微重力气体扩散火焰

1、微重力气体扩散火焰微重力气体扩散火焰Institute for Thermal Power Engineering Zhejiang University主要内容主要内容火焰形状预测与实验对比火焰形状预测与实验对比瞬态火焰特性瞬态火焰特性炭黑生成特性炭黑生成特性总结总结气体扩散火焰气体扩散火焰正常重力下的蜡烛火焰正常重力下的蜡烛火焰微重力下的蜡烛火焰微重力下的蜡烛火焰大量生成炭黑使得火焰呈炽黄色大量生成炭黑使得火焰呈炽黄色生成的炭黑相对较少，火焰呈蓝生成的炭黑相对较少，火焰呈蓝色色实验装置实验装置NDF-正扩散火焰正扩散火焰IDF-反扩散火焰反扩散火焰Roper 理论模型理论模型模型假设模型假

2、设1、流动为稳定的轴对称层流，燃料由半径为、流动为稳定的轴对称层流，燃料由半径为R的圆形喷嘴喷出，在的圆形喷嘴喷出，在静止的、无限大的、充满氧化剂的空间里燃烧。静止的、无限大的、充满氧化剂的空间里燃烧。2、只有燃料、氧化剂和产物三种物质存在，火焰面内部只存在燃料、只有燃料、氧化剂和产物三种物质存在，火焰面内部只存在燃料和产物，火焰外部只存在氧化剂和产物。和产物，火焰外部只存在氧化剂和产物。3、火焰表面，燃料和氧化剂按化学当量比进行反应。化学动力学速、火焰表面，燃料和氧化剂按化学当量比进行反应。化学动力学速度无限快，意味着火焰只存在于一个无限薄的薄层里；这就是度无限快，意味着火焰只存在于一个无限

3、薄的薄层里；这就是通常说的通常说的“火焰面近似火焰面近似”(Flame-sheet approximation)。4、物质间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。、物质间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。5、热扩散率和质量扩散率相等，即路易斯数（、热扩散率和质量扩散率相等，即路易斯数（Le =/D）等于）等于1。6、忽略辐射换热，温度在径向上保持恒定，随轴向变化、忽略辐射换热，温度在径向上保持恒定，随轴向变化7、只考虑径向的动量、热和物质扩散，、只考虑径向的动量、热和物质扩散，而忽略轴向的各种扩散而忽略轴向的各种扩散；8、火焰的轴线垂直向上。、火焰的轴线垂直向上。基本方程基本方程 质量守恒质量

4、守恒 轴向动量守恒轴向动量守恒 这个方程适用于整个空间，即这个方程适用于整个空间，即火焰面内部和外火焰面内部和外部部都适用，并且在火焰薄片处保持连续。都适用，并且在火焰薄片处保持连续。0)()(1xvrvrrxr111()()().xxxxrvr v vr v vrrxrrrrrgQ-1:Q-1:浮力影响浮力影响 物质守恒物质守恒 火焰片假设给出了火焰片假设给出了火焰面内、外的产物火焰面内、外的产物质量产率质量产率( )均为零这一条件均为零这一条件，所有的化学反应，所有的化学反应现象都体现在边界条件里面，因此现象都体现在边界条件里面，因此(7.20)可以写作：可以写作：111()()()0ix

5、iriYr v Yr v Yr Drxrrrrr 能量守恒（火焰面的前、后）能量守恒（火焰面的前、后） 反应放热是边界条件，其中边界为火焰表面。反应放热是边界条件，其中边界为火焰表面。0)()()(rdTcDrrdTcvrrdTcvrxpprpxim基本方程基本方程 状态方程：状态方程：TRPMWumix1)/(iimixMWYMW112FFOxmmfZmmmm源于燃料的质量混合物总质量在燃料中为在燃料中为1，在氧化剂中为，在氧化剂中为0基本方程基本方程守恒标量0)()()(rfDrxfvrrfvrxrx f的边界条件的边界条件 因为在火焰处因为在火焰处f = fstoic，所以只要知道了，所

6、以只要知道了 f (r, x)的分布，也的分布，也就能得到火焰的位置。就能得到火焰的位置。)profileexit hat top(0)0 ,(1)0 ,()oxidizerin fuel no(0),()symmetry(0), 0(RrfRrfxfxrf偏微分方程的解表达式较复杂，并含贝塞耳函数。火焰面位置并不能直接解出。进一步进行简化后，方程的近似解列于下图无量纲轴向长度无量纲轴向长度无量纲径向长度无量纲径向长度火焰面理论解火焰面理论解21%O230%O250%O2100%O2 未考虑轴向扩散，无法预测喷口下方的火焰分布未考虑轴向扩散，无法预测喷口下方的火焰分布 炭黑的生成造成了预测的误

7、差炭黑的生成造成了预测的误差实验对比实验对比-乙烷乙烷21%O230%O250%O2100%O2实验对比实验对比-乙烷乙烷 浮力的存在会使火焰变窄，使扩散作用增强Krishnan, et al(2008)常重力与微重力火焰对比常重力与微重力火焰对比21%O230%O250%O2100%O2实验对比实验对比-乙烷乙烷21%O230%O250%O2100%O2实验对比实验对比-乙烷乙烷瞬态火焰特性瞬态火焰特性研究对比了研究对比了不同氧化物组分不同氧化物组分的微重力燃烧火焰差异的微重力燃烧火焰差异 氧气：保持摩尔分数不变氧气：保持摩尔分数不变 二氧化碳：具有反应活性、辐射能力二氧化碳：具有反应活性、

8、辐射能力 氮气：惰性、辐射能力几乎为零氮气：惰性、辐射能力几乎为零l 氧气以外的混合物组分对火焰半径发展影响不明显氧气以外的混合物组分对火焰半径发展影响不明显火焰半径发展火焰半径发展火焰场最高温度随时间变化火焰场最高温度随时间变化火焰场平均温度随时间变化火焰场平均温度随时间变化无浮力圆形层流射流无浮力圆形层流射流扩散火焰中炭黑容积扩散火焰中炭黑容积分数分布分数分布炭黑生成特性炭黑生成特性 随时间的增加，分布随时间的增加，分布区域向外延伸区域向外延伸 炭黑仅存在于一个狭炭黑仅存在于一个狭窄的圆环上窄的圆环上总结总结 微重力下的正扩散火焰接近球形，火焰更宽，但是，反微重力下的正扩散火焰接近球形，火焰更宽，但是，反扩散火焰，由于更强的对流作用，与常重力下对比差异扩散火焰，由于更强的对流作用，与常重力下对比差异并不明显；并不明显； 增加氧气的浓度会增加炭黑的生成量，同时增加亮度；增加氧气的浓度会增加炭黑的生成量，同时增加亮度； 保持氧气浓度的同时改变氧化剂中其他组分，并不能影保持氧气浓度的同时改变氧化剂中其他组分，并不能影响火焰半径的增长曲线；响火焰半径的增长曲线； 改变氧化剂中的其他组分会影响温度场的分布，用氦气改变氧化剂中的其他组分