燃烧学-预溷合气燃烧及火焰传播.ppt
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1、第四章 预混合气燃烧及火焰传播,层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算,层 流火焰传播速度影响因素 ,湍流火焰概念 ,湍流火焰传播理论 与传播速度,爆震燃烧理论。,层流火焰结构、传播机理,湍流火焰传播两种理论,层流火焰传播的数学模型建立与推导,湍流火焰传播理论,概述,一、预混合燃烧概念 定义,燃料和氧(或空气)预先混合成均匀的混 合气,此可燃混合气称为预混合气,预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧(premixed combustion)。,典型预混合燃烧装置,预混合气燃烧过程,某一局部区域首先着火,依靠火焰面的热量使邻近的预混合气引燃,逐渐把燃烧扩展到整个混合气范
2、围。 在它的前方是未燃的混合气,而在它的后方是已燃的燃烧产物。 随时间推移,火焰面在预混合气中不断向前扩展,呈现出火焰传播(flame propagation)的现象。,火焰传播(flame propagation),随时间推移,火焰面在预混合气中不断向 前扩展,所呈现的现象。 可燃气体混合物的局部首先着火,着火部 分向未燃部分传递热量和活性粒子,使之 相继着火的过程称为火焰传播。,预混合燃烧的关键、本章研究的核心,二火焰及其特征和分类,火焰的定义 火焰的特征 具有发热、发光特征; 辐射现象 具有电离特性; 具有自行传播的特性。,火焰(flames)是在气相状态下发生的燃 烧的外部表现。,火焰
3、的分类,火焰自行传播 燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 火焰状态 流体力学特性 两种反应物初始物理状态,缓燃火焰(或称正常火焰) ( 0.2-1m/s ) 爆震火焰(4. 3),预混火焰 (第四章) 扩散火焰 (第五章),移动火焰 驻定火焰,(见图),层流火焰 (4.1) 湍流火焰 (4.2),均相火焰 多相火焰(异相火焰 ),4.1 层流火焰传播,(laminar flame),预混可燃气体流速不高(层流状态)时 的火焰传播称为层流火焰传播。,一、层流火焰结构与传播机理,层流火焰图,层流火焰前沿浓度和温度变化,火焰结构特点 火焰前沿厚度很薄,一般不超过1mm,只有十分之几毫米甚至百分之几
4、毫米厚。,层流火焰图,前沿的厚度很小,但温度和浓度的变化很大,因而在火焰前沿中出现了极大的浓度梯度及温度梯度。这就引起了火焰中强烈的扩散流和热流。,在火焰前沿厚度的很大一部分上,化学反应的速度很小,称为预热区,以 p 表示。而化学反应主要集中在很窄的区域 c 中进行,称其为化学反应区。,火焰前沿传播机理 火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动,取决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。 火焰传播的扩散理论 认为凡是燃烧都属于链式反应,在链式反应中借助于活性中心的作用,使混合气变为燃烧产物。火焰前沿在空间的移动是由于反应区中有活性中心向新鲜混气进行扩散而使反应连续进行。,二
5、、层流火焰传播速度,定义 大小取决于反应速度、热量和活性中心的传 递速度。,火焰外沿相对于未燃混合物在火焰表面法线 方向上的移动速度称为火焰的法线速度,用Un表 示,也称为层流燃烧速度 ( laminar burning velocity) ,用Sl 表示。,Bussen 燃烧 嘴火焰,U未燃混合气局部流速,数学表达式,静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析,对固定火焰,火焰面静止不动,即up=0,则Sl = u0 = us 即:火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速,两者大小相等方向相反。,Slu0,us混合气流速 up火焰面的移动速度 u0火焰面相对未燃混合气的移动速度,可燃气体和空气
6、混合物在20及760厘米水银柱下的火焰前沿移动的正常速度值,三、层流火焰厚度(l),arweg和Maly : Chin: Law和Tseng :,在LePrSc1的条件下等价,( 不同的混合气用不变的 l ),层流火焰厚度正比于燃料空气混合气的质扩散系数,反比于层流燃烧速度 。,四、预混层流火焰传播的数学模型,基本方程的建立 假设:假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿 管子传播,并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响,以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。 取火焰面厚度为x的气体层为控制体。,基本方程: 边界条件 :,连续方程 : (4-11) 能量方程:
7、(4-12) 组分扩散方程: (4-13) 状态方程: (4-14),基本方程的简化求解,基本思想:控制火焰传播速度的主要过程是从反应区向预热 区的传热过程。在预热区中,忽略化学反应的影响,而在反 应区中则忽略对流传热的影响,按一维定常流来解。,Zeldovich 热理论模型,预热区: 忽略化学反应的影响,能量方程作如下简化 :,积分:,反应区: 忽略对流传热项 ,能量方程作如下简化 :,边界条件:,(4-16),积分、化简得 :,五、层流火焰传播速度影响因素分析,燃料/氧配比的影响 燃料性质的影响 压力的影响 混合气初始温度的影响 添加剂的影响 :惰性添加剂,反应添加剂,燃料/氧配比的影响,
8、图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳 4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷,混合气配比对火焰传播速度影响很大。 除氢气和一氧化碳外,最大火焰传播速度处在=0.800.85范围内。 对大多数混合气来说、最大火焰传播速度是发生在化学计量比条件下。,燃料性质的影响,导热系数,定压比 热容Cp和密度,烷烃随含碳量的增加, 火焰传播速度基本不变。 烯烃和炔烃含碳量越高, 火焰传播速度越小,燃料化学结构,压力的影响,(n反应级数),混合气初始温度的影响,m1.52之间,提高可燃物初始温度T可以大大促进化学反应速度,因而增大Sl 值,添加剂的影响,惰性添加剂:降低火焰传播速度,缩小可燃界限
9、,如 CO2、N2等。 反应添加剂:加速链反应过程而使火焰传播速度迅速 增加,如氢。,一、湍流火焰概述 湍流火焰的存在 在工业生产中,燃烧几乎总是发生在高速 、大管径、流动方向有突扩、有障碍 (柱体、球体、钝体等)的湍流场中,多数处于湍流状态。随着对湍流的研究进展,湍流火焰特性的研究也在不断前进,研究湍流对燃烧的影响,从而明了湍流燃烧及火焰传播机理。 目前湍流火焰 ( turbulent flames)的研究尚不成熟。而本节只是讨论一些已被认可的结论。,4.2 湍流火焰传播,(turbulent flames),湍流火焰与层流火焰的区别 火焰表面形状:层流火焰表面光滑,燃烧状态平稳。湍流火焰表
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- 燃烧 预溷合气 火焰 传播
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