燃烧学非预混火焰幻灯片.ppt

燃烧学非预混火焰第1页，共36页，编辑于2022年，星期日n火焰分类n扩散火焰特点n层流扩散火焰结构n湍流扩散火焰第2页，共36页，编辑于2022年，星期日第一节第一节 火焰分类火焰分类一一 扩散燃烧与预混燃烧概念扩散燃烧与预混燃烧概念预混火焰预混火焰在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预混射在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰扩散火焰扩散火焰在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子扩散分子扩散和整体的和整体的对流运动对流运动（湍流扩散）使反应物分（湍流扩散）使反应物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应第3页，共36页，编辑于2022年，星期日燃料燃烧所需的时间燃料燃烧所需的时间=m+r燃料与空气混合时间燃料与空气混合时间m流动特征时间流动特征时间燃烧反应时间燃烧反应时间r 化学反应时间化学反应时间Da=m/r扩散燃烧：扩散燃烧：m r,m 化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度混合速度，与化学反应速，与化学反应速度关系不大度关系不大预混燃烧：预混燃烧：m r,r 混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度化学反应速度(化学动力化学动力因素因素)，与混合过程关系不大，与混合过程关系不大动力动力-扩散燃烧扩散燃烧燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关第4页，共36页，编辑于2022年，星期日本生灯本生灯一次空气消耗系数一次空气消耗系数1：从底部吸入的空气为一次空气量：从底部吸入的空气为一次空气量二次空气消耗系数二次空气消耗系数2：从出口引射所得的空气为二次空气量：从出口引射所得的空气为二次空气量总空气消耗系数总空气消耗系数：=1+2（1）1=0，燃烧所需的空气全部由外界环境通过，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射提供，属于引射提供，属于扩散燃烧扩散燃烧；（2）1 1，从本生灯的底部供入的空气充足，燃，从本生灯的底部供入的空气充足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于动力燃烧动力燃烧；（3）01 1，当管中，当管中混气为贫油时的动混气为贫油时的动力火焰。此时混气力火焰。此时混气中有足够氧气，不中有足够氧气，不需要从外界获取氧需要从外界获取氧气，故火焰光滑，气，故火焰光滑，随着随着1增大，火增大，火焰变长焰变长(b)1=1，化学，化学恰当比下的动恰当比下的动力火焰。此时力火焰。此时温度高，火焰温度高，火焰传播速度快，传播速度快，故火焰高度最故火焰高度最短短(c)1 1，富油燃烧，富油燃烧，此时混气燃料多而氧此时混气燃料多而氧气少，故有剩余燃料。气少，故有剩余燃料。此时出现两个火焰锋此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于面，内焰大致相当于1=1的动力型火焰，外的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩焰面为剩余燃料经扩散获得外界氧气燃烧散获得外界氧气燃烧而形成，称为扩散火而形成，称为扩散火焰，内焰温度较高，焰，内焰温度较高，外焰则较低外焰则较低(d)1=0，管中，管中供应的为纯油气。供应的为纯油气。所需氧气全部从所需氧气全部从外界获得，故为外界获得，故为纯扩散燃烧，火纯扩散燃烧，火焰最长焰最长第6页，共36页，编辑于2022年，星期日扩散火焰扩散火焰层流扩散火焰层流扩散火焰质量扩散以质量扩散以分子扩散分子扩散形式实现形式实现湍流扩散火焰湍流扩散火焰质量扩散以质量扩散以气团扩散气团扩散形式实现形式实现扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状态和混扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数影响不大合方式等起决定性作用，而化学动力学参数影响不大强化扩散燃烧的有效措施是强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程加强混合过程，改善掺混条，改善掺混条件件第7页，共36页，编辑于2022年，星期日第二节第二节 扩散火焰特点扩散火焰特点扩散火焰不产生回火，但温度低扩散火焰不产生回火，但温度低扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解第8页，共36页，编辑于2022年，星期日湍流扩散火焰的稳定性：湍流扩散火焰的稳定性：火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始终终“悬挂悬挂”在管口。在管口。当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄第9页，共36页，编辑于2022年，星期日第三节第三节 层流扩散火焰结构层流扩散火焰结构过通风火焰过通风火焰氧化剂流量超过燃料燃烧氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总所需的化学恰当量（即总的氧化剂过量）。火焰靠的氧化剂过量）。火焰靠近圆柱管的中心线上近圆柱管的中心线上欠通风火焰欠通风火焰燃料量超过化学计量值，（即燃料量超过化学计量值，（即燃料过量），火焰向外壁蔓延燃料过量），火焰向外壁蔓延第10页，共36页，编辑于2022年，星期日在在“快速化学反应快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间的极限条件下，化学反应时间chem远小于流动特征时远小于流动特征时间间chem transport(或或diffusion)火焰结构由反应物和能量的分子扩火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定（即扩散过程是最慢的、控散决定（即扩散过程是最慢的、控制反应速度的过程），火焰可以从制反应速度的过程），火焰可以从分开燃料和氧化剂的表面取一个薄分开燃料和氧化剂的表面取一个薄层来模拟。层来模拟。火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比化学恰当比。