燃烧学(7)资料讲课讲稿

燃烧学(7)资料燃烧的主要种类瑞利方程：(pp-p0)/(1/ρp-1/ρ0)=-m2修贡纽方程：κ(pp/ρp-p0/ρ0

)/(κ-1)-0.5(pp-p0)(1/ρp+1/ρ0)=Q主要种类爆燃：弱爆燃、强爆燃缓燃：弱缓燃、强缓燃2燃烧的主要种类3火焰传播预混气体燃烧过程：着火燃烧火焰传播：火焰面向可燃混合气的推进局部着火燃烧在一薄层内进行：火焰面，厚度<1mm火焰面将可燃混合气与燃烧产物分开火焰面逐层传播，直到燃尽4火焰传播现象5火焰传播的影响因素及其分类火焰传播速度的影响因素可燃混合气的物理化学性质气流流动状况按照气流速度的大小层流火焰传播：湍流火焰传播：6层流火焰传播层流火焰传播：流动为层流湍流火焰传播研究的基础分析火焰传播机理7层流火焰传播速度火焰传播速度SL：火焰面在其法线方向上相对于可燃混合气的移动速度火焰传播速度：SL=Un-wn气流速度等于零：wn＝0，SL=Un气流速度等于火焰传播速度：

SL=-wn，Un=0，火焰面位置驻定层流火焰传播速度测定：本生灯8几种可燃混合气的层流火焰传播速度9层流火焰传播理论层流火焰传播速度：基本特性参数：与燃料种类、氧化剂种类、可燃混合气组成、温度、压力等有关SL=f(Cfuel,Cox,T,P)层流火焰传播速度理论热力理论：化学反应集中于火焰面内，剧烈反应和放热引起极大的温度梯度和浓度梯度，新鲜可燃混合气的着火和燃烧由导热维持扩散理论：化学反应集中于火焰面内，剧烈反应和放热引起极高的温度梯度和浓度梯度，新鲜可燃混合气的着火和燃烧由自由基扩散维持，自由基主要是H、OH等10层流火焰面结构11层流火焰传播的热力理论主要假设火焰面中的化学反应是热活化的结果：火焰面剧烈放热－热传导加热可燃混合气－活化中心增加－引起剧烈化学反应化学反应为简单反应，活化能很高：不考虑链锁反应引起的活化中心增加；活化能越高，火焰面厚度越小，反应区温度接近于理论燃烧温度反应物和燃烧产物均为理想气体，各种热物理参数均为定值反应区定压、绝热气流为一维流动火焰位置驻定，火焰形状为平面坐标系原点位于火焰面上：新鲜预混可燃气流入，燃烧产物流出12基本方程组连续性方程：ρw=ρ0w0=ρ0SL=constant动量输运方程：p=const能量输运方程：边界条件:13求解过程准确求解困难：非线性项近似求解：分区近似求解法：预热区+反应区预热区：δp，忽略化学反应，在预热区厚度δp处，可燃混合气达到着火温度反应区：δc，忽略对流热14预热区求解求解方程：边界条件：结果：15反应区求解求解方程：边界条件：结果：16火焰传播速度计算预热区与交界面上温度导数相等：着火温度Ti未知，需近似求解Cf,0q=ρ0cp(Tf-T0)平均反应速度：17层流火焰传播速度计算式层流火焰传播速度计算式：变形后得到层流火焰传播速度计算式为：18几点说明当可燃混合气种类、组成确定后，层流火焰传播速度是一个特性参数。确定层流火焰传播速度的主要问题是确定平均反应速度。火焰传播速度计算公式不是太准确，但说明影响了层流火焰传播速度的主要因素。19火焰传播速度计算值与测量值的对比20层流火焰传播速度的测定圆柱管法：静力法，预混可燃气静止，照相确定火焰面移动时间与距离本生灯法：动力法激光测试法：非接触测量21圆柱管法测定传播速度22本生灯法23本生灯法测量原理α>1：内锥为蓝色火焰，外锥为紫红色火焰α<1：内锥为蓝色火焰，外锥为黄色扩散火焰测量内锥得到层流火焰传播速度24本生灯法测量原理假定内锥面为正锥体：流出燃料与内锥面上烧掉的燃料量相等ρ0wf=ρ0SLF设锥角为φ、锥高为h，出口半径为r圆锥侧面积：πr·sqrt(h2+r2)SL=wr/sqrt(h2+r2)测量h、r流速测量：w=qV/(πr2)25火焰面宽度定义：dT/dx=(Tf-T0)/δ计算值：δ=a0/SL26层流火焰传播速度的影响因素可燃混合气的性质组成温度压力掺杂物的种类与数量27可燃混合气性质的影响导温系数越高，层流火焰传播速度越大导热系数高热容小，温升增加化学反应速度越大，层流火焰传播速度越大：化学反应是热活化的结果：活化分子越多，反应速度越快氧化剂为氧气时，反应速度增加，层流火焰传播速度增加28燃料分子结构的影响烷烃火焰传播速度基本与碳原子数量无关，约为70cm/s烯烃火焰传播速度随着碳原子数量的增加而减小炔烃>烯烃>烷烃29混气组成的影响随着混气组成与化学计量比的接近程度减小而增加位于化学计量比时，反应温度最高碳氢燃料的火