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1、实验二 层流火焰传播速度的测定实验一、预备知识1、火焰传播和化学反应 燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如 O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。例如，CH4被连续 地转化成ch3, ch2, ch。最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而 首先变为CO,并且燃料中的氢基变为h2,所有的中间产物将接着进一步氧化， 再一次通过自由基的作用，而变为CO2和H2O。总热量的一大部分释放都是发 生在第二阶段。这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下如1500K 以上。因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对 燃料完全变
2、形以及中间产物的氧化是有必要的。当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率， 从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。通过热传导把热量引导到了未燃的相 邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。我们 知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以 及未燃混合物的热扩散性。为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未 燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。火焰传播速度只依 赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。贫油（X1） 和富
3、油（1）的火焰温度比化学恰当比（=1时更低因为偏离化学恰当比时多余 的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。实际上，温度最大值出现在当量比 比 1 稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传 播变得不可能。如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶 段不能进行。因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极 限。对于甲烷空气混合物，其贫燃极限是，其富燃极限是。2、火焰稳定性流动中存在钝体将在其后引起一个回流区的产生，这是由于在钝体边缘发生 了气流别离。如果流动的是可燃混合物，并且对其点火，那么
4、火焰就将稳定在回 流区和自由流之间的剪切层中。这有两个原因，一是因为在回流区的湍流边界层 中有质量和热量的交换，它们将热的燃烧产物带入回流区，使之回流到火焰根部， 形成一个连续的点火源；二是因为回流产生了局部低速区，因此火焰可能在高的 自由流速下连续。回流区实际上在产生动力的每一个场合都有应用：在工业燃烧 器、燃气涡轮、煤发电站和加力燃烧室中。它可能是在高速流中稳定火焰的唯一 的实用的和低成本的方法。最后，当速度过高时，火焰将可能会熄灭或吹熄。一个直接的解释就是，太 高的气流速度将会提高对流和紊流扩散的能力，将热从反应区转移，使温度下降， 因此易于发生熄火。另一种解释是，我们提供了太多的反应物
5、，我们对火焰“要 求太多”。在燃烧理论中，这种情况经常被表达成两种时间尺度的比较：当完成 化学反应所需要的时间比流体力学情况所允许的时间例如，在反应区的滞留时 间要长时，就会发生熄火。包含这些想法的理论是基于良搅拌反应器概念，它是实际回流区稳焰的一种 理想化模型。根据这个模型，如果火焰在回流区的滞留时间太短，使燃烧不能完 成，那么火焰将会熄灭。这个滞留时间尺度等于钝体的直径除以自由来流的速度 U, T= D /U，而化学时间尺度大约等于t =Q /S2，其中SL是层流火焰传phys chem L L 播速度，a是热扩散系数等于kpCp，其中k为导热率，p为密度，Cp为比热， 所有的值都取室温下
6、的空气的相应值比率Tphys/ %em叫作Damkohler数，用 Da表示。因此，总的来说，在一个给定的燃烧室中，当Da值低于某临界值时火 焰将会熄灭，该临界值取决于燃烧器的外形参数。对于熄火还有其他 一些更复 杂的理论，但是对于数据解释，这种理论已经足够了。在本实验中，通过分别改变气流流率和当量比，连续改变着物理和化学的时 间尺度。考察一下对于钝体火焰，临界Damkohler数的概念是否有效。为了将相 应理论从值班火焰尺寸的试验台推广到真实尺寸的燃烧器，这个概念在工业上用 得非常广泛，因此学习如何应用这个概念是非常重要的。二、实验目的1、演示火焰传播过程和测定火焰传播速度。2、掌握测量层流
