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1、第六章 层流预混火焰传播与稳定提 纲 :层流火焰传播速度的确定6.1 基本概念火焰速度火焰结构6.2 一维层流火焰模型6.3 影响层流火焰传播的因素层流火焰传播的热理论6.4 火焰厚度化学和物理因素6.5 火焰稳定 6.1 基本概念一、预混 (动力 )燃烧和非预混 (扩散 )燃烧化学反应进行很快，燃烧的快慢主要 取决于混合扩散速度 ，而与化学反应速度关系不大。rm m 扩散燃烧 :（非预混）Diffusion rm r 动力燃烧 :（预混）Premixed混合过程进行很快 ,燃烧的快慢主要 取决于化学反应速度（或化学动力因素 ），而与混合扩散过程关系不大。燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混
2、合过程有关。动力扩散燃烧 :燃烧燃料所需的时间 m燃料与空气混合时间rm ）（ ch燃烧反应时间r（ ）ph二、 火焰传播速度 （即移动速度 ,只有预混气才有此概念）ndnt+dtt已燃气未燃气火焰前锋： 向新鲜混气传播的火焰前沿（薄薄的化学反应发光区 .厚度、参数变化梯度）。火焰传播速度： 火焰前锋沿 法线方向朝新鲜混气传播的速度（有相对速度 的含义，是相对于未燃混气的速度）。方向： 总是从已燃气指向未燃气。三、火焰传播类型： 层流、紊流和爆震。(矢量形式 ) l L udnu S Sdt p p nu w u绝对速度 =气流速度 +相对速度四、火焰结构层流预混火焰坐标系 通常层流火焰的火焰
3、面是一个厚度在 0.01 0.1毫米左右的狭窄区域 此区域内，可燃混合气的 温度 和 成分 都有急剧地变化 (极大的浓度和温度梯度 )。一维层流火焰结构大多数研究者以温度变化曲线上的拐点 Ti为分界点，把整个火焰面划分为预热区 ph和反应区 r22 )()/(/ uu uAmdvdP )( uu Su )/()/1( dvdPu层流火焰速度 =由于缓燃 Rayleigh线斜率比爆震 Rayleigh线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小得多。Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层流火焰速度）有关。五、通过火焰的压降常数 udxud 0/)(0)/(/ dxduudxdP 2
4、2( / ) ( )( ) 1 ( )/ 1/b u u bu u u u b uu u u uP u u x x uuuu u u uP u u / ( ) ( ) ( ) ( )u b b bubb u u uP R T TP R T T 对于稳态一维燃烧波， 质量守恒方程 变成：忽略粘性影响和体积力（浮力）， 动量方程 可写成：应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，由理想气体状态方程， 连续方程u u b buu碳氢燃料与空气混合物 在大气条件下的层流火焰速度典型值在 15-40cm/s范围内。 的典型值在 5-7范围内， 的典型值等于 1)/(2 ubuu TTuP ub TT / u
5、33 /101 cmg P2 6 50.1 1 / ( 10 10 )P N m atm 由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的压力降 与温度增加相比是 很小 的，因此。因此 的典型值为：因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。层流火焰特点火焰锋面很薄，通常只有 0.01 0.1mm层流火焰压力变化很小，可以认为是 等压流动燃烧过程层流火焰传播速度很低， 通常在 1m/s以下npp uwu 绝对速度 气流速度相对速度nu层流火焰传播的机理有三种理论：热理论： 认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导扩散理论： 认为来自反应区的 链载体 的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素综
6、合理论： 认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响 6.2 一维层流预混火焰传播模型一、层流火焰传播的热理论内容pr 反应区预热区 设火焰前锋在一 绝热管 内以速度 un传播（一维） 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 如果新鲜混气以层流流速 u0流入管内，则当 u0 un时（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋。 将火焰前锋分为两个区域 预热区和反应区。在预热区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等） 分区思想 。 火焰传播取决于 反应区放热 及其 向新鲜混气的热传导。层流火焰传播的热理论内容二、层流火焰传播速度 U
7、n的确定（运用热理论）连续方程0 0 0 nu u u m 动量方程 常数p能量方程0 ( ) ( )n p Rd T d d Tu C R R Hd x d x d x（ 6.2）对于一维带化学反应的 定常 层流流动其基本方程为：化学反应生热量传导的热流 扩散项混气本身热焓的变化 对流项(2-29)把火焰分成预热区和反应区。在 预热区中忽略化学反应 的影响，而在 反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项 。根据假设，在预热区中的能量方程为 :根据分区近似解法，求 Un：0/,(0/,(dxdTTTxdxdTTTxbu平衡时已燃气体）未燃气体）方程 (6-2)中的边界条件如下：0 ( ) ( )
