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1、1,5.2 预混气体火焰传播,2,一维稳态流动燃烧基本方程组,质量守恒： 0u0= pup 动量守恒： p0+0u02= pp+pup2 能量守恒： h0+u02/2= hp+up2/2,3,燃烧的主要种类,瑞利方程： (pp-p0)/(1/p-1/0)=-m2 修贡纽方程： ( pp/p-p0/0 )/(-1)-0.5(pp-p0) (1/p+1/0)=Q 主要种类 爆燃：弱爆燃、强爆燃 缓燃：弱缓燃、强缓燃,4,燃烧的主要种类,5,火焰传播,预混气体燃烧过程： 着火 燃烧 火焰传播：火焰面向可燃混合气的推进 局部着火 燃烧在一薄层内进行：火焰面，厚度1mm 火焰面将可燃混合气与燃烧产物分开
2、 火焰面逐层传播，直到燃尽,6,火焰传播现象,7,火焰传播的影响因素及其分类,火焰传播速度的影响因素 可燃混合气的物理化学性质 气流流动状况 按照气流速度的大小 层流火焰传播： 湍流火焰传播：,8,层流火焰传播,层流火焰传播： 流动为层流 湍流火焰传播研究的基础 分析火焰传播机理,9,层流火焰传播速度,火焰传播速度SL：火焰面在其法线方向上相对于可燃混合气的移动速度 火焰传播速度： SL= Un- wn 气流速度等于零： wn0， SL=Un 气流速度等于火焰传播速度： SL =-wn， Un=0，火焰面位置驻定 层流火焰传播速度测定：本生灯,10,几种可燃混合气的层流火焰传播速度,11,层流
3、火焰传播理论,层流火焰传播速度： 基本特性参数：与燃料种类、氧化剂种类、可燃混合气组成、温度、压力等有关 SL=f(Cfuel,Cox,T,P) 层流火焰传播速度理论 热力理论：化学反应集中于火焰面内，剧烈反应和放热引起极大的温度梯度和浓度梯度，新鲜可燃混合气的着火和燃烧由导热维持 扩散理论：化学反应集中于火焰面内，剧烈反应和放热引起极高的温度梯度和浓度梯度，新鲜可燃混合气的着火和燃烧由自由基扩散维持，自由基主要是H、OH等,12,层流火焰面结构,13,层流火焰传播的热力理论,主要假设 火焰面中的化学反应是热活化的结果：火焰面剧烈放热热传导加热可燃混合气活化中心增加引起剧烈化学反应 化学反应为
4、简单反应，活化能很高：不考虑链锁反应引起的活化中心增加；活化能越高，火焰面厚度越小，反应区温度接近于理论燃烧温度 反应物和燃烧产物均为理想气体，各种热物理参数均为定值 反应区定压、绝热 气流为一维流动 火焰位置驻定，火焰形状为平面 坐标系原点位于火焰面上：新鲜预混可燃气流入，燃烧产物流出,14,基本方程组,连续性方程： w= 0w0= 0SL=constant 动量输运方程： p=const 能量输运方程： 边界条件:,15,求解过程,准确求解困难：非线性项 近似求解： 分区近似求解法：预热区+反应区 预热区：p，忽略化学反应，在预热区厚度p处，可燃混合气达到着火温度 反应区：c ，忽略对流热
5、,16,预热区求解,求解方程： 边界条件： 结果：,17,反应区求解,求解方程： 边界条件： 结果：,18,火焰传播速度计算,预热区与交界面上温度导数相等： 着火温度Ti未知，需近似求解 Cf,0q=0cp(Tf-T0) 平均反应速度：,19,层流火焰传播速度计算式,层流火焰传播速度计算式： 变形后得到层流火焰传播速度计算式为：,20,几点说明,当可燃混合气种类、组成确定后，层流火焰传播速度是一个特性参数。 确定层流火焰传播速度的主要问题是确定平均反应速度。 火焰传播速度计算公式不是太准确，但说明影响了层流火焰传播速度的主要因素。,21,火焰传播速度计算值与测量值的对比,22,层流火焰传播速度
