7-扩散火焰资料

燃烧学

7-集中火焰火焰分类集中火焰特点层流集中火焰湍流集中火焰第一节火焰分类一集中燃烧与预混燃烧概念预混火焰在发生化学反响之前，反响物已经均匀地混合，预混射流〔燃料与空气混合物〕直接形成的火焰集中火焰在发生化学反响之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子集中和整体的对流运动〔湍流集中〕使反响物分子在某一个区域混合，接着进展燃烧反响燃料燃烧所需的时间τ=τm+τr燃料与空气混合时间τm流淌特征时间燃烧反响时间τr化学反响时间Da=τm/τr集中燃烧：τm>>τr,τ≈τm化学反响进展得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化学反响速度关系不大预混燃烧：τm<<τr,τ≈τr混合过程进展得很快，燃烧快慢主要取决于化学反响速度(化学动力因素)，与混合过程关系不大动力-集中燃烧燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关本生灯一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量总空气消耗系数：α=α1+α2〔1〕α1=0，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射供给，属于集中燃烧；〔2〕α1≥1，从本生灯的底部供入的空气充分，燃烧过程完全由化学反响的快慢掌握，属于动力燃烧；〔3〕0<α1<1,燃烧既有一次空气混合物的预混燃烧，也有剩余燃料的集中燃烧，属于动力-集中燃烧。(a)α1>1，当管中混气为贫油时的动力火焰。此时混气中有足够氧气，不需要从外界猎取氧气，故火焰光滑，随着α1增大，火焰变长(b)α1=1，化学恰当比下的动力火焰。此时温度高，火焰传播速度快，故火焰高度最短(c)α1<1，富油燃烧，此时混气燃料多而氧气少，故有剩余燃料。此时消失两个火焰锋面，内焰大致相当于α1=1的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经集中获得外界氧气燃烧而形成，称为集中火焰，内焰温度较高，外焰则较低(d)α1=0，管中供给的为纯油气。所需氧气全部从外界获得，故为纯集中燃烧，火焰最长集中火焰层流集中火焰质量集中以分子集中形式实现湍流集中火焰质量集中以气团集中形式实现集中燃烧过程取决于混合过程。流淌速度、流淌状态和混合方式等起打算性作用，而化学动力学参数影响不大强化集中燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件其次节集中火焰特点集中火焰温度低集中燃烧简洁产生碳氢化合物的热分解湍流集中火焰的稳定性：火焰既不被吹跑〔脱火、吹熄〕也不产生回火，而是始终“悬挂”在管口。当气流速度过大时，集中火焰被吹熄〔推举和吹熄〕推举：气流速度足够大时，射流火焰会被从管口推举起来，火焰根部与管口距离为推举高度，增大流速，推举高度增加，直至吹熄第三节层流集中火焰2023/11/711射流火焰的物理描述Burke-Schumann简化理论描述2023/11/7121.射流火焰的物理描述层流射流的燃烧与等温射流类似：燃料一边沿着轴向流淌一边快速向外集中，同时氧化剂〔如空气〕快速向内集中。BurkeandSchumann(1928)给出了非预混火焰最早理论分析。Burke-SchumannFlame(BSF)是一种受限的层流气体非预混火焰！术语：ConfinedJetBSF试验台fromProf.J.Y.ChenUCBerkeleyUnderventilatedflame〔欠通风火焰〕2023/11/713(1)Burke-Schumann非预混火焰的两种状况过通风火焰过通风火焰欠通风火焰过通风火焰Peclet数对流/集中过通风火焰氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量〔即总的氧化剂过量〕。火焰靠近圆柱管的中心线上欠通风火焰燃料量超过化学计量值，〔即燃料过量〕，火焰向外壁集中2023/11/715燃料一边沿着轴向流淌一边快速向外集中，同时氧化剂〔如空气〕快速向内集中。在流场中，燃料和氧化剂之比为化学当量比的点就构成了火焰外表。层流非预混火焰(特征一)：火焰外表定义过通风非预混火焰2023/11/716在这里需要留意的是，虽然燃料和氧化剂在火焰处都消耗了，但是产物的组成成分只和Φ的取值有关，因此当量比仍旧有意义。