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1、第五章第五章 预混合气体火焰预混合气体火焰5.1 概述概述讨论预混合气体火焰问题就是要研究着火前燃料与氧化剂已经均匀混合成可燃混合气中的火焰传播机理。在预混合火焰的传播过程中化学反应速度、传热、流动、扩散等都起着各自的重要的作用。例如，汽油机中的燃烧是预混合火焰，火焰能在极短时间内传遍整个燃烧室，很重要的因素就是发动机在高速运动时气缸内有足够的气流及湍流强度，使燃烧能力大大增强。在低温时化学反应速度慢，与扩散及传热相比，它在燃烧过程中所需的时间长。因此，化学反应动力学(即反应速度)对火焰的传播起控制作用（即对燃烧过程起主要作用)。在高温时则化学反应速度极快，而扩散与传热却相对是速度慢的环节。因
2、而，扩散与传热对火焰的传播起着控制作用。预混合气体的火焰锋面将燃料混合气体与燃烧产物分开。火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速度、压力等的分布情况如图5-5(b)所示。由于燃烧过程是复杂的化学反应过程，通常它是由许多个中间反应过程所组成。因而，在火焰锋面处有许多复杂的、不稳定的、极为活泼的中间产物。所有上述变量随火焰锋面厚度方向的变化情况称之为火焰的结构。5.25.2 燃烧分类燃烧分类 ( (爆燃与缓燃爆燃与缓燃) )在燃烧现象中，火焰的传播速度与气流的流动状态及速度有关。当火焰的传播速度大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面两侧有很大的压力突变，称之为爆燃(爆震波、爆轰，取决于所在学科
3、，见下表)，此时火焰锋面随同爆震波一起前进，燃烧速度(即火焰传播速度)极快。当载气流的流速较低时燃烧速度较慢。火焰锋面前后的压差较小，称之为缓燃，一般的工业及生活中的燃烧均属此类。表5-4所示为一些预混合气的爆震速度。燃速燃速(m/s)0 1 10 100 1000 3000Deflagration Detonation力学力学爆燃爆燃爆轰爆轰热物理热物理慢燃慢燃快燃快燃 爆震爆震安全安全缓燃缓燃 爆燃爆燃Laminar combustionTurbulent combustion按流动按流动状态分状态分层流燃烧层流燃烧湍流燃烧湍流燃烧下面讨论上述两种燃烧现象与载气流速度及燃烧前后压力变化的关
4、系。图5-2所示为一水平安置的内部充满可燃混合物的等截面圆管，火焰面从管的左端向管内传播。产物 fuf反应物 sus图图 5-2 在可燃混和气的水平管内的反应锋面的传播在可燃混和气的水平管内的反应锋面的传播设燃烧波以稳定的速度沿管向右传播。如取运动着的波面为坐标，取该处为x=0，则可将该波面看作静止的，可燃混合气以恒速（即燃烧速度）流向反应波处，并认为波前方的反应物及波后面的产物各自为均匀的、无粘性并不导热的，下标s及f分别代表反应物及产物，由一维的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程对介质从s状态到f状态的流动有:ssffuu（连续方程） (5.1)22 sssfffupup（Bernolli动
5、量方程） (5.2)2222fs sfuuhh（能量方程） (5.3)在这里，焓的定义中还包括化学生成焓在内。由式(5.1)、式（5.2）合并而得Rayleigh (瑞利)方程：2222 11sf ssfffsppuu (5.4)并可分别地写成：121 11sf f ffsppu (5.4a)式(5.4)的左端实为介质在火焰前后的质量流量的平方，并为定值。设该值为C，则式(5.4)又可写成：11fs sfppCC(5.4b)故Rayleigh方程在形式上又是pf与1/f(或vf)的线性关系式。在p1/ (或v)图5-3a上，如燃烧前状态为（ps, 1/s ）,可在图上得到S点，满足连续方程及动
