燃烧学(7)资料.ppt

5.2 预混气体火焰传播1一维稳态流动燃烧基本方程组n质量守恒：q0u0=pupn动量守恒：qp0+0u02=pp+pup2n能量守恒：qh0+u02/2=hp+up2/22燃烧的主要种类n瑞利方程：q(pp-p0)/(1/p-1/0)=-m2n修贡纽方程：q(pp/p-p0/0)/(-1)-0.5(pp-p0)(1/p+1/0)=Qn主要种类q爆燃：弱爆燃、强爆燃q缓燃：弱缓燃、强缓燃3燃烧的主要种类4火焰传播n预混气体燃烧过程：q着火q燃烧n火焰传播：火焰面向可燃混合气的推进q局部着火q燃烧在一薄层内进行：火焰面，厚度1：内锥为蓝色火焰，外锥为紫红色火焰n烯烃烷烃30混气组成的影响n随着混气组成与化学计量比的接近程度减小而增加q位于化学计量比时，反应温度最高n碳氢燃料的火焰传播速度：q=0.96时，SL=SL,max31压力的影响n压力对传播速度的影响，主要体现在压力对反应速度的影响n刘易斯认为：SLpmqm：刘易斯压力指数n反应级数：q0SLw1/2qwpnq理想气体状态方程：p0qSLpn/2-1n轻质碳氢燃料的反应级数：1.52q火焰传播速度随着压力的减小而增加，但着火条件变差q从反应级数来看，随着压力的增加，传播速度降低，但燃料密度增加，流入反应区的可燃混合气流量增加，故反应速度也将增加32温度的影响n层流火焰传播速度随着初始温度的增加而增加：q定性解释：nSLexp(-E/(RTf)nTf=T0+Cf,0Q/cpq在高温下不适用：高温下将出现离解n温度对层流火焰传播速度的影响：qSLT0m,m=1.5233掺杂物的影响n掺杂物的种类：q不可燃成分q可燃成分n不可燃掺杂物：q火焰传播速度减小：SL=SL(1-0.01N2)-0.012CO2q本质是对可燃混合气/cp的影响q过量的氧化剂或过量燃料，相当于掺入不可燃成分n可燃掺杂物：问题复杂，与不同燃料的反应机理有关34层流火焰传播界限n燃料燃烧过程：着火+火焰传播n火焰传播界限：q随着混气组成偏离化学计量比程度的增加，燃烧温度降低，导致火焰不能传播，出现淬熄q着火界限不等于传播界限：反应区与未燃区之间的导热状况q当SL210cm/s时对应的混气组成为传播界限：上限、下限35火焰传播界限定义36火焰传播界限的影响因素n压力：随着压力的增加而增加n温度：随着温度的增加而增加n管径：q淬熄直径dT：dT=const/(SLP)nSL：理论火焰传播速度，对应于无散热条件q管径对火焰传播界限影响的分析n管径减小，比表面积增加，散热增加n管径减小，活化中心与壁面碰撞加剧，活化中心销毁速度增加q淬熄直径的影响因素：n提高管内可燃混合气初温，活化中心增加，淬熄直径减小n增加压力，分子自由程减小，活化中心与壁面的碰撞、销毁几率减小，淬熄直径减小q工程应用：通过减小直径，防止回火37比表面积与管径之间的关系38火焰传播界限的确定n估算：q上限：化学计量比对应浓度的三倍q下限：化学计量比对应浓度的50%39湍流预混可燃气的火焰传播n湍流预混火焰的特点q湍流火焰传播速度：q湍流火焰传播速度剧烈增加nSL=3080cm/snST/SL：剧烈增加q汽油燃烧室：ST=2070m/sq火焰面出现皱褶、变厚，火焰区轮廓模糊：湍流脉动q火焰长度减小q存在噪音：火焰区存在较大的压力变化和密度变化qNOx生成量小40湍流火焰传播速度与雷诺数之间的关系41湍流预混火焰锋面n层流预混火焰面：隔开未燃气和产物n湍流预混火焰面：隔开未燃气与正在燃烧的成分n湍流火焰传播速度ST：开始燃烧形成的火焰面在其法向与混气之间的相对速度42湍流火焰传播速度理论n湍流火焰传播速度理论q皱折层流表面燃烧理论n火焰传播仍是层流火焰传播机理起作用，但湍流脉动将引起火焰面出现弯曲、皱折，导致火焰面面积增加，从而引起火焰传播速度增加q微扩散容积燃烧理论n湍流脉动引起热量和活化中心输运速度增加，进而提高燃烧速度n两种理论的地位：表面燃烧理论相对比较完整43表面理论模型与容积燃烧模型44湍流场中某点的速度变化