取室溫下的空氣的相應(yīng)值〕比率Tphys/Tchem叫作Damkohler數(shù)，用Da表示。因此，總的來說，在一個給定的燃燒室中，當(dāng)Da值低于某臨界值時火焰將會熄滅，該臨界值取決于燃燒器的外形參數(shù)。對于熄火還有其他一些更復(fù)雜的理論，但是對于數(shù)據(jù)解釋，這種理論已經(jīng)足夠了。在本實驗中，通過分別改變氣流流率和當(dāng)量比，連續(xù)改變著物理和化學(xué)的時間尺度?？疾煲幌聦τ阝g體火焰，臨界Damkohler數(shù)的概念是否有效。為了將相應(yīng)理論從值班火焰尺寸的試驗臺推廣到真實尺寸的燃燒器，這個概念在工業(yè)上用得非常廣泛，因此學(xué)習(xí)如何應(yīng)用這個概念是非常重要的。二、 實驗?zāi)康?、 演示火焰?zhèn)鞑ミ^程和測定火焰?zhèn)鞑ニ俣取?、 掌握測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牧硪环N方法。三、 實驗設(shè)備火焰?zhèn)鞑ニ俣妊b置〔圖1〕由火焰?zhèn)鞑嶒炁_架一套，浮子流量計兩個，空氣壓力表、甲烷壓力表各一個，雙向開關(guān)一個，點火開關(guān)一個，甲烷流量調(diào)節(jié)開關(guān)一個，單向電磁閥一個，混合器一個、雙路直流穩(wěn)壓電源一臺，數(shù)字計時器一臺，周圍光源傳感器兩個，強(qiáng)化石英玻璃管一個，有機(jī)玻璃保護(hù)屏一個，以及支架、點火火花塞、混氣管等組成。

火焰速度傳播實驗：將調(diào)節(jié)好恰當(dāng)?shù)幕旌蠚饨?jīng)過混合管，輸入到一根長m、直徑25mm的石英玻璃管的一端口上進(jìn)行充氣，經(jīng)過約70秒管內(nèi)充足混合氣體，便將混合管移至窗外。石英玻璃管的另一端口有一點火器裝置將點燃，燃燒的火焰此時在玻璃管內(nèi)可觀察到火球傳播。沿著火球傳播玻璃管外，放置了兩個相距米、用于感知火焰的周圍光源傳感器，并配以相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗中將記錄火焰面先后通過這兩個傳感器的時間差△,然后采用—€xu—-€t計算出火焰通過這兩個傳感器間的平均傳播速度廠。L四、 實驗原理空氣和燃?xì)庹{(diào)節(jié)好當(dāng)量比被分別輸送進(jìn)入一個混合管，該混合管連接一個內(nèi)徑為25mm石英玻璃管，用于火焰?zhèn)鞑ニ俣妊菔緦嶒灐１緦嶒炗^察火焰在一個石英玻璃管中的傳播，是屬于層流火焰?zhèn)鞑ミ^程，它的傳播速度是一個定值。通過測量火焰?zhèn)鞑サ臅r間和距離就能算出傳播的平均速度。在這個實驗中，用于感知火焰面的兩傳感器的距離是固定不變的，為一個定值，這里主要測量火焰通過這段距離所用的時間，時間的測量是通過周圍光源傳感器感受到的火焰發(fā)光面信號傳給數(shù)字計時器，記錄這兩個信號間的時間差就能知道火焰通過兩傳感器的傳播時間。五、 實驗步驟1、圖1所示。打開壓縮空氣閥門〔空氣壓力Mpa〕，調(diào)節(jié)減壓閥出來的壓縮空氣符合實驗壓力要求。2、 打開甲烷氣罐閥門，調(diào)節(jié)減壓閥〔甲烷壓力MPa〕,符合實驗要求。3、 打開控制總開關(guān)，接通電磁閥。4、 調(diào)節(jié)浮子流量計使得壓縮空氣和甲烷流量到達(dá)當(dāng)量比為。=1的流量。5、 將甲烷氣體和壓縮空氣送入混合器，混合器將已知配比適合點燃的混合氣體送石英玻璃管一端中。6、 大約經(jīng)過70秒,關(guān)閉甲烷調(diào)節(jié)控制閥，〔迅速抽出混合管甩到窗外〕管的兩個端口保持堵塞狀態(tài)3?5秒，以便混合氣體繼續(xù)混合，然后按點火器控制鍵，在玻璃管的另一端用點火電嘴點火。此時可以看見一個火焰面從點火端向另一端傳播。觀察火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象并記下火焰?zhèn)鞑r間。7、 記錄兩個傳感器之間的距離AS和過數(shù)字計數(shù)器傳過這段距離所用的時間Ato8、 重復(fù)實驗幾次，求平均值。9、 關(guān)閉甲烷氣瓶閥，關(guān)閉壓縮空氣閥。10、 關(guān)閉電源和數(shù)字頻率計數(shù)器。11、 實驗結(jié)束。六、 實驗數(shù)據(jù)處理1、氣體流量由于本實驗所用空氣為壓縮空氣，則其空氣壓力必然會對流量造成一定影響浮子流量計的讀數(shù)用m3/h表示的體積流量。那么，由公式PV€nRT可知，壓力與體積成反比，用V表示實測的流量，可用公式V€PV/P算出常壓下的空測 air測0氣體積流量Vair。2、 當(dāng)量比對于空氣中的甲烷，化學(xué)恰當(dāng)燃料/空氣體積比為。3、 誤差分析氣流速度的誤差大概為±5%，這是由于浮子高度的讀數(shù)誤差以及浮子流量計標(biāo)定和曲線擬合的誤差。因此在估計計算當(dāng)量比時的組合誤差同時，還必須估計在測量火焰速度和貧油熄火極限時的誤差，這取決于操作者?；鹧?zhèn)鞑ニ俣扔嘞叶桑涸O(shè)氣流與焰鋒法線方向成一夾角卩，可把氣流分解成兩個分速，一個是與焰鋒外表垂直的法向分速un，一個是與焰鋒外表平行的切向分速uT。前者產(chǎn)生的牽連運動將使焰鋒沿a順著焰鋒外表移動。當(dāng)火焰穩(wěn)定時，這兩個分速引起的焰鋒牽連運動將得到平衡和補(bǔ)償，亦即焰鋒相對于燈口的位置不變。顯然，與法向分速un相平衡的正是當(dāng)?shù)氐幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣然茫麄兊拇笮∠嗟榷较蛳喾?，從?shù)值上看un=ul。由于u二ucos€n所以u=ucos€l這就是說，在火焰穩(wěn)定時，迎面氣流速度在火焰前鋒法向上的投影，即法向分速，在數(shù)值上必等于混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，這就是余弦定律。本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎愎剑毫顑?nèi)錐外表積為A/，燈管的截面積為A，，管內(nèi)的平均流速為V，，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L就可以用連續(xù)方程來確定。S=V(A/A)Lttf由于錐體外表積Af大于A，所以SL必小于V。SL(m/s)七、 實驗注意事項點火前一定要確認(rèn)將混氣管移出石英玻璃管，并移至到窗外。監(jiān)控人員必須有一名學(xué)生專人負(fù)責(zé)，向點火人員報告能否點火，接到監(jiān)控人員的可以點火指示。點火人員才能按點火按鍵?；鹧?zhèn)鞑ニ俣葴y量系統(tǒng)的調(diào)試：1．將兩只傳感器分別安裝在距石英玻