6、的测定,圆柱管法：静力法，预混可燃气静止，照相确定火焰面移动时间与距离 本生灯法：动力法 激光测试法：非接触测量,23,圆柱管法测定传播速度,24,本生灯法,25,本生灯法测量原理,1：内锥为蓝色火焰，外锥为紫红色火焰 1：内锥为蓝色火焰，外锥为黄色扩散火焰 测量内锥得到层流火焰传播速度,26,本生灯法测量原理,假定内锥面为正锥体： 流出燃料与内锥面上烧掉的燃料量相等 0wf=0SLF 设锥角为、锥高为h，出口半径为r 圆锥侧面积：rsqrt(h2+r2) SL=wr/sqrt(h2+r2) 测量h、r 流速测量：w=qV/(r2),27,火焰面宽度,定义：dT/dx=(Tf-T0)/ 计算值
7、：=a0/SL,28,层流火焰传播速度的影响因素,可燃混合气的性质 组成 温度 压力 掺杂物的种类与数量,29,可燃混合气性质的影响,导温系数越高，层流火焰传播速度越大 导热系数高 热容小，温升增加 化学反应速度越大，层流火焰传播速度越大： 化学反应是热活化的结果：活化分子越多，反应速度越快 氧化剂为氧气时，反应速度增加，层流火焰传播速度增加,30,燃料分子结构的影响,烷烃火焰传播速度基本与碳原子数量无关，约为70cm/s 烯烃火焰传播速度随着碳原子数量的增加而减小 炔烃烯烃烷烃,31,混气组成的影响,随着混气组成与化学计量比的接近程度减小而增加 位于化学计量比时，反应温度最高 碳氢燃料的火焰
8、传播速度： =0.96时，SL=SL,max,32,压力的影响,压力对传播速度的影响，主要体现在压力对反应速度的影响 刘易斯认为：SLpm m：刘易斯压力指数 反应级数： 0SLw1/2 wpn 理想气体状态方程：p0 SLpn/2-1 轻质碳氢燃料的反应级数：1.52 火焰传播速度随着压力的减小而增加，但着火条件变差 从反应级数来看，随着压力的增加，传播速度降低，但燃料密度增加，流入反应区的可燃混合气流量增加，故反应速度也将增加,33,温度的影响,层流火焰传播速度随着初始温度的增加而增加： 定性解释： SLexp(-E/(RTf) Tf=T0+Cf,0Q/cp 在高温下不适用：高温下将出现离
9、解 温度对层流火焰传播速度的影响： SLT0m,m=1.52,34,掺杂物的影响,掺杂物的种类： 不可燃成分 可燃成分 不可燃掺杂物： 火焰传播速度减小：SL=SL (1-0.01N2)-0.012CO2 本质是对可燃混合气/cp的影响 过量的氧化剂或过量燃料，相当于掺入不可燃成分 可燃掺杂物：问题复杂，与不同燃料的反应机理有关,35,层流火焰传播界限,燃料燃烧过程：着火+火焰传播 火焰传播界限： 随着混气组成偏离化学计量比程度的增加，燃烧温度降低，导致火焰不能传播，出现淬熄 着火界限不等于传播界限：反应区与未燃区之间的导热状况 当SL210cm/s时对应的混气组成为传播界限：上限、下限,36
10、,火焰传播界限定义,37,火焰传播界限的影响因素,压力：随着压力的增加而增加 温度：随着温度的增加而增加 管径： 淬熄直径dT：dT=const/(SLP) SL：理论火焰传播速度，对应于无散热条件 管径对火焰传播界限影响的分析 管径减小，比表面积增加，散热增加 管径减小，活化中心与壁面碰撞加剧，活化中心销毁速度增加 淬熄直径的影响因素： 提高管内可燃混合气初温，活化中心增加，淬熄直径减小 增加压力，分子自由程减小，活化中心与壁面的碰撞、销毁几率减小，淬熄直径减小 工程应用：通过减小直径，防止回火,38,比表面积与管径之间的关系,39,火焰传播界限的确定,估算： 上限：化学计量比对应浓度的三倍
11、 下限：化学计量比对应浓度的50%,40,湍流预混可燃气的火焰传播,湍流预混火焰的特点 湍流火焰传播速度： 湍流火焰传播速度剧烈增加 SL=3080cm/s ST/SL：剧烈增加 汽油燃烧室：ST=2070m/s 火焰面出现皱褶、变厚，火焰区轮廓模糊：湍流脉动 火焰长度减小 存在噪音：火焰区存在较大的压力变化和密度变化 NOx生成量小,41,湍流火焰传播速度与雷诺数之间的关系,42,湍流预混火焰锋面,层流预混火焰面：隔开未燃气和产物 湍流预混火焰面：隔开未燃气与正在燃烧的成分 湍流火焰传播速度ST：开始燃烧形成的火焰面在其法向与混气之间的相对速度,43,湍流火焰传播速度理论,湍流火焰传播速度理