45皱折层流表面燃烧理论n谢尔金：q湍流各向同性假设q各种湍流参数均是常数：w,l,aT,DT,Tq未说明湍流参数对火焰面弯曲程度的影响n邓克尔：q对DT=lw，应分别考虑尺度和脉动对湍流燃烧的影响q湍流尺度：大尺度、小尺度q脉动速度：弱湍流、强湍流46皱折层流表面燃烧理论n表面燃烧理论的基本思想：q湍流火焰传播速度增加是由于湍流脉动引起火焰面积增加引起的n湍流燃烧的主要种类q按照湍流尺度分类：n小尺度：lLq按照脉动速度与层流火焰传播速度的比较弱湍流：wSL47小尺度湍流燃烧模型48小尺度湍流的火焰传播速度n小尺度：Re=23006000qlLq火焰面由平面转化成波浪形表面n火焰传播速度：q层流：SL=(aL/m)1/2q湍流：ST=(aL+aT)/m1/2n湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度之间的关系：qST/SL=1+aT/aL1/2qaT=lw：Pr=1,Le=1qST/SL=1+lw/aL1/2q小尺度湍流条件下，湍流火焰传播速度既与混气物理化学参数有关，也与湍流有关49小尺度湍流火焰相关计算式n实验表明：qld；wwqlw/aLdw/L=Ren火焰传播速度计算式：qST=SLRe1/2：n应用范围：Re=23005000qST=ARe+B：n应用范围：Re=500018000n湍流火焰面宽度计算式：qT=L 1+lw/aL1/2qT=STm=SL 1+lw/aL1/2a/SL2=a/SL 1+lw/aL1/2=L 1+lw/aL1/250小尺度湍流条件下火焰传播速度与雷诺数的关系51大尺度湍流燃烧火焰传播n层流条件下，火焰厚度大约为0.5mm，可见小尺度湍流模型只适合于小尺寸场合（几个mm）n大尺度湍流燃烧q大尺度弱湍流q大尺度强湍流52大尺度弱湍流火焰传播n大尺度弱湍流燃烧特点：q火焰面仍然连续q火焰面的弯曲、皱折程度增加q湍流火焰面是厚度为T的发光区n湍流火焰传播速度qST/SL=AL/ATqAL：已经弯曲的层流火焰面表面积qAT：可见火焰锥体的内表面积q确定出层流到湍流的火焰面积增量后就可以确定湍流火焰传播速度53大尺度弱湍流火焰传播速度n火焰传播速度计算式：qST=SL1+(2w/SL)21/2n谢尔金的观点：q弯曲火焰面由许多锥体组成q湍流火焰面面积增加量是锥体侧表面积与底面积之比：AL/AT=1+(h/r)21/2q锥体高度为：hwwl/SLq锥体半径：rlq在管内流动中，湍流尺度为定值54几点说明n谢尔金公式表明：q湍流强度很弱时：ST=SLq湍流强度很强时：ST=w，只与脉动速度有关n谢尔金公式只能近似估算湍流火焰传播速度n湍流火焰传播速度经验公式：55大尺度强湍流n火焰面特点：q火焰面不再连续q燃烧气团可能脉动到新鲜未燃气q新鲜未燃气也可能扩散到燃烧区q火焰面区域较宽n湍流火焰传播速度定义：qST=SD+SLqSD=sqrt(x2)/b：湍流气团的扩散速度nx：湍流气团的瞬间位移nb：湍流气团烧完所经历的时间56大尺度强湍流燃烧模型57火焰传播速度计算式n弱湍流：q扩散速度：SD=wq传播速度：ST=SL+w用于连续火焰面n强湍流：q扩散速度：SD=sqrt(2wlla/b)q传播速度：ST=SL+sqrt(2wlla/b)用于不连续火焰面nlla=A2l0：拉格朗日湍流尺度；A接近于158气团燃尽时间n气团燃尽时间：qb：气团从初始尺寸l0到0所需时间，也就是燃尽所需时间qb=l0/w*ln(1+w/SL)n大尺度强湍流火焰传播速度计算式：59燃烧区火焰厚度n燃烧区火焰厚度：qT=wb=wl0/w ln(1+w/SL)qT=l0/*ln(1+w/SL)n实验公式：qT=0.018d/ln(1+w/SL)n实验公式与理论公式基本相同60微扩散容积燃烧理论n表面层流燃烧理论的问题：q实验发现：湍流火焰面厚度为层流火焰面的倍。