7、火焰传播速度的另一种方法。三、实验设备火焰传播速度装置图1由火焰传播实验台架一套，浮子流量计两个，空 气压力表、甲烷压力表各一个，双向开关一个，点火开关一个，甲烷流量调节开 关一个，单向电磁阀一个，混合器一个、双路直流稳压电源一台，数字计时器一 台，周围光源传感器两个，强化石英玻璃管一个，有机玻璃保护屏一个，以及支 架、点火火花塞、混气管等组成。-空说量计转拱肝戏叩调节甲烷數字计时器v 1 r+ T 屯光洞忙津霁图 1 火焰传播速度装置火焰速度传播实验：将调节好恰当的混合气经过混合管，输入到一根长 m、 直径25mm的石英玻璃管的一端口上进行充气，经过约70秒管内充足混合气体， 便将混合管移至
8、窗外。石英玻璃管的另一端口有一点火器装置将点燃，燃烧的火 焰此时在玻璃管内可观察到火球传播。沿着火球传播玻璃管外，放置了两个相距 米、用于感知火焰的周围光源传感器，并配以相应的数据采集系统。实验中将记 录火焰面先后通过这两个传感器的时间差 ，然后采用_ Axu -At计算出火焰通过这两个传感器间的平均传播速度厂。L四、实验原理空气和燃气调节好当量比被分别输送进入一个混合管，该混合管连接一个内 径为25mm石英玻璃管，用于火焰传播速度演示实验。本实验观察火焰在一个石 英玻璃管中的传播，是属于层流火焰传播过程，它的传播速度是一个定值。通过 测量火焰传播的时间和距离就能算出传播的平均速度。在这个实验
9、中，用于感知 火焰面的两传感器的距离是固定不变的，为一个定值，这里主要测量火焰通过这 段距离所用的时间，时间的测量是通过周围光源传感器感受到的火焰发光面信号 传给数字计时器，记录这两个信号间的时间差就能知道火焰通过两传感器的传播 时间。五、实验步骤1、图1所示。打开压缩空气阀门空气压力Mpa，调节减压阀出来的压缩 空气符合实验压力要求。2、打开甲烷气罐阀门，调节减压阀甲烷压力MPa,符合实验要求。3、打开控制总开关，接通电磁阀。4、调节浮子流量计使得压缩空气和甲烷流量到达当量比为。=1的流量。5、将甲烷气体和压缩空气送入混合器，混合器将已知配比适合点燃的混合 气体送石英玻璃管一端中。6 、大约
10、经过70秒,关闭甲烷调节控制阀， 迅速抽出混合管甩到窗外管的两个端口保持堵塞状态35秒，以便混合气体继续混合，然后按点火器控制键， 在玻璃管的另一端用点火电嘴点火。此时可以看见一个火焰面从点火端向另一端 传播。观察火焰传播现象并记下火焰传播时间。7、记录两个传感器之间的距离AS和过数字计数器传过这段距离所用的时间 t。8、重复实验几次，求平均值。9、关闭甲烷气瓶阀，关闭压缩空气阀。10、关闭电源和数字频率计数器。11 、实验结束。六、实验数据处理1 、气体流量由于本实验所用空气为压缩空气，则其空气压力必然会对流量造成一定影响 浮子流量计的读数用m3/h表示的体积流量。那么，由公式PV二nRT可
11、知，压力 与体积成反比，用V表示实测的流量，可用公式V二P V /P算出常压下的空 测air 测 0气体积流量 Vair。2、当量比对于空气中的甲烷，化学恰当燃料/空气体积比为。3、误差分析气流速度的误差大概为5%，这是由于浮子高度的读数误差以及浮子流量计 标定和曲线拟合的误差。因此在估计计算当量比时的组合误差同时，还必须估计 在测量火焰速度和贫油熄火极限时的误差，这取决于操作者。火焰传播速度余弦定律：设气流与焰锋法线方向成一夹角卩，可把气流分解成两个分速，一个是与焰 锋外表垂直的法向分速un，一个是与焰锋外表平行的切向分速u前者产生的 牵连运动将使焰锋沿 ab 顺着焰锋外表移动。当火焰稳定时
12、，这两个分速引起的 焰锋牵连运动将得到平衡和补偿，亦即焰锋相对于灯口的位置不变。显然，与法 向分速un相平衡的正是当地的火焰传播速度U/,他们的大小相等而方向相反， 从数值上看 un=ul。由于u = u cosen所以u = u cos el 这就是说，在火焰稳定时，迎面气流速度在火焰前锋法向上的投影，即法向 分速，在数值上必等于混气的火焰传播速度，这就是余弦定律。本生灯层流火焰传播速度计算公式：令内锥外表积为Af，灯管的截面积为A，管内的平均流速为V，层流火焰传 播速度 SL 就可以用连续方程来确定。S =V(A /A )L t t f由于锥体外表积Af大于A”所以SL必小于V。表 1 当
13、量比与甲烷、空气的流量对照表SL(m/s)七、实验注意事项点火前一定要确认将混气管移出石英玻璃管，并移至到窗外。监控人员必须 有一名学生专人负责，向点火人员报告能否点火，接到监控人员的可以点火指示。 点火人员才能按点火按键。火焰传播速度测量系统的调试：1将两只传感器分别安装在距石英玻璃管体两端口 50 毫米处支架上。 2接上电源，通用计数器必须进行如下设置：、通道A左通道B右通道的4盏指示灯均为上面3只灯亮；b、按通道“CH”，“TOT”清零。设触发电平用功能键调至“600处”；c、重复(切，设置另一通道触发电平；、按“TF,即测“时间间隔”的意思；、按“TOT”清零，即可工作。八、思考题火焰传播速度的定义是什么？对于扩散火焰，是否存在火焰传播速度？