12、论 皱折层流表面燃烧理论 火焰传播仍是层流火焰传播机理起作用，但湍流脉动将引起火焰面出现弯曲、皱折，导致火焰面面积增加，从而引起火焰传播速度增加 微扩散容积燃烧理论 湍流脉动引起热量和活化中心输运速度增加，进而提高燃烧速度 两种理论的地位：表面燃烧理论相对比较完整,44,表面理论模型与容积燃烧模型,45,湍流场中某点的速度变化,46,皱折层流表面燃烧理论,谢尔金： 湍流各向同性假设 各种湍流参数均是常数：w,l,aT,DT,T 未说明湍流参数对火焰面弯曲程度的影响 邓克尔： 对DT=lw，应分别考虑尺度和脉动对湍流燃烧的影响 湍流尺度：大尺度、小尺度 脉动速度：弱湍流、强湍流,47,皱折层流表
13、面燃烧理论,表面燃烧理论的基本思想： 湍流火焰传播速度增加是由于湍流脉动引起火焰面积增加引起的 湍流燃烧的主要种类 按照湍流尺度分类： 小尺度：lL 按照脉动速度与层流火焰传播速度的比较 弱湍流： wSL,48,小尺度湍流燃烧模型,49,小尺度湍流的火焰传播速度,小尺度：Re=23006000 lL 火焰面由平面转化成波浪形表面 火焰传播速度： 层流：SL=(aL/m)1/2 湍流： ST=(aL+aT)/m1/2 湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度之间的关系： ST/SL=1+aT/aL1/2 aT=lw：Pr=1,Le=1 ST/SL=1+lw/aL1/2 小尺度湍流条件下，湍流火焰传播速
14、度既与混气物理化学参数有关，也与湍流有关,50,小尺度湍流火焰相关计算式,实验表明： ld；ww lw/aLdw/L=Re 火焰传播速度计算式： ST=SLRe1/2 ： 应用范围：Re=23005000 ST=ARe+B： 应用范围：Re=500018000 湍流火焰面宽度计算式： T=L 1+lw/aL1/2 T=STm= SL 1+lw/aL1/2a/SL2= a/SL 1+lw/aL1/2= L 1+lw/aL1/2,51,小尺度湍流条件下火焰传播速度与雷诺数的关系,52,大尺度湍流燃烧火焰传播,层流条件下，火焰厚度大约为0.5mm，可见小尺度湍流模型只适合于小尺寸场合（几个mm） 大
15、尺度湍流燃烧 大尺度弱湍流 大尺度强湍流,53,大尺度弱湍流火焰传播,大尺度弱湍流燃烧特点： 火焰面仍然连续 火焰面的弯曲、皱折程度增加 湍流火焰面是厚度为T的发光区 湍流火焰传播速度 ST/SL=AL/AT AL：已经弯曲的层流火焰面表面积 AT：可见火焰锥体的内表面积 确定出层流到湍流的火焰面积增量后就可以确定湍流火焰传播速度,54,大尺度弱湍流火焰传播速度,火焰传播速度计算式： ST=SL1+(2w/SL)21/2 谢尔金的观点： 弯曲火焰面由许多锥体组成 湍流火焰面面积增加量是锥体侧表面积与底面积之比：AL/AT=1+(h/r)21/2 锥体高度为：hwwl/SL 锥体半径：rl 在管
16、内流动中，湍流尺度为定值,55,几点说明,谢尔金公式表明： 湍流强度很弱时：ST=SL 湍流强度很强时：ST=w，只与脉动速度有关 谢尔金公式只能近似估算湍流火焰传播速度 湍流火焰传播速度经验公式：,56,大尺度强湍流,火焰面特点： 火焰面不再连续 燃烧气团可能脉动到新鲜未燃气 新鲜未燃气也可能扩散到燃烧区 火焰面区域较宽 湍流火焰传播速度定义： ST=SD+SL SD=sqrt(x2)/b：湍流气团的扩散速度 x：湍流气团的瞬间位移 b：湍流气团烧完所经历的时间,57,大尺度强湍流燃烧模型,58,火焰传播速度计算式,弱湍流： 扩散速度：SD=w 传播速度：ST=SL+w用于连续火焰面 强湍流： 扩散速度：SD=sqrt(2wlla/b) 传播速度：ST=SL+sqrt(2wlla/b)用于不连续火焰面
