《消防燃烧学》第十章燃烧传播过程.ppt

第十章第十章 燃烧传播过程燃烧传播过程燃烧前沿面的概念及其传播机理燃烧前沿面的概念及其传播机理层流火焰传播层流火焰传播湍流火焰传播湍流火焰传播1第一节 燃烧前沿面的概念及其传播机理23 火焰前沿火焰前沿-正在进行激烈发光反应的气体薄层。也称燃烧前正在进行激烈发光反应的气体薄层。也称燃烧前沿。沿。缓燃缓燃 火焰传播机理火焰传播机理：依靠：依靠导热和分子扩散导热和分子扩散使未燃混合气温度使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播。也称升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播。也称正常火焰传播。正常火焰传播。燃烧面前后气体的压力近似不变，可视为等压过程；燃烧面前后气体的压力近似不变，可视为等压过程；亚亚音速传播音速传播爆震爆震 火焰传播机理火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠气体膨胀引起的依靠气体膨胀引起的压力波压力波的作用，使燃烧前沿不断向未燃的作用，使燃烧前沿不断向未燃混合气中推进。也称爆轰混合气中推进。也称爆轰超音速传播超音速传播；火焰面与有压力突越的激波面重合；火焰面与有压力突越的激波面重合第一节 燃烧前沿面的概念及其传播机理4第一节 燃烧前沿面的概念及其传播机理燃燃烧烧前前沿沿可燃混合物可燃混合物燃烧产物燃烧产物（1）如果）如果 ，则燃烧前沿向着气流上游方向（向左）移动；，则燃烧前沿向着气流上游方向（向左）移动；（2）如果）如果 ，则燃烧前沿向着气流下游方向（向左）移动；，则燃烧前沿向着气流下游方向（向左）移动；（3）如果）如果 ，则燃烧前沿向着气流便驻定不动。，则燃烧前沿向着气流便驻定不动。上述平整的燃烧前沿只是对层流或静止气流才能得上述平整的燃烧前沿只是对层流或静止气流才能得到，紊流（湍流）时燃烧前言将是紊乱的、曲折的。到，紊流（湍流）时燃烧前言将是紊乱的、曲折的。2.火焰传播速度53.层流传播速度及紊流传播速度层流传播速度及紊流传播速度层流传播速度层流传播速度 层流下燃烧前沿的传播速度（沿法线方向）称为“正常传播速度”或“层流传播速度”（）；燃烧前沿为平整形状。紊流传播速度紊流传播速度 紊紊流流下下的的传传播播速速度度称称为为“紊紊流流传传播播速速度度”（），也称为“实际传播速度”；燃烧前沿紊乱、曲折。层流火焰的研究仍然是燃烧理论的中心问题。层流火焰的研究仍然是燃烧理论的中心问题。第一节 燃烧前沿面的概念及其传播机理67燃烧前沿面的概念及其传播机理燃烧前沿面的概念及其传播机理层流火焰传播层流火焰传播湍流火焰传播湍流火焰传播第十章第十章 燃烧传播过程燃烧传播过程8第二节 层流火焰传播层流传播理论概述 燃烧前沿正常传播速度的描述基于层流火焰传播理论，目前存在3个理论l热理论：热传导控制火焰传播l扩散理论：链载体的逆向扩散控制火焰传播l综合理论：热传导和活性中心扩散共同控制 实际火焰传播过程更符合综合理论 描述燃烧前沿的质量扩散方程与热扩散方程相似，可用温度变化反应浓度变化，用求解导热方程分析燃烧前沿的性质，可简化问题。9层流火焰传播速度的推导 速度推导依据是苏联泽尔多维奇等人提出的热理论速度推导依据是苏联泽尔多维奇等人提出的热理论基本思想基本思想：若由若由区导出之热量能使未燃区导出之热量能使未燃 混合气之温度上升至着火温度混合气之温度上升至着火温度 T TB B，则火焰就能保持温度的传，则火焰就能保持温度的传 播。播。x（）反应区）反应区T（）（）TKTBT0图图10-2 燃烧前沿的温度分布燃烧前沿的温度分布（）预热区）预热区TB假设条件假设条件 流动是平面一维的；流动是平面一维的；系统绝热，忽视辐射传热；系统绝热，忽视辐射传热；火焰只用于加热气体；火焰只用于加热气体；化化学学反反应应只只在在反反应应区区进进行行，反应区内温度均匀。反应区内温度均匀。第二节 层流火焰传播10 取单元体积（单位面积上），厚度为取单元体积（单位面积上），厚度为dxdx。1 1、化学反应热、化学反应热2 2、由下游（、由下游（x+dxx+dx）传入单元体热量）传入单元体热量傅傅立立叶叶定定律律：指出了导热热量与导热面积和温度梯度之间的关系，即在导热现象中，单位时间内通过给定面积的热量正比于该处垂直于导热方向的截面积及其温度梯度，表示为 第二节 层流火焰传播113、由单元体向上游边界传出的热量、由单元体向上游边界传出的热量4、单元体升温消耗热量、单元体升温消耗热量根据热量平衡：根据热量平衡：燃烧前沿导热微分方程：燃烧前沿导热微分方程：第二节 层流火焰传播12层流火焰传播速度在在反反应应区区内内，由由于于反反应应很很激激烈烈，忽忽略略温温度度梯梯度度，因因此此，能能量量方方程程中的反应区升温消耗的热量中的反应区升温消耗的热量 可忽略，可忽略，能量方程为：，能量方程为：第二节 层流火焰传播正常传播速度近似表达式：第二节 层流火焰传播层流火焰传播速度的影响因素 实际中，一般是通过实验方法测定燃烧前沿正常传播速度的实际中，一般是通过实验方法测定燃烧前沿正常传播速度的1314第二节 层流火焰传播第二节 层流火焰传播1516第二节 层流火焰传播第二节 层流火焰传播17第二节 层流火焰传播1819第十章第十章 燃烧传播过程燃烧传播过程燃烧前沿面的概念及其传播机理燃烧前沿面的概念及其传播机理层流火焰传播层流火焰传播湍流火焰传播湍流火焰传播20第三节 湍流火焰传播1.1.