第8章 火焰的稳定理论

2023/2/11第8章火焰的稳定理论燃烧与污染控制COMBUSTION&POLLUTIONCONTROL能源与机械工程学院SchoolofEnergy&MechanicalEngineering蔡杰2023/2/12本章内容8.1火焰稳定存在的基本条件8.2本生灯火焰的稳定8.3高速气流中火焰的稳定8.4高速气流中利用引燃火焰稳定火焰8.5高速气流中利用钝体稳定火焰8.6火焰稳定理论8.7钝体火焰稳定器的稳定极限8.8高速气流中稳定火焰的其他方法8.1火焰稳定存在的基本条件当火焰进入到燃烧器管内或进出口中进行传播而不发生淬熄时，就发生了“回火”。反之，若，则火焰前锋位置就会向着新鲜混合气的下游移动而被气流吹走。这种情况称为“脱火”，俗称“吹熄”。因此，为保证在管道中可燃混合气的连续不断燃烧，就要求火焰前锋稳定在某一位置上不动，以便不断点燃新鲜混合气。这就是“火焰稳定”。2023/2/15燃烧过程中的一个重要课题是研究火焰的稳定性及其稳定方法。因为对一个工业燃烧装置来说，保证稳定、安全燃烧是极其重要的。要求一旦着火后，在不同的工作条件下使火焰能维持稳定的传播。或者说，能使燃烧稳定地继续下去而不熄灭。就要求不仅懂得在什么条件下能保证火焰的稳定，而且还要知道防止火焰不稳定的方法。

8.2本生灯的火焰稳定火焰由喷嘴喷出后，火焰锥的形状不可能是正锥形的，否则火焰就难以稳定在炉内某一位置。其理由如下：假设火焰是正锥形，那么火焰锥中法向正常传播速度和气流速度之间的关系为：从下图可知，此时气流可分为两个分速，一个垂直与火焰锥的wn，其大小刚好等于wH，另一个为平行于火焰锥的ws，这个分速不断地将前沿带离喷嘴。故着火后经过τ1瞬间，火焰前沿被ws带至下图(b)的位置；经过τ2瞬间，只有在火焰锥顶存在少许火焰前沿，因此火焰会最终被吹走而熄灭。由此分析可知，对于稳定燃烧的火焰根部不会是正锥形。由试验研究发现，在火焰根部出现一圈w=uH的点火环，在点火环内φ角等于零，这才能保证uH=wcosφ=wn=w；ws=wsinφ=0。出现点火环的主要原因：①对气流来说，靠近壁面的速度w→0；②由于管壁向外大量散热，其温度较低；③在管壁附近很多活化分子被中断，使链反应变慢。这些都导致uH的降低，因此在火焰根部总是可以找到某一圆环，保证条件uH=w实现。试验研究发现，在湍流工况下的动力火焰稳定性较差。这是因为湍流运动的速度场在轴心分布较平坦，但其在管壁处速度梯度则比层流的高的多，因此使得形成uH=w的火焰根部圆环面积变小，再加上气流不断的脉动，就导致湍流动力火焰较难稳定。火焰顶部的形状试验发现，火焰顶部也不成尖锥形，而一般形成一个圆角。这可以用和上面同样的道理解释。2023/2/111火焰的回火与脱火的临界条件uH近似与温度平方成正比，此时在壁面处uH<w；可燃物喷离喷嘴，散热损失减少，在Ⅲ截面上出现点A，在该点uH=w；由于散热进一步减少，uH继续提高，在截面上存在uH≥w，即在Ⅳ截面上有两个uH=w的交点；燃烧出现大量介质，反应物浓度下降，且周围空气冲淡作用增强，在Ⅴ截面上又出现一个交点uH=w；在Ⅵ截面上不再有交点。2023/2/113可见在A、B、D、C、A范围内存在着燃烧速度大于可燃混合物运动速度的条件，即存在使火焰往A点运动的条件。