焰传播速度：α=0.96时，SL=SL,max30压力的影响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刘易斯认为：SL~pmm：刘易斯压力指数反应级数：ρ0SL~w1/2w~pn理想气体状态方程：p~ρ0SL~pn/2-1轻质碳氢燃料的反应级数：1.5~2火焰传播速度随着压力的减小而增加，但着火条件变差从反应级数来看，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31温度的影响层流火焰传播速度随着初始温度的增加而增加：定性解释：SL~exp(-E/(RTf))Tf=T0+Cf,0Q/cp在高温下不适用：高温下将出现离解温度对层流火焰传播速度的影响：SL~T0m,m=1.5~232掺杂物的影响掺杂物的种类：不可燃成分可燃成分不可燃掺杂物：火焰传播速度减小：SL’=SL×(1-0.01[N2])-0.012[CO2]本质是对可燃混合气λ/cp的影响过量的氧化剂或过量燃料，相当于掺入不可燃成分可燃掺杂物：问题复杂，与不同燃料的反应机理有关33层流火焰传播界限燃料燃烧过程：着火+火焰传播火焰传播界限：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当SL<2~10cm/s时对应的混气组成为传播界限：上限、下限34火焰传播界限定义35火焰传播界限的影响因素压力：随着压力的增加而增加温度：随着温度的增加而增加管径：淬熄直径dT：dT=const/(SLP)SL：理论火焰传播速度，对应于无散热条件管径对火焰传播界限影响的分析管径减小，比表面积增加，散热增加管径减小，活化中心与壁面碰撞加剧，活化中心销毁速度增加淬熄直径的影响因素：提高管内可燃混合气初温，活化中心增加，淬熄直径减小增加压力，分子自由程减小，活化中心与壁面的碰撞、销毁几率减小，淬熄直径减小工程应用：通过减小直径，防止回火36比表面积与管径之间的关系37火焰传播界限的确定估算：上限：化学计量比对应浓度的三倍下限：化学计量比对应浓度的50%38湍流预混可燃气的火焰传播湍流预混火焰的特点湍流火焰传播速度：湍流火焰传播速度剧烈增加SL=30~80cm/sST/SL：剧烈增加汽油燃烧室：ST=20~70m/s火焰面出现皱褶、变厚，火焰区轮廓模糊：湍流脉动火焰长度减小存在噪音：火焰区存在较大的压力变化和密度变化NOx生成量小39湍流火焰传播速度与雷诺数之间的关系40湍流预混火焰锋面层流预混火焰面：隔开未燃气和产物湍流预混火焰面：隔开未燃气与正在燃烧的成分湍流火焰传播速度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41湍流火焰传播速度理论湍流火焰传播速度理论皱折层流表面燃烧理论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微扩散容积燃烧理论湍流脉动引起热量和活化中心输运速度增加，进而提高燃烧速度两种理论的地位：表面燃烧理论相对比较完整42表面理论模型与容积燃烧模型43湍流场中某点的速度变化44皱折层流表面燃烧理论谢尔金：湍流各向同性假设各种湍流参数均是常数：w’,l,ε,aT,DT,νT未说明湍流参数对火焰面弯曲程度的影响邓克尔：对DT=lw’，应分别考虑尺度和脉动对湍流燃烧的影响湍流尺度：大尺度、小尺度脉动速度：弱湍流、强湍流45皱折层流表面燃烧理论表面燃烧理论的基本思想：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湍流燃烧的主要种类按照湍流尺度分类：小尺度：l<δL大尺度：l>δL按照脉动速度与层流火焰传播速度的比较弱湍流：w’<SL强湍流：w’>SL46小尺度湍流燃烧模型47小尺度湍流的火焰传播速度小尺度：Re=2300~6000l<δL火焰面由平面转化成波浪形表面火焰传播速度：层流：SL=(aL/τm)1/2湍流：ST=[(aL+aT)/τm]1/2湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度之间的关系：ST/SL=[1+aT/aL]1/2aT=lw’：Pr=1,Le=1ST/SL=[1+lw’/aL]1/2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48小尺度湍流火焰相关计算式实验