湍流火焰现象湍流火焰现象 紊紊流流燃燃烧烧前前沿沿面面：把把焰焰面面视视为为一一未未燃燃气气与与已已燃燃气气之之间间的宏观整体分界面的宏观整体分界面 紊紊流流燃燃烧烧前前沿沿传传播播速速度度：指指紊紊流流燃燃烧烧前前沿沿法法向向相相对对于于新鲜可燃气运动的速度新鲜可燃气运动的速度 火焰长度缩短，焰锋变宽，火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。火焰传播快。湍流火焰：湍流火焰：火焰锋面光滑，焰锋厚度火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。很薄，火焰传播速度小。层流火焰：层流火焰：212.2.湍流火焰的特点湍流火焰的特点a)a)湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理化湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度增大，将学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度增大，将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。b)b)燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧设燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧设备的经济性好。备的经济性好。c)c)湍流火焰伴随着噪音湍流火焰伴随着噪音第三节 湍流火焰传播原因：原因：（1 1）湍湍流流流流动动使使火火焰焰变变形形，火火焰焰表表面面积积增增加加，因因而而增增大了反应区；大了反应区；（2 2）湍湍流流加加速速了了热热量量和和活活性性中中心心的的传传输输，使使反反应应速速率率增加，即燃烧速率增加；增加，即燃烧速率增加；（3 3）湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合，缩短了）湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。混合时间，提高了燃烧速度。22第三节 湍流火焰传播湍流特性参数：湍流特性参数：流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，或湍流微团在消失前所经过的平均距离或湍流微团在消失前所经过的平均距离湍流尺度湍流尺度 l：湍流强度湍流强度 ：若若 l Sl（层流火焰传播速度层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流为强湍流，反之为弱湍流23第三节 湍流火焰传播3.湍流火焰传播机理湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。湍流湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。湍流火焰传播理论主要有两种：火焰传播理论主要有两种：（1）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金）（2）容积）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）24第三节 湍流火焰传播三种湍流火焰：三种湍流火焰：25c.c.微团之间相互作用，或形成新的微团，或者着火燃烧。微团之间相互作用，或形成新的微团，或者着火燃烧。第三节 湍流火焰传播26第三节 湍流火焰传播4.湍流火焰传播速度的实验研究可燃混合物浓度的影响：与层流相似，存在前沿传播的浓度界限和最大传播速度Re的影响：Re越大，最大传播速度越大。气流速度增加，最大传播速度显著增加可燃混合物的初始温度：初始温度越高，传播速度越大改善实际燃烧性能的方法：使用层流燃烧传播速度大的可燃预混气提高紊流强度提高混合气体的压力和温度27本章小结本章小结1.火焰前沿的定义是什么？火焰前沿的定义是什么？2.缓燃与爆震的定义及区别？缓燃与爆震的定义及区别？3.层流火焰传播速度有哪些影响因素层流火焰传播速度有哪些影响因素？4.掌握多种燃气与空气混合物火焰传播速度掌握多种燃气与空气混合物火焰传播速度的计算。的计算。5.湍流火焰与层流火焰相比有哪些特点？湍流火焰与层流火焰相比有哪些特点？6.为何湍流火焰传播速度要快？为何湍流火焰传播速度要快？28