工程燃烧学_4

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1、第四章预混合气体火焰第四章 预混合气体火焰第四章 预混合气体火焰第四章预混合气体火焰从可燃混合气的制备及燃烧的方式将燃烧现象分成预混合燃烧及扩散燃烧。预混合燃烧是燃料与氧化剂事先混合成可燃混合气以后才进行燃烧的。扩散燃烧就是燃料与氧化剂边混合边燃烧。第四章预混合气体火焰图2-1 燃烧现象 （a）喷灯1观察Bensun火焰 的圈顶效应、壁 面淬熄效应及火 焰外凸效应； 燃料浓度对火焰 颜色的影响； 气流速度对火焰 形状的影响等各 种火焰现象。预混合火焰浓度测量2了解本生灯 火焰内外锥 分离的原理 和方法。 测定预混合 火焰的稳定 浓度界限 (回火曲线 的绘制) Smithell法火 焰分离第四章

2、预混合气体火焰4熟悉和掌握火焰传播速度u0、火焰行进速度up和来流（供气）速度us相互之间的关系。气体燃料的射流燃烧 巩固火焰传播速度的 概念,掌握本生灯法测 量火焰传播速度的原 理和方法。?测定液化石油气的层 流火焰传播速度。 掌握不同的气/燃比对 火焰传播速度的影响, 测定出不同燃料百分数 下火焰传播速度的变化 曲线。层流火焰传播速度的测量第四章预混合气体火焰4.1 概说在低温时由于化学反应速度慢，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（即对燃烧过程其主要作用）。在高温时则化学反应速度极快而扩散速度与 传热却相对是速度慢

3、的环节。因而，扩散与传热 对火焰的传播起着控制作用。在预混合火焰的传播过程中化学反应速度、 扩散、流动、传热等都起着各自的重要的作用。第四章预混合气体火焰预混合气体的火焰锋面将燃料混合气体与燃 料产物分开。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。火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速 度、压力等变量随火焰锋面厚度方向的变化情 况，称为火焰的结构。4.1 概说第四章预混合气体火焰4.2 爆燃与缓燃在燃烧现象火焰的传播速度与其载气流的流速有关。当预混合气的流速大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面

4、两侧有很大的压力突变，称之为爆燃（爆震波）。此时火焰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。第四章预混合气体火焰图4-2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。设燃烧波以稳 定的速度沿管向右传播。取运动的波面为坐标，取该处为 x=0，则可看作波面静止，可燃混合气以恒速（即燃烧速 度）喂向反应波处，并认为波前面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各自代表 反应物及产物。ssff22 sssfff22 sf sf

5、uuupupuuhh22=+=+=+连续方程Bernolli动量方程能量方程（4.1）（4.2）（4.3）4.2 爆燃与缓燃第四章预混合气体火焰在这里焓的定义中还包括化学反应生成焓在内，由式 （4.1）和式（4.2）合并而得Raleigh（瑞利）方程：2222sf ssfffsppuu11= 1/2sf s ffs1/2sf f sfspp1u11pp1u11 = = 并可分别 地写成（4.4a）（4.4）4.2 爆燃与缓燃第四章预混合气体火焰故Releigh方程形式上又是与（或）的线性关系式。如图4-3a，如燃烧前状态为，可在图上得到S点，满足连续方程及动量方程的关系是过S点的直线。当流量变

6、化时，Raleigh线是过S点的直线束。式（4.4）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（4.4）又可写成fs sf11ppCC=+? 常数项（4.4b）fp f1 fUs s1p ，4.2 爆燃与缓燃图4-3 Raleigh 图第四章预混合气体火焰该直线的斜率为22 ssC=u故Raleigh 线束在过S点为原点的第一、三限内不存在，如图4-3a所示。当流量时，Raleigh线为一条等容线，当时， Raleigh线为一条等压线。u= u=0Hugoniot方程:（4.6）4.2 爆燃与缓燃()sf fs sfsfspp111ppHp12 =+第四章预混合气体火

7、焰这方程是的双曲线，如流动过程中没有燃烧反应,则。Hugoniot曲线是过S点的；如果有燃烧反应则Hugoniot曲线在S的上方，离开S点距离与反应的发热量成正比，如图4-3b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Raleigh方程与Hugoniot方程的要求。因此火焰后方的状态参数在图上是Raleigh线与Hugoniot线的交点。如图4-4所示。f f1p H=01p 4.2 爆燃与缓燃第四章预混合气体火焰过S点向Hugoniot曲线作切线，这是一条等熵流动线。()sfffffsfppde d 1/2dp1111d2+ =+这就是Hugoniot曲线上任意点处的切线的

8、斜率。如果是等熵流动，则可得ffT dS0=sfffsfp3pdp111d=+4.2 爆燃与缓燃图4-3 Raleigh 图和Hugoniot曲线 (b) Hugoniot曲线图4-4 Raleigh-Hugoniot曲线分析图第四章预混合气体火焰即Hugonict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。即只有过S点与Hugoniot曲线相切的切线 SI，及SII才能满足火焰后的流速为当地音速。只有大流量时，即在过S点通向AIBE范围的Raleigh线才能

9、产 生压缩波，因此，SI的流动为爆震状态，而SII也是音速流 动，但因是膨胀波，且只略小于，故它不是爆震状态。?音速流动问题音速流动问题2ff f2 fffdpp1ad1 =22f fffpa1= fpsp4.2 爆燃与缓燃第四章预混合气体火焰?IA范围的流动为强爆震，EI区间为弱爆震，由FII弱缓燃区，IID为强缓燃区。?在直管中有燃烧的流动中，其强爆震区的流动是不稳定的，稍有干扰就会转变成Chepman-Jouget爆震状态。而弱爆震也是不能产生的，强缓然区的有燃烧流动也不能产生。?有关爆震的结构，Zeldouich及Doring等人认为：爆震波是以爆震波速度运动的激波，在此激波之后为被压

