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1、2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,1,第六章预混可燃气的火焰传播,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,2,第一节火焰传播的概念,火焰传播：当预混合燃物被点燃后，在着火处形成一层薄的火焰面，这层高温火焰面以热传导的形式加热相邻的可燃物，使其温度升高，形成新的火焰面；这样火焰不断向未燃气体方向移动，使之一层一层着火、燃烧，把整个燃烧过程推进到整个空间，这种现象称为火焰传播。 该火焰面称为火焰前锋、火焰前沿或者燃烧波、反应波。,火焰分类：根据火焰前沿是否移动，分为移动火焰与驻定火焰两种。根据预混气流的流速，分为层流火焰、湍流火焰两种。,注意：工程中常见的是湍流火焰，因此研究
2、湍流火焰具有现实意义；但是层流火焰的研究工作是基础。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,3,可燃物,产物,U,产物,可燃物,U,管子一端封闭，内有可燃混合物。开口端点火，火焰锋面将加热未燃物，使之着火，锋面以速度U向左移动；产物排出，直到最后全部燃尽。这种靠传热传质作用使火焰锋面传播的过程，称为正常燃烧。,若管子相当长，闭口端点火，火焰锋面将加热未燃物并着火，但是产物却无法释放，造成管内压力骤增，火焰传播速度将急剧增大，在510d形成高速波，即爆震波，每秒几公里。,可燃物,w,产物,U,管子两端开口，可燃物以与U反向速度w流入当U大于w时，火焰前锋向可燃物上游移动当U小于w时，火
3、焰前锋向可燃物下游移动当两者相等时，形成驻定火焰，实际燃烧装置的火焰都是驻定火焰,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,4,真实的火焰锋面,在真实环境下，火焰锋面并非上述的那样个平面，而是呈现不对称抛物状。原因：1、气流粘性的存在使之与管壁之间存在摩擦，因此靠近壁面的燃烧速度小于轴心的燃烧速度，从而使之呈现抛物状。2、由于浮力的作用，火焰上半部分的温度高于下半部分，因此上部的传播速度较快，从而使抛物面呈现不对称状。,猝熄效应：由于管壁的散热，火焰在壁面附近受到冷却，温度降低而熄灭，即在管壁附近不存在火焰。从管壁开始，无火焰存在的那段径向距离称为猝熄距离。,火焰锋面的厚度一般在0.01
4、1mm之间，相对与系统的特性尺寸来说很小，因此理论分析时将之看作平面。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,5,Microgravity Combustion Science,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,6,可燃预混火焰的传播,火焰在大空间的蔓延实验与数值模拟结果,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,7,第二节正常火焰传播速度,正常火焰传播速度：即层流火焰的传播速度，定义为层流火焰前锋法线方向上的位移速度和预混可燃物流动速度的相对速度。,Up,可燃物,w,产物,如图，设火焰前锋某点法向速度为Up，该点可燃物流速为w，则火焰传播速度为：U=Up+w,1
5、、静止气流中，w=0，U=Up，即火焰传播速度等于锋面法向速度；2、当火焰锋面静止时，Up=0，火焰传播速度等于气流速度；3、对于理想化一维平面火焰，火焰锋面速度处处相等。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,8,一维火焰前锋锋面结构,锋面内存在强烈的热量与质量交换，可燃物经历加热、着火、燃烧、燃尽等过程；锋面内各参数都发生变化。,1、温度由T0逐渐升高到TC，反应速度较慢，预热区。着火后，温度、反应速度骤增，反应区。随着可燃物浓度降低，反应速度减小，直到燃尽，燃尽区。有时将后两个合并为反应区。,2、反应物浓度逐渐减小、生成物浓度逐渐增加。,3、火焰前锋很薄，但是理论分析时不能忽略