即便由于某种原因使得气流速度瞬间大于uH时，火焰前沿便被带回ABDCA范围内，但瞬时过后，又有uH>w，使得火焰前沿又回复到A点。故可将A点看成不动的点火源，A点的位置与流体动力及可燃混合物特性等条件有关。由前面的分析可知，气流速度处于所对应的临界回火和临界吹熄情况之间的，火焰将会稳定地悬浮在喷燃器管口边缘上方某一距离处，该距离将取决于气流速度的大小。根据前面图所示的模型，刘易斯等提出了边界层速度梯度相等的火焰稳定理论。要使火焰稳定得以实现，气流速度和燃烧速度在该点处的梯度必须相等。如果w和uH都是线性变化，则同时满足了uH=w的条件。对于层流火焰，速度分布规律为：此时，为了使火焰稳定在喷嘴口且不至于产生回火的条件为：对式（2）进行微分得：qV—流出喷嘴的体积流量，m3/s；R—喷嘴直径，m。8.4高速气流中利用引燃火焰（小型点火火焰）稳定火焰机理：把炽热气流射入高速的、冷的未燃混合气中，在两股气流的边界处进行强烈的热质交换，使冷的未燃混合气温度提高，反应速率加快，达到着火、燃烧，从而保证主气流火焰稳定。方法：在流速较高的预混可燃主气流附近放置一个流速较低的稳定的小型引燃火焰。设流过截面积为A的可燃混合气射流的质量流量为，若是射流容积为V的某种平均化学反应速率，则可燃混合气体由于化学反应而消耗的速度将是。如果气流速度大于这一反应消耗速度就将产生吹熄现象。因此，为了维持火焰的稳定就必须显然当上述两速度相等时就处于临界吹熄工况，此时气流速度就应为极限吹熄速度，即：因化学反应速率为：则8.6火焰稳定理论8.6.1基于“回流区点燃模型”的火焰稳定理论假设：钝体的回流区是一充满着几乎完全燃烧的、高温的和成分均一的已燃气体区域。在回流区与主气流（未燃混合气）之间有一很薄的边界层，未燃混合气与高温燃气在其中进行混合。回流区中高温燃气通过湍流扩散作用不断地渗入沿回流区外缘流动的一小股未燃混合气中，与其混合并将其加热。当未燃混合气在“走”完回流区长度之前，已经获得足够多的热量，使其温度达到着火温度而着火，从而形成局部火焰。若已有足够数量的未燃混合气被点燃着火，由局部火焰就会向下游及周围的未燃混合气传播，因而产生稳定的火焰。根据此观点，火焰的稳定取决于回流区中高温燃气传给邻近回流区边界的未燃混合气中去的热量。使未燃混合气着火所需的时间为τc，决定于着火延迟时间，它包括混合所需时间τmix和着火诱导的感应期τi，即：此外，未燃混合气在回流区外缘与燃气相接触直到点燃为止的接触时间为：或wl—邻近回流区的未燃混合气沿回流区边界的流速；l—着火点离稳定器的距离；Lre—回流区的长度。如果使未燃混合气着火所需的时间τc小于未燃混合气与高温已燃气体相接触的时间τk，则可就保证未燃混合气不断被点燃从而获得稳定的火焰。由此可见，产生熄火的极限时刻就应是上述两者时间相等的情况，即：或根据实验结果，可以认为在着火延迟时间中，混合时间τmix比τi要短得多，因而可以可以将其忽略，即由着火理论可知，或回流区长度Lre与稳定器直径D有下列关系：则由上式可得：或上式等号左边称为极限综合量。在不同的混合气组成下，产生熄火的极限综合量可有不同的值。因此，熄火极限条件就可以写成：α—未燃混合气组成。8.8高速气流中其他火焰稳定方法逆向喷流（反吹射流）稳定火焰利用气流的旋转（旋转射流）稳定火焰利用燃烧室凹槽稳定