10、缩的高温燃烧产物，燃烧产物的状态为Chepman-Jouget爆震状态同时释放出燃烧热。如图4-5（a）所示为爆震波的结构示意图。4.2 爆燃与缓燃图4-5 （a）爆震波结构第四章预混合气体火焰可以认为缓燃是一个等压过程。火焰是层流的或是湍流的，与火焰传播速度、管径、混合物的粘度及管型粗糙度等有关。我们先考虑一层流火焰的传播。图4-5（b）所示为速度、温度、成分及压力的定性的分布情况。() ()fsmaxTT dT/dx=22 sfss fs11ppu=（4.4c）4.3 缓燃的基本特征图4-5（b） 缓燃火焰面结构第四章预混合气体火焰事实上，火焰锋面远不是理想的的一维的（即平面的或盘形 的）

11、。由于壁面的摩擦，火焰在管心的速度远大于管壁处。 此外，不可避免地有浮力存在将抛物面歪曲成如图4-6所示 的非对称性。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 将会完全受阻）。由于传播火焰与管壁的接触只有短暂的一 刹，管壁不会从火焰的深处获取热量，因而，火焰尚能勉强 传播的最小值经（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。4.3 缓燃的基本特征第四章预混合气体火焰火焰速度up，新混合气速度us及燃烧速度u0之间有下式的关系：spuuu=04.3 缓燃的基本特征第四章预

12、混合气体火焰图4-6 圆管内火焰的形状4.3 缓燃的基本特征第四章预混合气体火焰气体燃料火焰传播速度的测定熟悉和掌握火焰传播速度u0、火焰行进速度up和来流（供气）速度us相互之间的关系；进一步认识气流量、浓度、温度、压力和管壁散 热对其影响。图4-7 本生灯s0ps0s0uu ,u0,uu ,uu=如则火焰为定置。如则火焰会烧入新混合气而构成回火。如，则来流使火焰流入燃烧产物脱离火焰固定位置而构成脱或。如4-8是本生灯预混合火焰的形状细节（定性的）。可以看出，这 只是近似的锥形体。火焰尖端处呈圆形，火焰的锥底与管口并不 贴合而有一个死区和外悬区存在。随火焰曲率半径与火焰厚度的接近，传热与活化

13、粒子的传播都有 所增强，使燃烧速度增加，在火焰锥顶处火焰锋面向新混合气一 侧逼近，因而，看到的锥顶比较圆。当压力降低时，火焰锋面增 厚、锥顶明显地变圆。在管的边缘出现死区是由于金属管壁的散热所致，热损失导致淬 熄而产生死区，火焰不能存在， 按式（4.3）知火焰锥内的压力 稍大于锥外，一部分未燃混合气能从死区溢出，这种溢出导致了 外悬。图4-8 本生灯火焰锥图4-9 本生灯火焰锥中不同径向位置处的燃烧速度图4-10 由于燃 烧速度与 来流速度差异使 火焰变形)(0ru第四章预混合气体火焰“脱火”即“回火”的实验表明火焰总是向新鲜反应物中传播的，而新反应物的供给速度将火焰 推回并使之稳定。如供应速

14、度比燃烧速度大则火焰发生脱火。4.3 缓燃的基本特征第四章预混合气体火焰4.4 燃烧速度测量的一些问题常用的测量燃烧速度的基本实验方法有三种：喷灯法，长管法和肥皂泡及燃烧弹法。我们首先要介绍确定火焰精确面积的技术。由 两类不同的方法摄影法及粒子跟踪法。阴影法、文影法及干涉摄影法是三种专门的火焰摄影技术。图4-11 用直接法，阴影法及纹影法各自记录的不同火焰区域第四章预混合气体火焰这些技术是基于两种基本物理现象：（1）由于火焰使空间密度不均匀（由于温度及成分的不均匀产生）；（2）当光束通过两种不同折射系数介质的界面时会发生偏折。由于有偏折的光程比没有偏折的大，故穿过火焰的光束从光源到显示屏幕的时

15、间要比不经过火焰的长，从而能指示出光束所经历的密度场。干涉摄影法能表现密度场本身，纹影法能显示密度梯度场，而阴影法则显示密度二阶导数场。4.4 燃烧速度测量的一些问题第四章预混合气体火焰4.5.1 燃料/氧化剂比值的影响最大燃烧速度发生在较化学计量比稍浓的一侧。4.5 影响燃烧速度的因素图4-12 混合成分对燃烧 速度的影响图4-13 燃料百分数对 燃烧速度的影 响第四章预混合气体火焰4.5.2 燃料结构的影响 随着分子量的增加燃烧界限的范围变窄。图4-14 饱和碳氢化合 物及非饱和碳氢化合物4.5 影响燃烧速度的因素第四章预混合气体火焰4.5.3 压力的影响大体上，当燃烧速度降低时（6000时，湍流涡团的尺寸较大，已与管子直径可比，且远比层流火焰锋面的厚度大。 这些涡团不像小涡团那样来增大扩散系数，它们 破坏、歪曲了光滑的“层流”火焰锋面。因而，在不改变当地瞬态火焰结构自身情况下，火焰锋面 的歪曲皱折使流管单位截面积内的火焰面面积增 大，从而增加了表现燃烧速度。T0uReu面积脉动值4.7 湍流预混和火焰的传播图4-27a 夸张了的湍流火焰锋面图4-27b 夸张了的湍流火焰锋面第四章预混合气体火焰当供应速度大于燃烧速度时火焰会被吹跑（脱火）。在不发生脱火情况下新鲜混合物可能像火焰锋面的最大