燃燒學(xué)－預(yù)溷合氣燃燒及火焰?zhèn)鞑?ppt

第四章 預(yù)混合氣燃燒及火焰?zhèn)鞑?層流火焰概念、結(jié)構(gòu)特征、傳播機(jī)理、傳播速度計(jì)算，層 流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩?，湍流火焰概念 ，湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?與傳播速度，爆震燃燒理論。,層流火焰結(jié)構(gòu)、傳播機(jī)理，湍流火焰?zhèn)鞑煞N理論,層流火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)學(xué)模型建立與推導(dǎo)，湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?概述,一、預(yù)混合燃燒概念 定義,燃料和氧（或空氣）預(yù)先混合成均勻的混 合氣，此可燃混合氣稱為預(yù)混合氣，預(yù)混合氣 在燃燒器內(nèi)進(jìn)行著火、燃燒的過(guò)程稱為預(yù)混合 燃燒（premixed combustion）。,典型預(yù)混合燃燒裝置,預(yù)混合氣燃燒過(guò)程,某一局部區(qū)域首先著火,依靠火焰面的熱量使鄰近的預(yù)混合氣引燃，逐漸把燃燒擴(kuò)展到整個(gè)混合氣范圍。 在它的前方是未燃的混合氣，而在它的后方是已燃的燃燒產(chǎn)物。 隨時(shí)間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向前擴(kuò)展，呈現(xiàn)出火焰?zhèn)鞑?flame propagation)的現(xiàn)象。,火焰?zhèn)鞑?flame propagation),隨時(shí)間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向 前擴(kuò)展，所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。 可燃?xì)怏w混合物的局部首先著火，著火部 分向未燃部分傳遞熱量和活性粒子，使之 相繼著火的過(guò)程稱為火焰?zhèn)鞑ァ?預(yù)混合燃燒的關(guān)鍵、本章研究的核心,二火焰及其特征和分類,火焰的定義 火焰的特征 具有發(fā)熱、發(fā)光特征； 輻射現(xiàn)象 具有電離特性； 具有自行傳播的特性。,火焰(flames)是在氣相狀態(tài)下發(fā)生的燃 燒的外部表現(xiàn)。,火焰的分類,火焰自行傳播 燃料與氧化劑在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)以前有無(wú)接觸 火焰狀態(tài) 流體力學(xué)特性 兩種反應(yīng)物初始物理狀態(tài),緩燃火焰(或稱正?；鹧? ( 0.2-1m/s ) 爆震火焰（4. 3）,預(yù)混火焰 （第四章） 擴(kuò)散火焰 （第五章）,移動(dòng)火焰 駐定火焰,（見(jiàn)圖）,層流火焰 （4.1） 湍流火焰 （4.2）,均相火焰 多相火焰（異相火焰 ）,4.1 層流火焰?zhèn)鞑?(laminar flame）,預(yù)混可燃?xì)怏w流速不高（層流狀態(tài)）時(shí) 的火焰?zhèn)鞑シQ為層流火焰?zhèn)鞑ァ?一、層流火焰結(jié)構(gòu)與傳播機(jī)理,層流火焰圖,層流火焰前沿濃度和溫度變化,火焰結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 火焰前沿厚度很薄，一般不超過(guò)1mm，只有十分之幾毫米甚至百分之幾毫米厚。,層流火焰圖,前沿的厚度很小，但溫度和濃度的變化很大，因而在火焰前沿中出現(xiàn)了極大的濃度梯度及溫度梯度。這就引起了火焰中強(qiáng)烈的擴(kuò)散流和熱流。,在火焰前沿厚度的很大一部分上，化學(xué)反應(yīng)的速度很小，稱為預(yù)熱區(qū)，以 p 表示。而化學(xué)反應(yīng)主要集中在很窄的區(qū)域 c 中進(jìn)行，稱其為化學(xué)反應(yīng)區(qū)。,火焰前沿傳播機(jī)理 火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚?認(rèn)為火焰中反應(yīng)區(qū)(即火焰前沿)在空間的移動(dòng)，取決于反應(yīng)區(qū)放熱從而向新鮮混合氣的熱傳導(dǎo)。 火焰?zhèn)鞑サ臄U(kuò)散理論 認(rèn)為凡是燃燒都屬于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中借助于活性中心的作用，使混合氣變?yōu)槿紵a(chǎn)物?；鹧媲把卦诳臻g的移動(dòng)是由于反應(yīng)區(qū)中有活性中心向新鮮混氣進(jìn)行擴(kuò)散而使反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行。,二、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?定義 大小取決于反應(yīng)速度、熱量和活性中心的傳 遞速度。,火焰外沿相對(duì)于未燃混合物在火焰表面法線 方向上的移動(dòng)速度稱為火焰的法線速度，用Un表 示，也稱為層流燃燒速度 ( laminar burning velocity) ，用Sl 表示。