《燃烧学 教学课件 ppt 作者 陈长坤 第5章 可燃气体预混燃烧》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃烧学 教学课件 ppt 作者 陈长坤 第5章 可燃气体预混燃烧（160页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、燃烧学,主编,5.1 可燃气体燃烧的分类 5.2 可燃预混气体层流燃烧 5.3 可燃预混气体湍流燃烧 5.4 可燃预混气体的爆炸 5.5 可燃预混气体的爆轰,第5章 可燃气体预混燃烧,5.1 可燃气体燃烧的分类,5.1.1 可燃气体燃烧的类型 5.1.2 预混可燃气燃烧波的形式与雨果尼特方程,5.1.1 可燃气体燃烧的类型,1.按照火焰的传播形式分类 2.按照燃烧中可燃物与氧化剂混合模式分类 3.按照流动状态分类,1.按照火焰的传播形式分类,按照火焰的传播形式，气体燃烧可分为缓燃和爆轰两种形式。火焰的缓慢燃烧是依靠导热与分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区引起化学反应，进而使燃烧波不断向
2、未燃混合气中推进，其传播速度一般不大于13m/s，该过程中火焰传播是稳定的。在一定的物理、化学条件下(如温度、浓度、压力、混合比等)，其传播速度是一个不变的常数。,2.按照燃烧中可燃物与氧化剂混合模式分类,按照燃烧中可燃物与氧化剂混合模式，气体燃烧可分为扩散燃烧和预混燃烧两种。扩散燃烧是指燃烧之前燃料与氧化剂分开，一边混合一边燃烧，燃烧主要受扩散混合过程控制，包括以下过程：可燃气体与氧化剂的混合过程；可燃混合物的加热与着火过程；可燃混合物的燃烧过程。,3.按照流动状态分类,按照燃烧物质的流动状态分类，气体燃烧可以分为层流燃烧与湍流燃烧。,5.1.2 预混可燃气燃烧波的形式与雨果尼特方程,1.物
3、理模型 2.雨果尼特(Hugoniot)方程与瑞利方程 3.雨果尼特曲线和瑞利曲线,1.物理模型,图5 - 1 预混气驻定燃烧波 的火焰传播,1.物理模型,(1)混合气(或燃烧波)的流动过程为一维定常流动。 (2)忽略粘性力及体积力。 (3)混合气为完全气体。 (4)混合气(或燃烧波)燃烧前后的比定压热容cp和气体常数不变。 (5)整个过程中气体的分子量保持不变。 (6)反应区相对于管子的特征尺寸(如管径)很小。 (7)混合气与管壁之间无摩擦和热交换。,2.雨果尼特(Hugoniot)方程与瑞利方程,(1)瑞利方程的推导过程。 (2)雨果尼特方程的推导过程。,(1)瑞利方程的推导过程。,(5-
4、1) (5-2) (5-3) (5-4) (5-5),(1)瑞利方程的推导过程。,(5-6) (5-7) (5-8) (5-9),(1)瑞利方程的推导过程。,图5 - 2 预混气火焰传播方式,(2)雨果尼特方程的推导过程。,(5-10) (5-11) (5-12) (5-13) (5-14),(2)雨果尼特方程的推导过程。,(5-15) (5-16) (5-17) (5-18) (5-19),(2)雨果尼特方程的推导过程。,(5-20) (5-21) (5-22) (5-23) (5-24),(2)雨果尼特方程的推导过程。,(5-25),3.雨果尼特曲线和瑞利曲线,(1)区域为爆轰区在该区域，
5、燃烧后压力急剧上升，燃烧后气体被压缩，密度增大。 (2)区为缓慢燃烧区在这个区域内，燃烧后压力降低，密度减少，即燃烧后体积膨胀，马赫数表达式中的分子小于1，而分母又大于1，燃烧波是以亚音速传播的，即通称的正常的火焰传播或缓慢。 (3)图5 - 2中还显示，瑞利直线与雨果尼特曲线存在两个切点B和G。 (4)当Q=0时，也就是不发生燃烧反应，雨果尼特曲线经过未燃区状态点，这时将会形成一般气体力学的激波。,5.2 可燃预混气体层流燃烧,5.2.1 预混火焰前沿的结构及传播机理 5.2.2 泽尔多维奇火焰传播的热理论 5.2.3 层流火焰传播速度的马兰特简化分析 5.2.4 层流火焰传播界限 5.2.