6、量方程的关系是过S点的直线。图5-3 Rayleigh图和Hugoniot曲线（a）Rayleigh图 （b）Hugoniot曲线当流量变化时，Rayleigh线是过S点的直线束。由于该直线的斜率为：220ssCu ，故 Rayleigh线束在以S点为原点的第一、三限内不存在，如图5-3a所示。当流量u=时，Rayleigh线为一条等容线，当u=0时，Rayleigh 线为一条等压线将能量方程式(5.3)改写成:（5.5）222222111111 22ssss fs sfsfsfuuhh与式（5.4）的Rayleigh方程合并后可得:11 2fs fs fspphh (5.5a)此式为Hugo
7、niot方程式。因为00spssfsfpffffhc Thhc Th所以00 fffshhH 式中：0 ffh，0 fsh为产物及反应物的生成焓；H为燃烧焓（热）再利用1pcR ，且pssfcc及气体状态方程后，Hugoniot又可写成（5.6）111 12fs fs fsfsppppH 这方程是pf1/f 的双曲线型。如流动过程中没有燃烧反应，则0H,Hugoniot曲线是过S点的; 如果有燃烧反应则Hugoniot曲线在S点的上方，离开S点距离与反应的发热量成正比，如图5-3b所示。有燃烧时，火焰锋面后方的流动参数及热力学参数应同时满足Rayleigh方程及Hugoniot方程的要求。因此
8、，火焰后方的状态参数在p1/ 图上是 Rayleigh线与Hugoniot线的交点。 将Rayleigh线与Hugoniot线的重叠在一张p1/图上后就便于研究有流动的燃烧参数变化情况，如图5-4所示。图5-4 Rayleigh与Hugoniot线分析图从音速与热力学状态参数的关系可知：2 211ff f fffdppad (5.12)故：22 1f fffpa （5.13）即Hugoniot曲线上任一点处的斜率是该点状态下以音速流动的质量流通量的平方的负值。但并不是过Hugoniot曲线任意点的切线都通过S点。那些不过S点的切线便不能满足火焰前后的连续流动及动量方程。换句话说，只有过S点与H
9、ugoniot曲线相切的切线S，及S才能满足火焰后的流速为当地音速。但只有大流量时，即在过S点通向ABE范围的Rayleigh线才能产生压缩波(即pf ps)，因此,S的流动为爆震状态(该状态可称之为Chapman-Jouguet爆震状态)，而S尽管也是音速流动，但因是膨胀波，且pf只略小于ps，故它不是爆震状态。表5-2所载数据表明爆震波与缓燃波的一些差异。表5-2 气体中爆震与爆燃的差异此外。在A范围的流动为强爆震，E区间为弱爆震，由F为弱缓燃区，D为强缓燃区。可以证明，在直管有燃烧的流动中，其强爆震区的流动是不稳定的，稍有干扰就会转变成Chapman-Jouguet爆震状态,而弱爆震是不
10、能产生的。也可以证明强缓燃区的有燃烧流动也不能产生。有关爆震波的结构Zeldovich及Doring等认为:爆震波是以爆震波速度运动的激波，在此激波之后为被压缩的高温燃烧产物，燃烧产物的状态为Chapman-Jouguet爆震状态同时释放出燃烧热。图5-5(a)所示为爆震波的结构示意。图5-5(a) 爆震波结构20%的H2与空气混合气爆震波的物理参数估算值如表5-3所示。f面即Chapman-Jouguet状态面，平面S为激波锋面，S为紧贴激波后的平面。表表5-35-3 20%H20%H2 2与空气混合气爆震波参数与空气混合气爆震波参数表5-4所示系一些气体的爆震波速度。从表5-4中可以看出在