q根据温度分布测量和电离度测量，也未发现存在表面燃烧理论提出的层流火焰面n基本思想：q湍流对燃烧的影响以微扩散为主q微扩散速度高，以致无法形成火焰面q某个微团内部的温度分布、组分分布是均匀的q达到着火条件的微团燃烧，没有达到着火条件的形成新的微团q将湍流火焰面修正成燃烧区61湍流火焰传播速度计算n容积理论认为：在某些情况下，湍流火焰传播与层流火焰传播具有相同的机理n湍流火焰传播速度计算：q计算式：q通过计算湍流火焰厚度和湍流扩散度确定火焰传播速度62湍流火焰传播速度的影响因素n脉动速度与层流火焰传播速度：qST=SL+5.3w0.60.7SL0.40.3n湍流尺度：影响不大，尤其在大尺度湍流条件下n混气组成：通过影响SLn温度：STT0.50.7n压力的影响：STP0.08qSL：SLP-0.3qw：wP0.34,压力降低，脉动速度减小63湍流火焰面厚度的影响因素nw,SL的影响：q气流速度增加，厚度增加q,SL增加，厚度减小n温度增加，厚度减小：TT-1.6n压力的影响：TP-0.564总结n湍流火焰传播速度取决于SL和wq大尺度条件下，脉动速度对湍流传播速度影响很大n湍流传播速度远高于层流传播速度n压力降低，传播速度减小，厚度增加n温度增加，传播速度增加，厚度减小n改善燃烧过程的性能：q提高压力与温度q增强湍流程度q使用层流传播速度高的燃料65火焰自湍化理论n实验表明，湍流传播速度计算值小于测量值q火焰出现自湍化，在火焰面形成附加湍流n自湍化理论：q平面层流火焰面不稳定所致：体积小时，受到限制而趋于保持为平面，因此将稳定q微小扰动的放大与出现切向分裂，引起火焰面破碎66扩散燃烧的概念67扩散燃烧的种类与特点n扩散燃烧的主要种类：q燃烧时间：=mix+cnmix=1/(1/m+1/T)nm：燃料-氧化剂混合（分子扩散与湍流扩散）形成可燃混合物（=1）所需时间。nc：可燃混合物完全燃烧所需时间。q动力燃烧：q扩散燃烧：q动力-扩散燃烧：n特点：q不会发生回火，燃烧稳定q使用简单：无需燃料与氧化剂的事先混合n研究特点：q侧重于火焰外形与长度的确定q火焰传播速度难于测定68气体燃料扩散燃烧的种类n按照射流特性q自由射流q同轴射流q对撞射流n按照流动特性q层流扩散火焰q湍流扩散火焰n按照喷口形状q平面q圆形射流：轴对称69气体射流扩散燃烧的主要种类70气体燃料层流扩散燃烧n扩散火焰面位于满足化学计量比的位置n火焰面将燃烧区分成氧化区和还原区n通过组分输运和热量输运预热氧化剂和燃料n燃烧速度取决于燃料与氧化剂的分子输运速度n扩散燃烧会形成严重的不完全燃烧：q生成炭黑粒子q反应区+预热区71层流扩散火焰的外形72温度、组分分布73层流扩散火焰理论nBurke和Schuman的理论求解q组分扩散方程与边界条件q扩散火焰任一点的浓度计算式q火焰外形计算q火焰长度计算74层流扩散火焰长度确定示意图75层流火焰长度分析n假定火焰长度为L，燃料出口直径为dn在L距离内，燃料与射流之间的扩散率为：qDFdC/drqFLdqdC/dr1/d：直径越小，径向浓度梯度变化越剧烈n在L距离内，扩散的氧量正好使燃料燃尽qwd2DFdC/drDL：Lwd2/Dq燃料流量越高，火焰长度越长nJost的层流扩散火焰长度计算式：qL=wd2/(4D)76气体燃料湍流扩散燃烧n气流出口速度大，流动出于湍流状态n气体燃料湍流扩散燃烧的主要种类：q自由射流：燃料喷入自由无限大空间q同轴射流：q对撞射流：燃料与氧化剂相向流动77层流扩散燃烧向湍流扩散燃烧的过渡78过渡定性分析n层流状态：火焰长度随着流量的增加而增加，火焰面光滑、明亮、稳定n过渡状态：火焰顶部开始出现颤动、破碎、皱折，由于湍流的影响，火焰长度减小n完全湍流状态：颤动、皱折、破碎点向出口移动，直到出口位置，形成完全湍流扩散燃烧n随着流速的进一步增加，火焰开始出现抬起、吹熄79湍流扩散火焰特征n火焰前沿出现颤动、皱折和破碎n火焰面厚度显著增加n火焰长度与速度无关，而是与出口直径成正比：Ldq热负荷小时，采用小直径喷嘴q热负荷大时，采用若干个小直径喷嘴80自由射流示意图81自由射流n燃料射流喷入无限大氧化剂空间