产物在火焰外表形成后，就向着内外侧快速集中。对于富氧燃烧，四周存在着过量的氧化剂，火焰长度Lf可以这样定义：火焰外表定义2023/11/717在整个火焰中，发生化学反响的区域通常来说是很窄的，就像图9.4中看到的一样，在到达火焰顶部以前，高温的反响区是一个环形的区域。这个区域可以通过一个简洁的试验显示出来，即在本生灯的火焰前面垂直于轴线放置一个金属滤网，在火焰区对应的地方滤网就会受热而发光，就可以看到这种环形的构造。层流非预混火焰(特征二)：火焰长度定义2023/11/718在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考虑了。浮力的存在在加快气体流淌的同时，也使火焰变窄。由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF/dr的增加，也增加了集中作用。层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响2023/11/719在碳氢化合物的燃烧火焰中，由于常常会有碳黑存在，火焰就可能呈现为橙色或黄色。层流非预混火焰(特征四)：碳烟Soot的产生2023/11/7202023/11/721假设有充分的时间碳烟就会在反响区的燃料侧生成并在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗由于燃料和火焰停留时间的不同，在燃料侧形成的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被完全氧化在这种状况下，soot就会冲出火焰而形成碳黑的“翼”，这局部从火焰中出来的碳黑就是我们通常说的说的烟。2023/11/722图9.6是一个乙烯火焰的照片，在图中可以看到焰舌的右边消失了碳黑翼。2023/11/723在层流喷射非预混火焰中，还有一个突出的特点，就是火焰长度和初始条件之间的关系。对于圆口火焰来说，火焰长度和初始速度以及管径都无关，但是和初始体积流量QF有关。再由于QF=veπR2，不同ve和R的组合也可以得到一样的火焰长度。层流非预混火焰(特征五)：火焰长度-流量的关联2023/11/7242023/11/725由此可以看出，火焰长度确实是和体积流量成正比而且还和燃料的化学当量质量分数成反比。这就意味着假设燃料完全燃烧需要较少的空气，那么燃烧的火焰也就较短。2023/11/7262.简化理论描述最早的关于层流喷射集中火焰的理论描述是Burke和Schumann[4]在1928年发表的。虽然做了很多假设，例如认为速度场在每个地方的分布都是恒定，并且平行于火焰轴，他们的理论也仅能够较为合理地对轴对称〔如圆口〕火焰的火焰长度进展求解。在此之后，其他的争论者对其理论进展扩展提炼，但始终保存着恒速这一假设。2023/11/7272-1根本假设1、流淌为稳定的轴对称层流，燃料由半径为R的圆形喷嘴喷出，在静止的、无限大的、布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和产物，火焰外部只存在氧化剂和产物。3、火焰外表，燃料和氧化剂按化学当量比进展反响。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；这就是通常说的“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)。4、物质间的集中为遵从费克定律的简洁二元集中。5、热集中率和质量集中率相等，即路易斯数〔Le=α/D〕等于1。6、无视辐射换热。7、只考虑径向的动量、热和物质集中，而无视轴向的各种集中；8、火焰的轴线垂直向上。2023/11/728“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)在“快速化学反响”的极限条件下，化学反响时间τchem远小于流淌特征时间Τchem<<τtransport(或τdiffusion)火焰构造由反响物和能量的分子集中打算〔即集中过程是最慢的、掌握反响速度的过程〕，火焰可以从分开燃料和氧化剂的外表取一个薄层来模拟。火焰处燃料和氧化剂的质量集中流率为化学恰当比。由于Τchem<<τtransport(或τdiffusion)故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为02023/11/7302-2根本守恒方程质量守恒轴向动量守恒这个方程适用于整个空间，即火焰面内部和外部都适用，并且在火焰薄片处保持连续。