11、可燃混合气中增加N2或过量的O2均会便爆震波速度降低。表5-4 一些爆震速度5.35.3 缓燃（层流燃烧）的基本特征缓燃（层流燃烧）的基本特征按Hugoniot曲线对燃烧现象的划分，工业上及日常生活中所涉及的燃烧大多属于弱缓燃区，燃烧速度uo比较慢。不同的燃烧其燃烧速度范围为几个cm/s到数百cm/s。在许多方面，缓燃波要比爆震波复杂得多。这是因为爆震波的速度与外界的干扰几乎毫无关系，它的速度远大于任何干扰过程的速度。由于燃烧，气体混合物在穿过火焰锋面时被加热膨胀，为了使原有的质量流率能够通过， 气体在火焰锋面处必须加速。故已燃混合物的速度远比新混合物的速度为大。(图5-5b)中表达了跨越火焰
12、时的速度及其他参数的变化情况，图5-5（b）缓燃火焰面结构跨越火焰锋面的压差可由式(5.4a)得:2211sfss fsppu (5.4c)例如 H2/O2火焰，故1380sfpppa，3300/ ,0.015 /ssucm sg cm(96700),/10sfsppa TT此压力差大约只有大气压力的1%左右。因此，可以认为缓燃是一个等压过程。究竟是层流火焰还是湍流火焰，与传播速度、管径、混合物的粘度及管型粗糙度等有关。本章将先讨论层流火焰，然后再扩展到湍流火焰。当然，后者是一个人们最为关心的问题。为了便于说明问题，我们首先以图5-5(b)为例考虑一维层流火焰的传播。火焰锋面的厚度可简单定义为
13、最大温差(0fTT)与最大温度梯度/dT dx之比，显然，max(/)dT dx是在温度曲线的拐点处， max(/)fsTTdT dx通常大多数火焰厚度只有几个毫米。在如此薄的空间区域内要进行结构情况的测量需要非常细心和良好的技巧。事实上，火焰锋面远不是理想的一维的(即平面的或盘形的)。由于壁面的摩擦，火焰在管心的速度远大于管壁处。粘度使火焰锋面变成抛物线形。此外，不可避免地有浮力存在将抛物面歪曲成如图5-6所示的非对称形。产物产物反应物反应物图5-6管内火焰的形状还由于向壁面有少量的散热损失。火焰在壁面处将被淬熄(如果管子非常狭小时损失过大，则火焰的传播会完全受阻)。由于传播火焰与管壁的接触
14、只有短暂的一刹，管壁不会从火焰的深处获取热量，因而，火焰尚能勉强传播的最小直径(即淬熄距离或淬熄直径)与管壁的材料无关。如果是定置火焰，则管壁的材料对使火焰得以保持下去的最小管径是有影响的。取up为火焰速度。它是火焰沿管子相对于固定空间的观察者的速度。取us为新鲜反应混合物相对固定观察者的流动速度。则燃烧速度u0可定义为：层流火焰锋面沿其自身的法线方向相对于新鲜反应混合物运动的速度。从此定义出发则火焰速度、新混合气速度及燃烧速度之间有下式的关系:0psuuu(5.13)如火焰传播与新鲜气的流动方向相同用“-“号，反之，用“+“号。燃烧速度是混合物的化学动力学特征常数。它与燃烧反应动力学、有无稀
15、释剂、温度及压力有关。图5-12及图5-13显示了各种混合物的(燃料/氧化剂)比值不同时的燃烧速度的变化情况。从这些曲线可以看到 在化学计量比成分附近燃烧速度最大，与平衡绝热火焰温度随成分变化的形态相似。由式(5.13)知，如us=u0则up=0，火焰为定置，为定置火焰。如usu0 ，则火焰会传入新混合气而构成回火。如usu0 ，则来流使火焰流入燃烧产物脱离火焰固定位置而构成脱火。回火与脱火的概念用本生灯来考虑(见图5-7)。图5-7 本生灯燃料气以较高速度从喷口喷出，空气从进气口被吸人，作为一次空气进入混合管内。如用控制环将进气孔全关，只有纯燃料气从混合管出口流出并形成射流，此时，燃料气流与环境空气相混合产生明亮的扩散火焰。逐渐打开一次空气进气孔使空气吸入混合管，则可以在扩散火焰内呈现出预混合火焰的蓝色火焰锥。进一步增加一次空气量，预混合蓝色