6、。锋面内温度、浓度梯度很大，存在自然对流、强制对流、导热等热量交换形式以及流动、扩散等质量交换形式。存在强烈光辐射，可以根据发光区判断反应区位置。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,9,一维层流平面火焰锋面内能量方程的建立,可燃物,对于火焰锋面内厚度为x的微元，温度T沿可燃物流动方向逐渐提高，热流则从右侧高温区导入、左侧导出（导热项）；同时可燃物以U的质量流量自左边带入热流（对流项）；锋面还有反应放热，微元体本身温度升高吸收热量等。 稳定火焰传播时，微元体内没有热量积累，可以建立能量平衡关系：,热流,通过求解能量方程可以得到温度场的分布，但若要求解火焰传播速度却比较困难，因为存在
7、复杂的指数函数。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,10,泽尔多维奇：苏联理论物理学与天体物理学家。对于黑洞理论提出了独到见解。著有“爆震物理”。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,11,两区近似法求解火焰传播速度,1、在预热区，忽略化学反应，方程化为：,从T0到Ti积分一次,得到着火点温度梯度,2、在反应区，忽略对流项，方程化为：,从T0到Ti积分一次,得到着火点温度梯度,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,12,在T=Ti处，温度分布应该是连续的，所以上述两式相等。因此可以得到层流火焰的传播速度可以写为：,右图是释热速度与温度的关系，可见：,因此可以
8、认为：,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,13,第三节正常火焰传播速度的测定,由于预混火焰火焰分为移动火焰与驻定火焰两种，因此测定方法分为：移动火焰法包括圆管法、肥皂泡法、封闭球弹法等，驻定火焰法包括本生灯法、颗粒示踪法、平面火焰法、激光测速法等。,1、肥皂泡法：将预混可燃气体注入肥皂泡，中央点火，火焰前锋呈球形扩展。利用摄像机记录火焰移动轨迹，得到dr/dt。产物的等压膨胀引起气体运动进一步推动火焰前锋的移动，因此要加以修正。,夏尔丹“吹肥皂泡的少年”,肥皂泡,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,14,2、密封球弹法：适用于测量火焰传播速度较高的可燃混合气。在钢质球
9、弹内充气，中间点火，定容条件发生火焰传播。测定压力、压力变化律，照相拍摄火焰前锋传播速度dr/dt，最后扣除压力波的影响。,3、平面火焰法：喷嘴出口装整流网来均匀气流速度，通过调节可燃物速率使火焰呈平面状。此时火焰传播速度与气流速度恰好平衡，测量火焰面积与可燃物流量，计算得到火焰传播速度。适用于火焰传播速度比较低的可燃物。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,15,本生灯火焰,本生,本生与基尔霍夫被称为光谱分析的创始人。本生煤气灯火焰透明而不发光，便与光谱分析。本生灯至今仍有广泛应用。,本生灯时测定火焰传播速度最常用的方法。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,16,直
10、管型出口本生灯管口火焰,特点：火焰前锋呈曲面锥体状，顶部为圆形，锥底外缘略有凸出。这是因为：1、锥顶处传热强烈，因此火焰传播速度更大，造成圆顶。当压力很低时，火焰前锋厚，圆顶更明显。2、管壁的冷却作用促使近壁处出现猝熄距离。3、管内压力略高于环境压力，造成火焰根部向外凸出。,由于出口流速呈现抛物状，本生火焰的传播速度并非处处相等，顶端轴心处由于温度较高、活性中心较多，火焰传播速度U最大,出口壁面处等于零，中间段基本相同。,a=1,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,17,对于这种本生火焰，一般假设锥体高度为L，出口半径为r，任意在锥面上取微元面，则该微元在高度上的投影为dL，在径向
11、投影为dr。因此：,上式就是锥体形状的微分方程，将上式积分就可以得到锥体高度，但是由于沿r方向的可燃物流速w与火焰传播速度U都是变化的，因此积分困难。所以用这种直管出口本生灯测定火焰传播速度比较困难。 并且照相得到的是反应区图像（发光区），接近外锥面，计算得到的火焰速度偏小。所以需要加入氧化镁等示踪粒子进行测量，比较复杂。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,18,缩口本生灯火焰,这种出口气流速度均匀（边界层除外），所以火焰前锋基本上呈现正锥体状。此时只要测量出口气流的平均速度w、锥顶夹角2a或者测量可燃物体积流量就可以值及计算得到火焰传播速度。,2017/5/22,河北工业大学能