8、n p Rd T d d Tu C R R Hd x d x d x0/)/()/( dxdxdTddxdTcu puu pp cc 常数uTT 0/ dxdT假设 ，对方程（ 6-4）从冷边界到 xi积分得：气体冷边界条件 : 以及预热区：在预热区，假设 RR=0，能量方程（ 6-2）变成：（ 6-4）( / ) ( )i u u p i ud T d x x u c T T （ 6-5）方程（ 6-5）的 物理解释 是：来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进行 预热 ” ，将其温度从 Tu提高到 Ti。0 ( ) ( )n p Rd T d d Tu C R R Hd x d x
9、d x反应区：在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量小，因而可以忽略对流项，能量方程（ 6-2）变成：方程（ 6-6）的 物理解释 如下：在反应区流出的，经热传导进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。Rd ( dT / dx ) / dx RR ( H ) ( / / )iii xx x T T d T d x d T d x 式 中 ；( ; / 0 )ix T T d T d x 式 中将以上方程从 到积分得，1 / 2( / ) 2biiTRxTdT dx H R R dT （ 6-6）到 积分，得0 ( ) ( )n p Rd T d d Tu C R R Hd x
10、d x d x1 / 2( ) 2 biTu p i u RTu c T T H R R dTS 令在 x=xi处，来自方程（ 6-5）和（ 6-6）的热通量相等，于是（ 6-7）解方程（ 6-7），可求出层流火焰传播速度uS1 / 22 1()()biTRuu p u p i u i u THS RRdTc c T T T T / pTcD 热 扩 散 系 数 0iT T R R，令，假设当() ()/ u u i ui pu c Td T d x x T 1 / 22( / )biixTRTH R RdT dTdx 可以看成是反应区中平均反应速率1 / 2T2 1D()biTuupRi u
11、 i u TS R R dTcTHT T T 对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol， ，于是_RR式中（ 6-8a）ibTT略 小 于1 biTiu TR R dTTT 由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得 ,( ) ( )( ) ( )( ) ( )或（ ）f R p i uu u f u R u u p i uf u R p i up i uRfum H m c T Tu w H u c T Tw H c T Tc T THw 得：1 / 22 ( )TLf ,u uDS R Rw （ 6-8b）火焰面控制体1 / 2T2 1D()biTRuu p i u i u T
12、HS R R dTc T T T T 1 / 22 ( )TLf ,u uDS R Rw （ 6-8b）TD从方程（ 6-8b）可见，火焰速度LS受到 扩散输运 （通过 ）和 反应动力学 （通过 RR）的影响。层流火焰传播速度与热扩散系数及反应速度的平方根成正比。也就是说 , 是可燃混气的一个物理化学常数 。LS1 / 2,2 TLf u uDS R Rw TDRR/2 xKTTTT bub 1 7 7 0)(21(21 例 6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷 -空气混合物的 层流火焰速度 。在计算过程中利用 总体单步化学反应机理 估计平均化学反应速率。可以看出，计算层流火
13、焰速度的关键就是计算 和理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：解：由简化的预混层流火焰理论可知：。在简化），温度在火焰内随2 2 6 0 , 3 0 0 ,b a d uT T K T Kx假设 轴成线性变化。,1 ( 0) 0 . 0 6 0 1 5 / 2 0 . 0 3 0 12f f uwwo f uww2 ,1 0 . 2 3 3 1 ( 1 ) 0 0 . 1 0 9 52假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料的平均质量分数分别为：其中 0.2331为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷 -空气混合物空燃比 A/F为 15.6
14、25。0 . 1 1 . 6 538 3 8 2d C HR R kdtC H O2222220. 1 1. 6538 3 8 2 0. 1 1. 65, 0. 1 1. 65, 1. 75 0. 1 1. 65,11( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )1111Ofr f r OOfr f r OOfr f r Od C HR R k C H OdtwwkTM V M VwwkTMMwwkTMM化学反应速率 (摩尔生成率 )：式中km olkT m skm olms 9 0. 7539 5 0. 753150 98 14.83 6 * 10 e x p ( ) ( )150 98 14.83 6 * 10 e x p ( ) 9.55 * 10 ( )17703101325 0 . 1 9 9 7 /( / ) ( 8 3 1 5 / 2 9 ) 1 7 7 0urP k g mR M T,5 1. 75 0. 1 1. 65330.0301 0.10959.55 10 ( 0.1997 ) ( ) ( ) 4444 322.439 / 44107.3 /rFR R Mkm ol s mkg s m/auERA