浮力影响2023/11/731物质守恒火焰片假设给出了火焰面内、外的产物质量产率()均为零这一条件，全部的化学反响现象都表达在边界条件里面，因此(7.20)可以写作：产物的质量分数为：2023/11/732能量守恒〔火焰面的前、后〕反响放热是边界条件，其中边界为火焰外表。2023/11/733附加关系和方程归结状态方程：5个方程：质量，动量，燃料，氧化剂和能量5个未知的函数：任务困难未知的火焰面位置：引入守恒标量表示。2023/11/734守恒标量的概念这里我们只争论其中的两个：一个是下面定义的混合物分数；一个是前面提到的混合物确定焓。2023/11/735混合分数：f,Z在燃料中为1，在氧化剂中为0!!!2023/11/7362023/11/7372023/11/738守恒标量能量方程最原始式子2023/11/7392-3新建立的4个守恒方程a.混合物分数守恒方程(New)b.确定焓守恒方程(New)c.连续性方程d.动量守恒方程2023/11/740(a)守恒标量的推导混合分数：f的边界条件由于在火焰处f=fstoic，所以只要知道了f(r,x)的分布，也就能得到火焰的位置。2023/11/741(b)确定焓守恒方程能量方程可以写为：和混合分数一样，h在火焰面也连续，其边界条件如下：如何构造2023/11/742(c-d)质量和动量守恒方程质量守恒轴向动量守恒这个方程适用于整个空间，即火焰面内部和外部都适用，并且在火焰片处保持连续。2023/11/743我们只需要用守恒量来代替物质组分方程和能量方程，这对连续方程和轴向动量方程没有影响，因此不对前面得到的(9.23)和(9.24)做变换。速度的边界条件和非反响射流的边界条件一样：最终，要确定密度：(r,x)2023/11/7442-4无量纲方程在这里，我们使用喷嘴半径R为特征长度，喷嘴出口速度ve为特征速度来定义下面的无量纲空间坐标和速度：2023/11/745混合分数f〔0≤f≤1〕本身就是一个无量纲变量，可以直接使用。而混合物确实定焓h具有量纲，对此则做如下定义：留意，在烧嘴出口，h=hF,e且h*=1；而在环境中(r),h*=02023/11/746再定义如下的无量纲密度，来使掌握方程完全无量纲化：其中e是烧嘴出口的燃料密度2023/11/747将这些无量纲变量和参数与其对应的物理量联系起来，再代入前面的根本守恒方程里面，就可以得到下面的无量纲掌握方程：连续性轴向动量雷诺数和Freud数2023/11/748混合分数无量纲焓2023/11/749上述方程无量纲的边界条件为：中心线R无穷远中心线对称出口2023/11/750通过观看这些无量纲掌握方程和边界条件，我们可以结论：首先，混合分数和无量纲焓的方程以及边界条件是一样的形式，就是说f和h*在各自的掌握方程里的所处的地位是一样的。因此只需要对(9.38)和(9.39)中的一个进展求解就可以了，例如已经解出了f(r*,x*)，那么就可以认为h*(r*,x*)=f(r*,x*)。2023/11/751附加假设假设无视浮力的作用，那么轴向动量方程(9.37)的右边项就为零，这个方程和混合分数以及无量纲焓方程相比照，就只有其中的μ和后者中的ρD是不一样的了。假设再假设μ和ρD相等，那么问题就可以得到进一步的简化。施密特数Sc定义如下：假设μ=ρD，那么即施密特数为1〔Sc=1〕。前面已经做了热集中率和质量集中率相等的假设〔Le=1〕。2023/11/752无视了浮力的作用，并做了Sc=1这个假设，前面的轴向动量、混合分数〔物质〕和焓〔能量〕方程〔9.37～9.39〕就可以用下面这个统一的式子来表达：式中的通用变量=vx*=f=h*，雷诺数Re=eveR/。2023/11/753状态关系式为了对上述射流火焰的问题进展求解，需要将无量纲密度ρ*〔=ρ/ρe〕和混合分数或其它任何一个守恒量联系起来。为此将引入抱负气体状态方程(9.28)，但是这又必需知道各组分的质量分数和温度，因此接下来要做的就是将各组分的Yi和T表示为混合分数的函数，然后就可以得到所需要的函数关系式ρ=ρ(f)了。对于我们考虑的简洁系统，在火焰内部只有燃料和产物，火焰外只有氧化剂和产物〔参见假设2〕，需要确定的是下面的状态关系式：2023/11/7542023/11/755由火焰面的假设〔假设3〕，对于火焰内、火焰面处和火焰外的YF、YOx和YPr，都可以用混合分数的定义将其同f联系起来，如图9.7所示，其关系为：2023/11/756火焰内部(fstoic<f1)2023/11/757在火焰面上(f=fstoic)2023/11/758火焰外部(0f<fstoic)2023/11/759由上面的结论可知全部组分的质量分数都与混合分数成线性关系，如图9.8所示。