n初始段+主体段q初始段：喷嘴直径的46倍q主体段：n核心区+边界层q核心区：n速度保持为初始速度n核心区消失对应的轴向距离为射流初始段n核心区中为燃料q边界层：n燃料与氧化剂的混合物82自由射流扩散燃烧分析n火焰面位置上：q燃料浓度Cf=0q氧化剂浓度Co=0n锥形火焰面83自由射流扩散燃烧锥形火焰面84湍流非等温自由射流的特征n射流基本段，速度分布具有相似性nu/umYF/YF,m(T-T0)/(Tm-T0)正态分布nu/um=exp-K(r/x)2qK=8292n射流轴线速度：qUm/u0=(1+8sqrt(3/2)cx/d0)-1qc=0.0128n射流半宽：q2b/d0=sqrt(6)(1+8sqrt(3/2)cx/d0)n射流卷吸速度：qvb/u0=2c(1+8sqrt(3/2)cx/d0)-185湍流自由射流扩散燃烧n主要假设：q燃料Da=f/c很大，认为火焰面无限薄q火焰前沿不可渗透q忽略辐射热损失q热物性不随温度、组分变化q忽略反应对流动的影响86基本方程组n反应过程：q(1g)Fuel+(g)Oxidant(1+)gProductn基本方程组：q动量方程：q组分方程：q能量方程：87捷尔道维奇变换n引入新变量，将有源方程转化成无源方程：88求解结果n火焰形状：Yf=YOX=0n火焰高度：89自由射流扩散火焰长度定性分析n扩散火焰长度：Lwd2/DTqDTlwqLdqwwqLwd2/DTwd2/(dw)n扩散火焰长度的影响因素：Ldq扩散火焰长度只与喷口直径有关，与流速无关q层流扩散火焰长度：Lwd290火焰长度n经验计算式：xf/d0=6(R+1)(F/f)1/2qR：化学计量比时空气与燃料的质量比qF：燃料密度qf：火焰密度91湍流扩散燃烧的临界雷诺数n临界雷诺数Recr：从层流扩散燃烧过渡到湍流燃烧时的雷诺数qRecr：200010000q气体粘度与温度之间密切关联92空气中各种火焰的临界雷诺数93其他射流扩散燃烧n受限射流q横向受限：燃料射流与空气流垂直q纵向受限：燃料射流与空气流平行n弱受限：射流扩展受限不大，气流经过火焰面时流线出现弯曲n强受限：射流扩展受限，卷吸量不足，出现回流n旋转射流q旋流强度：Sc=M/(Ir0)n弱旋流、强旋流q旋转射流获得方法：n切向进入圆柱形通道n在轴向设置叶片n机械方式：转动叶片、叶栅等机械装置94火焰稳定n熄火：q反应从剧烈反应状态过渡到无反应状态q与着火一样，属于燃烧的过渡阶段n封闭容器中的熄火现象q放热：qG=Qk0(Tf-T)/(Tf-T0)exp-E/(RT)q散热：qL=(S/F)(T-T0)95初始温度减小引起的熄火96散热程度增加引起的熄火97S曲线98S曲线的特点n熄火拐点：对应熄火温度qI：对应着火拐点，越过该拐点，对应着火qE：对应熄火拐点，越过该拐点，对应熄火n熄火滞后与着火qT0ET0Iq熄火过程与着火过程不可逆q熄火浓度界限大于着火浓度界限99一维火焰的稳定条件n基本假设q预混气浓度在火焰传播界限之内q火焰面断面直径远大于熄火直径n一维理想火焰的稳定条件q混气流速等于火焰传播速度：SLwnn实际燃烧中：q混气的粘性导致火焰形状为抛物形q浮力作用导致火焰呈非对称形n实际一维火焰的稳定条件q余弦定律：SL=wcos()各处火焰传播速度等于气流沿火焰面法向的分速度q火焰根部具有足够强度的点火源100实际一维火焰面101火焰稳定示意图102扩散燃烧的火焰稳定n火焰稳定qSL=Un-wnq预混气体燃烧：回火q扩散燃烧：熄火n燃烧条件：组成满足化学计量比，温度达到着火温度n火焰稳定措施q射流界面上燃烧速度与气流速度相平衡q环流区稳定：燃料喷口具有一定厚度，形成环流区n稳定特性曲线：AwA2/BwB2wBn吹熄上限、吹熄下限q回流区稳定：利用气流旋转形成回流区n旋流强度：旋流数n随着旋流数的增加，吹熄上限下降，吹熄下限上升，稳定性变差q出口设置短圆管维持火焰稳定103环流区稳定104同轴射流扩散燃烧稳定曲线105圆管稳定火焰106对撞扩散燃烧107