表明：l~d；w’~wl·w’/aL~d·w/νL=Re火焰传播速度计算式：ST=SL·Re1/2：应用范围：Re=2300～5000ST=A·Re+B：应用范围：Re=5000～18000湍流火焰面宽度计算式：δT=δL·[1+lw’/aL]1/2δT=ST·τm=SL·[1+lw’/aL]1/2·a/SL2=a/SL·[1+lw’/aL]1/2=δL·[1+lw’/aL]1/249小尺度湍流条件下火焰传播速度与雷诺数的关系50大尺度湍流燃烧火焰传播层流条件下，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）大尺度湍流燃烧大尺度弱湍流大尺度强湍流51大尺度弱湍流火焰传播大尺度弱湍流燃烧特点：火焰面仍然连续火焰面的弯曲、皱折程度增加湍流火焰面是厚度为δT的发光区湍流火焰传播速度ST/SL=AL/ATAL：已经弯曲的层流火焰面表面积AT：可见火焰锥体的内表面积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52大尺度弱湍流火焰传播速度火焰传播速度计算式：ST=SL[1+(2w’/SL)2]1/2谢尔金的观点：弯曲火焰面由许多锥体组成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)2]1/2锥体高度为：h~w’τ~w’l/SL锥体半径：r~l在管内流动中，湍流尺度为定值53几点说明谢尔金公式表明：湍流强度很弱时：ST=SL湍流强度很强时：ST=w’，只与脉动速度有关谢尔金公式只能近似估算湍流火焰传播速度湍流火焰传播速度经验公式：54大尺度强湍流火焰面特点：火焰面不再连续燃烧气团可能脉动到新鲜未燃气新鲜未燃气也可能扩散到燃烧区火焰面区域较宽湍流火焰传播速度定义：ST=SD+SLSD=sqrt(x2)/τb：湍流气团的扩散速度x：湍流气团的瞬间位移τb：湍流气团烧完所经历的时间55大尺度强湍流燃烧模型56火焰传播速度计算式弱湍流：扩散速度：SD=w’传播速度：ST=SL+w’－用于连续火焰面强湍流：扩散速度：SD=sqrt(2w’lla/τb)传播速度：ST=SL+sqrt(2w’lla/τb)－用于不连续火焰面lla=A2l0：拉格朗日湍流尺度；A接近于157气团燃尽时间气团燃尽时间：τb：气团从初始尺寸l0到0所需时间，也就是燃尽所需时间τb=l0/w’*ln(1+w’/SL)大尺度强湍流火焰传播速度计算式：58燃烧区火焰厚度燃烧区火焰厚度：δT=wτb=w·l0/w’·ln(1+w’/SL)δT=l0/ε*ln(1+w’/SL)实验公式：δT=0.018·d/ε·ln(1+w’/SL)实验公式与理论公式基本相同59微扩散容积燃烧理论表面层流燃烧理论的问题：实验发现：湍流火焰面厚度为层流火焰面的１０~１００倍。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基本思想：湍流对燃烧的影响以微扩散为主微扩散速度高，以致无法形成火焰面某个微团内部的温度分布、组分分布是均匀的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将湍流火焰面修正成燃烧区60湍流火焰传播速度计算容积理论认为：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湍流火焰传播速度计算：计算式：通过计算湍流火焰厚度和湍流扩散度确定火焰传播速度61湍流火焰传播速度的影响因素脉动速度与层流火焰传播速度：ST=SL+5.3w’0.6~0.7SL0.4~0.3湍流尺度：影响不大，尤其在大尺度湍流条件下混气组成：通过影响SL温度：ST~T0.5~0.7压力的影响：ST~P0.08SL：SL~P-0.3w’：w’~P0.34,压力降低，脉动速度减小62湍流火焰面厚度的影响因素w,ε,SL的影响：气流速度增加，厚度增加ε,SL增加，厚度减小温度增加，厚度减小：δT~T-1.6压力的影响：δT~P-0.563总结湍流火焰传播速度取决于SL和w’大尺度条件下，脉动速度对湍流传播速度影响很大湍流传播速度远高于层流传播速度压力降低，传播速度减小，厚度增加温度增加，传播速度增加，厚度减小改善燃烧过程的性能：提高压力与温度增强湍流程度使用层流传播速度高的燃料64火焰自湍化理论实验表明，湍流传播速度计算值小于测量值火焰出现自湍化，在火焰面形成附加湍流自湍化理论：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，因此将稳定微小扰动的放大与出现切向分裂，引起火焰面破碎65扩散燃烧的概念66扩散燃烧的种类与特点扩散燃烧的主要种类：燃烧时间：τ=τmix+τcτmix=1/(1/τm+1/τT)τm：燃料-氧化剂混合（分子扩散与湍流扩散）形成可燃混合物（φ=1）所需时间。