6、5 层流火焰传播速度的测量,5.2.1 预混火焰前沿的结构及传播机理,1.火焰前沿的概念 2.火焰前沿结构特点 3.火焰传播机理,1.火焰前沿的概念,图5 - 3 稳定的平面火焰前沿,2.火焰前沿结构特点,(1)分为预热区和化学反应区两部分。 (2)存在强烈的导热和物质扩散。 (3)着火延迟时间(即感应期)很短。,(1)分为预热区和化学反应区两部分。,图5-3还给出了火焰传播过程中浓度、温度及化学反应速率的变化情况示意图。可以看出，根据这些参数的变化，火焰前沿可以分为预热区(p区)和化学反应区(c区)两个区域。,(2)存在强烈的导热和物质扩散。,根据图5-3给出的火焰前沿内反应物的浓度、温度以
7、及反应速率的变化情况，可以看出，在火焰前沿宽度内，温度急剧上升(T0Tf)，可燃气体浓度迅速降低(c00)。,(3)着火延迟时间(即感应期)很短。,着火延迟时间(感应期)极短，是火焰前沿中化学反应的另外一个特点，这个特点与自燃过程中化学反应的特点不同。由于加速化学反应都需要一定的热量和活化中心，在自燃过程中，依靠化学反应可自行累积热量和活化中心，但这个过程需要一定的准备时间，即着火感应期。,3.火焰传播机理,(1)火焰传播的热理论 (2)火焰传播的扩散理论。,(1)火焰传播的热理论,热理论认为：火焰中化学反应主要是由于热量导致新鲜冷混气升高，化学反应加快，而化学反应区(火焰前锋)在空间中的移动
8、主要取决于从反应区向新鲜预混气体传热的导热系数。,(2)火焰传播的扩散理论。,扩散理论则认为：燃烧均属于链式反应，火焰中存在大量的活化中心(如H、OH等)这种活化中心向新鲜预混气体的扩散促进了链反应，从而导致火焰的传播。,5.2.2 泽尔多维奇火焰传播的热理论,1.简化假设 2.火焰热传导微分方程 3.泽尔多维奇近似解法 4.火焰前沿厚度的计算,1.简化假设,(1)火焰中化学反应主要由分子热活化引起。 (2)研究对象均为简单反应，而非链式反应，且反应活化能很大。 (3)假定反应物和燃烧产物均为理想气体，其物性参数(导热系数、热扩散系数、扩散系数D以及比热容C等)保持恒定(或取其所研究的温度区间
9、内的平均值)，且一般燃烧问题，路易斯数Le(Le=D或Le=D)约等于1，即热扩散系数与扩散系数相等。 (4)气流为一维层流流动，火焰前沿为一驻定的平面，由于动能变化很小，分析中可以不考虑。,2.火焰热传导微分方程,(1)能量守恒方程式。 (2)连续方程。 (3)边界条件。,(1)能量守恒方程式。,图5 - 4 火焰前沿的内微元体中的热流平衡,(1)能量守恒方程式。,(5-26) (5-27) (5-28) (5-29),(2)连续方程。,根据质量守恒定律，可建立一维定常火焰稳定传播的连续方程： (5-30),(3)边界条件。,层流火焰传播的边界条件如下： (5-31),3.泽尔多维奇近似解法
10、,(1)在预热区内能量方程式。 (2)化学反应区的温度分析。,(1)在预热区内能量方程式。,(5-32) (5-33) (5-34),(2)化学反应区的温度分析。,(5-35) (5-36) (5-37) (5-38) (5-39),(2)化学反应区的温度分析。,(5-40) (5-41) (5-42) (5-43) (5-44),(2)化学反应区的温度分析。,(5-45) (5-46a) (5-46b),(2)化学反应区的温度分析。,图5 - 5 层流火焰传播速度与 空气系数之间关系,表5 - 2 几种物质火焰传播速度计算公式,(2)化学反应区的温度分析。,4.火焰前沿厚度的计算,图5 -
11、6 火焰前锋内温度变化与火焰 前沿厚度的定义,4.火焰前沿厚度的计算,(5-47) (5-48) (5-49),5.2.3 层流火焰传播速度的马兰特简化分析,1.简化模型 2.反应区的温度分布 3.控制方程 4.火焰传播速度 5.物理化学参数对层流火焰传播速度的影响,1.简化模型,图5 - 7 火焰前沿中的温度分布,2.反应区的温度分布,为了分析方便，可假设反应区中的温度呈线性分布，即： (5-50),3.控制方程,上述简化模型的热平衡方程式为： (5-51) 根据质量守恒方程，又有 (5-52),4.火焰传播速度,(5-53) (5-54) (5-55) (5-56) (5-57),4.火焰