2023/11/760为了将混合物的温度表示为混合物分数f的函数，还需要引入热量状态方程(2.4)。像前面几章那样，这里也应用Spalding理论，并做下面的假设：1、全部组分的比热均为常数，并且彼此相等，即cp,F=cp,Ox=cp,Pr≡cp。2、氧化剂和产物的生成焓均为零，即hof,Ox=hof,Pr=0。这就使得燃料的生成焓和燃烧热相等。状态关系式-温度分布2023/11/761将(9.48)代入无量纲焓h*的定义式(9.35e)中，并利用掌握方程中h*=f这一相像性，可以得到：2023/11/762式中用到了和这两个焓定义式。通过求解(9.49)，再留意到YF也是混合分数f的函数，就可以得到关于T的状态关系式：2023/11/763将YF在火焰内、火焰面处和火焰外的表达式〔9.44a、9.45a和9.46a〕代入(9.50)，就可以得到下面的结论：火焰内部(fstoic<f1)2023/11/764在火焰面上(f=fstoic)火焰外部(0f<fstoic)2023/11/765温度在火焰面内部和外部均为线性分布，并在火焰面处到达最大值层流流淌时，混合以分子集中形式进展，在两股对流交界面上，燃料向空气射流集中，空气向燃料集中，在α=1处形成火焰锋面在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度到达最大值，然后向两侧集中焰面外侧：空气+燃烧产物焰面内侧：燃料+燃烧产物焰面：燃料与空气的理论浓度为零层流集中火焰的温度和各组分浓度的分布规律2023/11/7713火焰高度的影响因素a)流率和几何外形的影响图9.9中将圆口燃烧器和不同长宽比的槽形口燃烧器的火焰长度的比照.(各种状况下的喷口面积都相等，因此平均出口速度也都相等)从图中可以看到，圆口燃烧器的火焰长度和燃料的体积流率成线性关系，而槽形口燃烧器的火焰长度对燃料体积流量的变化率呈上升趋势。1.火焰的弗劳德数都很小，即火焰是受浮力掌握的2.当h/d变大时，火焰会明显地变短2023/11/772b)影响化学当量的因素前面得出式子里面，用到了化学当量摩尔比S这个概念，它是用喷射流体和环境流体来定义的：可以看出，喷射流体和环境流体的化学成分都会影响到S的值。例如，对于纯燃料和用氮气稀释后的燃料在空气中燃烧这两种状况，它们的S的取值就不同。类似的，氧气在环境流体中的摩尔分数也会影响到S。在大多数的应用中，我们关心的主要是下面的几个参数对S的影响。2023/11/773b-1)燃料类型对于纯燃料，化学当量摩尔空燃比可以依据简洁的原子平衡来计算。对于碳氢化合物CxHy，这个比值依据下面的式子来计算,其中xO2是空气中的氧气摩尔分数。2023/11/774在图9.10给出了由圆口表达式(9.60)计算得出的氢气、一氧化碳以及含1-4个碳的烷烃的火焰相对长度。(其中的每种状况均具有一样的燃料流率，并都以甲烷的火焰长度为标准)。在这个式子中，认为各种混合物都具有一样的平均集中系数，这只是一个近似的假设；而对于氢气来说，这个假设根本就不合理。一氧化碳和氢气的火焰和碳氢化合物的相比要短得多。2023/11/775b-2)一次风对一个应用层流射流集中火焰的燃气设备，通常在气体燃料在燃烧以前都要和空气进展局部预混，这局部预混的空气就是一次风。一次风量一般为完全燃烧所需空气量的40-60℅，它使得燃烧的火焰变短，防止了碳黑的生成，通常会产生蓝色的火焰。引入一次风量的最大值受到了安全性的限制，假设参加的量过大，就可能超过可燃上限(richflammabilty)，即此时混合物具备形成预混火焰条件。此时，燃烧中可能有回火现象，当气流速度足够大就可能产生类似Bunsen灯内焰的预混火焰。2023/11/776一次风量会影响到火焰长度，图9.11中给出了一次风对圆口燃烧器中甲烷火焰长度的影响状况。一次风量为40-60℅时，Lf和不加一次风相比，减小了85－90℅。在参加一次风状况下，可以将喷射流体当作是纯燃料和空气的混合物，来计算(9.71)定义的化学当量摩尔比S：其中ψpri是一次风量占所需空气的百分比，Spure是纯燃料对应的化学当量摩尔比。2023/11/777b-3)氧化剂的含氧量氧化剂中的含氧量对火焰长度的影响很大，由图9.1