12、源与环境学院,19,5、颗粒示踪法测量火焰传播速度：在可燃混合气中掺入一种既能发光、有不参与化学反应的细小颗粒如氧化镁、硅油烟雾等，并连续加一频闪照射，然后照相，据此确定气流的流线谱。根据示踪粒子的间歇距离和频闪速度计算气流速度。（美国Lewis实验结果）,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,20,第四节影响火焰传播速度的因素,1、燃料、氧化剂性质极其混合比例的影响：不同的燃料具有不同的物理性质，因此其火焰传播速度不同。 可燃混合物中燃料的摩尔浓度对于火焰传播速度影响较大。在燃料很贫惑者很富的可燃混合物中，火焰一般不能传播。亦即火焰传播存在浓度的稀县与浓限，上下限处火焰传播速度为零
13、。 在化学当量比下，多数可燃混合物具有最大的火焰传播速度；以空气作为氧化剂时，最高火焰传播速度发生在化学当量比略大的一侧。因此此时活性中心浓度较大。,可燃物性质影响,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,21,2、压力的影响：实验证明，压力对火焰传播速度的影响比较复杂。一般认为火焰传播速度与压力之间存在以下关系：,因此，当反应级数小于2时，火焰传播速度随着压力的升高而降低；当反应级数等于2时，压力没有影响；当反应级数小于2时，压力降低，火焰传播速度也降低。,压力的影响,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,22,可燃混合物浓度与压力影响火焰传播973项目子课题“大空间着火蔓
14、延机理”,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,23,可燃物初始温度的影响,3、初始温度影响：初始温度提高，预热时间缩短，燃烧区反应温度提高，反应加快，因此火焰传播速度提高。 所以工程中利用预热空气与燃气的方法来提高燃烧效率。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,24,惰性气体的影响,4、惰性气体的影响：惰性气体的加入相当于降低了氧的含量，因此反应速度降低、火焰传播速度降低；并缩小了可燃极限。 工程中经常采用纯氧、富氧燃烧方式来提高火焰传播速度。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,25,系统冷却的影响,5、冷却的影响：对系统冷却将降低火焰传播速度。 例如管内
15、燃烧，直径越小，相对冷却面积就越大，当直径小于某一数值时，火焰将不能在管内传播，该直径称为火焰传播的临界直径（熄灭直径）。 当管径增大到一定程度时，散热的影响可以忽略，此时测量得到的火焰前锋速度就是正常火焰传播速度。 工程中，烟气取样管为了保证烟气成分稳定都采用细管，就是考虑了熄灭直径；如果管径较大，就需要考虑强制冷却。,Testo烟气分析仪,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,26,第五节 预混可燃气中火焰的稳定性,实际燃烧设备中，可燃混合物着火之后要保证燃烧稳定地持续下去，既不能回火，也不能脱火，因此有必要了解火焰稳定的条件。,燃气灶头,燃气烧嘴,2017/5/22,河北工业大
16、学能源与环境学院,27,一维火焰稳定条件,（a）当气流速度w小于火焰传播速度U的时候，火焰前锋以U-w的绝对速度向可燃物上游（向左）移动，火焰无法驻定，产生“回火”，导致熄灭。（b）当两者速度相等的时候，火焰注定在某一位置。（c）当气流速度大于火焰传播速度的时候，火焰前锋以w-U的绝对速度向可燃物下游（向右）移动，产生“脱火”，导致熄灭。,因此一维火焰的稳定条件就是U=w。实际装置中一维火焰很难存在，并且来流速度很少小于火焰传播速度，所以这种火焰仅仅具有理论分析的意义。,2017/5/22,河北工业大学能源与环境学院,28,圆形管口火焰稳定条件,对于左图的圆锥形火焰，任取微元段AB，视之为直线，法线N-N与来流W的夹角为，则W可以分解为Wt和WN。 如果想要保持火焰前锋的稳定，则必须满足下面两个条件：,1、U=WN=Wcos ，这就是著名的火焰稳定与弦定律。上式在WU的情况下总是成立，所以如果火焰传播速度U不变的情况下，来流速度提高将使火焰长度增加。当两者速度相等时，火焰前锋呈平面火焰形状。,