12、传播速度,(5-58) (5-59),5.物理化学参数对层流火焰传播速度的影响,(1)初始压力的影响。 (2)初始温度的影响。 (3)火焰温度的影响。 (4)可燃气与空气比值的影响。 (5)可燃气体的分子结构的影响。 (6)可燃混合气性质的影响。,(1)初始压力的影响。,根据式(5-67)，当反应级数n2时，火焰传播速度随压力增加而下降；当反应级数n=2时，火焰传播速度与压力无关；当反应级数n2时，火焰传播速度随压力的增加而变快。,(2)初始温度的影响。,根据式(5-59)可以看出，火焰传播速度随混合气初温T0的增加而升高。,(3)火焰温度的影响。,根据式(5-59)，火焰的传播速度将随火焰温
13、度Tf的增加而加快。,(4)可燃气与空气比值的影响。,可燃气与空气存在一个最佳混合比，该混合比下，火焰传播速度达到最大。,(5)可燃气体的分子结构的影响。,碳原子数目对火焰传播速度的影响因物质种类不同有所差异，对于饱和烃，分子中碳原子数目对火焰传播速度基本无影响；对于非饱和烃，随着碳原子数目增加，火焰传播速度将下降。,(6)可燃混合气性质的影响。,由于火焰传播速度正比于热扩散系数的平方根，所以导热系数增加或热容减小，都可使热扩散系数增大、火焰传播速度增加。,5.2.4 层流火焰传播界限,1.火焰传播界限 2.影响火焰传播界限的因素,1.火焰传播界限,图5 - 8 火焰传播界限,2.影响火焰传播
14、界限的因素,表5 - 3 在空气和纯氧中燃烧时的火焰传播界限(%),5.2.5 层流火焰传播速度的测量,1.本生灯法 2.驻定火焰法 3.平面火焰法 4.管内火焰法 5.球弹法,1.本生灯法,图5 - 9 本生灯装置及其火焰,1.本生灯法,1.本生灯法,图5 - 11 火焰传播速度 随径向r的变化,(5-60) (5-61) (5-62),1.本生灯法,2.驻定火焰法,图5 - 12 驻定火焰法测层 流火焰传播速度,3.平面火焰法,图5 - 14 与的关系,3.平面火焰法,4.管内火焰法,计算火焰的层流传播速度： (5-63),5.球弹法,(5-63),5.3.1 湍流火焰和层流火焰的基本区别
15、 5.3.2 湍流火焰速度定义 5.3.3 湍流预混火焰模式 5.3.4 湍流预混火焰模型,5.3 可燃预混气体湍流燃烧,5.3.1 湍流火焰和层流火焰的基本区别,(1)湍流流动可能使火焰变形、皱褶，从而增大了反应表面积。 (2)湍流火焰中，湍流流动可能加剧了热传导速度或活性物质的扩散速度，从而增大了火焰前沿法向的实际传播速度。 (3)湍流使可燃预混气与燃烧产物间的混合加快，使火焰本质上成为均匀预混可燃混合物，而预混可燃气的反应速度取决于混合物中可燃气体与燃烧产物的比例。,5.3.1 湍流火焰和层流火焰的基本区别,图5 - 16 湍流火焰结构示意图 a)瞬间反应锋面的叠合图 b)湍流火焰刷(时
16、均图),5.3.2 湍流火焰速度定义,图5 - 17 在圆筒状燃烧器上测得的 雷诺数对湍流火焰传播速度的影响,5.3.2 湍流火焰速度定义,图5 - 18 计算模型,5.3.2 湍流火焰速度定义,5.3.3 湍流预混火焰模式,1.湍流预混火焰模式判断 2.湍流预混火焰的传播图域 3.三种湍流预混火焰模式的特点与分析方法,1.湍流预混火焰模式判断,(1)模式判据。 (2)丹姆克尔数。,(1)模式判据。,(2)丹姆克尔数。,2.湍流预混火焰的传播图域,图5 - 19 预混燃烧图,3.三种湍流预混火焰模式的特点与分析方法,(1)褶皱层流火焰模式 (2)分布反应模式 (3)漩涡内小火焰模式,(1)褶皱层流火焰模式,图5 - 20 褶皱层流小火焰的结构,(1)褶皱层流火焰模式,(5-69) (5-70),(2)分布反应模式,在分布反应模式下，火焰积分尺度(0/L)和丹姆克尔数(Da)都小于1时，在这种模式下有以下几个特征：流道小而速度大；装置中的压力损失大；火焰维持较困难。所以分布反应模式一般在现实中很难实现。但是由于许多