τc：可燃混合物完全燃烧所需时间。动力燃烧：扩散燃烧：动力-扩散燃烧：特点：不会发生回火，燃烧稳定使用简单：无需燃料与氧化剂的事先混合研究特点：侧重于火焰外形与长度的确定火焰传播速度难于测定67气体燃料扩散燃烧的种类按照射流特性自由射流同轴射流对撞射流按照流动特性层流扩散火焰湍流扩散火焰按照喷口形状平面圆形射流：轴对称68气体射流扩散燃烧的主要种类69气体燃料层流扩散燃烧扩散火焰面位于满足化学计量比的位置火焰面将燃烧区分成氧化区和还原区通过组分输运和热量输运预热氧化剂和燃料燃烧速度取决于燃料与氧化剂的分子输运速度扩散燃烧会形成严重的不完全燃烧：生成炭黑粒子反应区+预热区70层流扩散火焰的外形71温度、组分分布72层流扩散火焰理论Burke和Schuman的理论求解组分扩散方程与边界条件扩散火焰任一点的浓度计算式火焰外形计算火焰长度计算73层流扩散火焰长度确定示意图74层流火焰长度分析假定火焰长度为L，燃料出口直径为d在L距离内，燃料与射流之间的扩散率为：DFdC/drF~LddC/dr~1/d：直径越小，径向浓度梯度变化越剧烈在L距离内，扩散的氧量正好使燃料燃尽wd2~DFdC/dr~DL：L~wd2/D燃料流量越高，火焰长度越长Jost的层流扩散火焰长度计算式：L=wd2/(4D)75气体燃料湍流扩散燃烧气流出口速度大，流动出于湍流状态气体燃料湍流扩散燃烧的主要种类：自由射流：燃料喷入自由无限大空间同轴射流：对撞射流：燃料与氧化剂相向流动76层流扩散燃烧向湍流扩散燃烧的过渡77过渡定性分析层流状态：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随着流速的进一步增加，火焰开始出现抬起、吹熄78湍流扩散火焰特征火焰前沿出现颤动、皱折和破碎火焰面厚度显著增加火焰长度与速度无关，而是与出口直径成正比：L~d热负荷小时，采用小直径喷嘴热负荷大时，采用若干个小直径喷嘴79自由射流示意图80自由射流燃料射流喷入无限大氧化剂空间初始段+主体段初始段：喷嘴直径的4～6倍主体段：核心区+边界层核心区：速度保持为初始速度核心区消失对应的轴向距离为射流初始段核心区中为燃料边界层：燃料与氧化剂的混合物81自由射流扩散燃烧分析火焰面位置上：燃料浓度Cf=0氧化剂浓度Co=0锥形火焰面82自由射流扩散燃烧锥形火焰面83湍流非等温自由射流的特征射流基本段，速度分布具有相似性u/um~YF/YF,m~(T-T0)/(Tm-T0)~正态分布u/um=exp[-K(r/x)2]K=82~92射流轴线速度：Um/u0=(1+8sqrt(3/2)cx/d0)-1c=0.0128射流半宽：2b/d0=sqrt(6)·(1+8sqrt(3/2)cx/d0)射流卷吸速度：vb/u0=2c(1+8sqrt(3/2)cx/d0)-184湍流自由射流扩散燃烧主要假设：燃料Da=τf/τc很大，认为火焰面无限薄火焰前沿不可渗透忽略辐射热损失热物性不随温度、组分变化忽略反应对流动的影响85基本方程组反应过程：(1g)Fuel+(βg)Oxidant[(1+β)g]Product基本方程组：动量方程：组分方程：能量方程：86捷尔道维奇变换引入新变量，将有源方程转化成无源方程：87求解结果火焰形状：Yf=YOX=0火焰高度：88自由射流扩散火焰长度定性分析扩散火焰长度：L~wd2/DTDT~lw’L~dw’~wL~wd2/DT~wd2/(dw)扩散火焰长度的影响因素：L~d扩散火焰长度只与喷口直径有关，与流速无关层流扩散火焰长度：L~wd289火焰长度经验计算式：xf/d0=6(R+1)(ρF/ρf)1/2R：化学计量比时空气与燃料的质量比ρF：燃料密度ρf：火焰密度90湍流扩散燃烧的临界雷诺数临界雷诺数Recr：从层流扩散燃烧过渡到湍流燃烧时的雷诺数Recr：2000～10000气体粘度与温度之间密切关联91空气中各种火焰的临界雷诺数92其他射流扩散燃烧受限射流横向受限：燃料射流与空气流垂直纵向受限：燃料射流与空气流平行弱受