由于由于chem transport(或或diffusion)故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0第11页，共36页，编辑于2022年，星期日第12页，共36页，编辑于2022年，星期日第13页，共36页，编辑于2022年，星期日层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界面上，层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在=1处形成火焰锋面处形成火焰锋面在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度达到最在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度达到最大值，然后向两侧扩散大值，然后向两侧扩散焰面外侧：焰面外侧：空气空气+燃烧产物燃烧产物焰面内侧：焰面内侧：燃料燃料+燃烧产物燃烧产物焰面：焰面：燃料与空气的理论浓度为零燃料与空气的理论浓度为零第14页，共36页，编辑于2022年，星期日层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律第15页，共36页，编辑于2022年，星期日第16页，共36页，编辑于2022年，星期日在射流速度较低时，在射流速度较低时，火焰保持层流状态，火焰保持层流状态，火焰前沿面光滑、火焰前沿面光滑、稳定、明亮、清晰稳定、明亮、清晰随着射流速度增加，随着射流速度增加，火焰高度增加，直到火焰高度增加，直到某一最大值，此时火某一最大值，此时火焰仍然保持层流焰仍然保持层流在增大射流速度，顶部开在增大射流速度，顶部开始出现颤动、皱折、破裂，始出现颤动、皱折、破裂，表明端部出现湍流，由于表明端部出现湍流，由于湍流脉动，湍流扩散混合湍流脉动，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，使加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短火焰高度缩短继续增加射流速度，火焰端部的湍流区继续增加射流速度，火焰端部的湍流区长度增加，开始颤动、皱折、破裂的点长度增加，开始颤动、皱折、破裂的点（转变点）向喷口方向移动，火焰的总（转变点）向喷口方向移动，火焰的总高度则明显缩短，直到破裂点靠近喷口。高度则明显缩短，直到破裂点靠近喷口。此时火焰达到完全湍流状态，此后破裂此时火焰达到完全湍流状态，此后破裂点位置不变（或与管口距离略有缩短）、点位置不变（或与管口距离略有缩短）、火焰高度趋于定值，但噪音增加火焰高度趋于定值，但噪音增加第四节第四节 湍流扩散火焰湍流扩散火焰第17页，共36页，编辑于2022年，星期日扩散燃烧火焰长度的变化规律扩散燃烧火焰长度的变化规律（1 1）层流扩散火焰区层流扩散火焰区：火焰高度（长度）与气流速度成正比，（流速：火焰高度（长度）与气流速度成正比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰长度增加）；增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰长度增加）；（2 2）扩散火焰过渡区扩散火焰过渡区：火焰高度（长度）随气流速度的增大而减小，：火焰高度（长度）随气流速度的增大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流速度越大，层流状火焰喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流速度越大，层流状火焰长度越短；长度越短；（3 3）湍流火焰区湍流火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有褶皱和噪音）系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有褶皱和噪音）第18页，共36页，编辑于2022年，星期日火焰高度火焰高度第19页，共36页，编辑于2022年，星期日根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：（1 1）自由射流湍流扩散火焰）自由射流湍流扩散火焰（2 2）受限射流湍流扩散火焰）受限射流湍流扩散火焰（3 3）同心射流湍流扩散火焰）同心射流湍流扩散火焰（4 4）旋转射流湍流扩散火焰）旋转射流湍流扩散火焰（5 5）逆向射流湍流扩散火焰）逆向射流湍流扩散火焰第20页，共36页，编辑于2022年，星期日相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分析的相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分析的方法求解。主要靠方法求解。主要靠数值方法数值方法求解。也有一些关于火焰长度和半径求解。也有一些关于火焰长度和半径的的经验公式经验公式对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：个因素：（1）初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗卢初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗卢德数德数Frf（2）化学恰当燃料质量百分数）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1)（3）喷管内流体密度与环境气体密度之比）喷管内流体密度与环境气体密度之比e/（4）初始射流直径）初始射流直径di第21页，共36页，编辑于2022年，星期日第22页，共36页，编辑于2022年，星期日第23页，共36页，编辑于2022年，星期日第24页，共36页，编辑于2022年，星期日第25页，共36页，编辑于2022年，星期日第26页，共36页，编辑于2022年，星期日第27页，共36页，编辑于2022年，星期日第28页，共36页，编辑于2022年，星期日第29页，共36页，编辑于2022年，星期日第30页，共36页，编辑于2022年，星期日甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：（1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得甲烷射流火焰）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；的无量纲长度比丙烷的长；（2）甲烷出口密度很小，使得动量直径显著变小，这个较小的动量直）甲烷出口密度很小，使得动量直径显著变小，这个较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（尽管甲烷的化学计量系数比丙径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（尽管甲烷的化学计量系数比丙烷小，但它的影响比动量直径要小得多）烷小，但它的影响比动量直径要小得多）第31页，共36页，编辑于2022年，星期日第32页，共36页，编辑于2022年，星期日第33页，共36页，编辑于2022年，星期日第34页，共36页，编辑于2022年，星期日第35页，共36页，编辑于2022年，星期日第36页，共36页，编辑于2022年，星期日