,Bussen 燃燒 嘴火焰,U未燃混合氣局部流速,數(shù)學(xué)表達(dá)式,靜止坐標(biāo)下的預(yù)混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?對(duì)固定火焰，火焰面靜止不動(dòng)，即up=0，則Sl = u0 = us 即：火焰?zhèn)鞑ニ俣染偷扔谖慈蓟旌蠚膺M(jìn)入火焰面的流速，兩者大小相等方向相反。,Slu0,us混合氣流速 up火焰面的移動(dòng)速度 u0火焰面相對(duì)未燃混合氣的移動(dòng)速度,可燃?xì)怏w和空氣混合物在20及760厘米水銀柱下的火焰前沿移動(dòng)的正常速度值,三、層流火焰厚度（l）,arweg和Maly ： Chin： Law和Tseng ：,在LePrSc1的條件下等價(jià),（ 不同的混合氣用不變的 l ）,層流火焰厚度正比于燃料空氣混合氣的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，反比于層流燃燒速度 。,四、預(yù)混層流火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)學(xué)模型,基本方程的建立 假設(shè)：假定在一絕熱圓管內(nèi)火焰前沿以速度Sl 沿 管子傳播，并假定火焰前沿為平面形狀。 忽略混合氣粘性、體積力、輻射熱和管壁 的影響，以及由于濃度梯度引起的熱擴(kuò)散 效應(yīng)。 取火焰面厚度為x的氣體層為控制體。,基本方程： 邊界條件 ：,連續(xù)方程 ： （4-11） 能量方程： （4-12） 組分?jǐn)U散方程： （4-13） 狀態(tài)方程： （4-14）,基本方程的簡(jiǎn)化求解,基本思想：控制火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕^(guò)程是從反應(yīng)區(qū)向預(yù)熱 區(qū)的傳熱過(guò)程。在預(yù)熱區(qū)中，忽略化學(xué)反應(yīng)的影響，而在反 應(yīng)區(qū)中則忽略對(duì)流傳熱的影響，按一維定常流來(lái)解。,Zeldovich 熱理論模型,預(yù)熱區(qū)： 忽略化學(xué)反應(yīng)的影響,能量方程作如下簡(jiǎn)化 ：,積分：,反應(yīng)區(qū)： 忽略對(duì)流傳熱項(xiàng) ,能量方程作如下簡(jiǎn)化 ：,邊界條件：,(4-16),積分、化簡(jiǎn)得 ：,五、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩胤治?燃料/氧配比的影響 燃料性質(zhì)的影響 壓力的影響 混合氣初始溫度的影響 添加劑的影響 ：惰性添加劑，反應(yīng)添加劑,燃料/氧配比的影響,圖4-8 燃料配比對(duì)Sl的影響 1-氫 2-乙炔 3-一氧化碳 4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷,混合氣配比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懞艽蟆?除氫氣和一氧化碳外，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幵?0.800.85范圍內(nèi)。 對(duì)大多數(shù)混合氣來(lái)說(shuō)、最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前l(fā)生在化學(xué)計(jì)量比條件下。,燃料性質(zhì)的影響,導(dǎo)熱系數(shù)，定壓比 熱容Cp和密度,烷烴隨含碳量的增加， 火焰?zhèn)鞑ニ俣然静蛔儭?烯烴和炔烴含碳量越高， 火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫?燃料化學(xué)結(jié)構(gòu),壓力的影響,（n反應(yīng)級(jí)數(shù)）,混合氣初始溫度的影響,m1.52之間,提高可燃物初始溫度T可以大大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度，因而增大Sl 值,添加劑的影響,惰性添加劑：降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮小可燃界限，如 CO2、N2等。 反應(yīng)添加劑：加速鏈反應(yīng)過(guò)程而使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆?增加，如氫。,一、湍流火焰概述 湍流火焰的存在 在工業(yè)生產(chǎn)中，燃燒幾乎總是發(fā)生在高速 、大管徑、流動(dòng)方向有突擴(kuò)、有障礙 （柱體、球體、鈍體等）的湍流場(chǎng)中，多數(shù)處于湍流狀態(tài)。隨著對(duì)湍流的研究進(jìn)展，湍流火焰特性的研究也在不斷前進(jìn)，研究湍流對(duì)燃燒的影響，從而明了湍流燃燒及火焰?zhèn)鞑C(jī)理。 目前湍流火焰 ( turbulent flames)的研究尚不成熟。而本節(jié)只是討論一些已被認(rèn)可的結(jié)論。,4.2 湍流火焰?zhèn)鞑?(turbulent flames),湍流火焰與層流火焰的區(qū)別 火焰表面形狀：層流火焰表面光滑，燃燒狀態(tài)平穩(wěn)。湍流火焰表面被皺折變形，變粗變短； 火焰前沿厚度：層流火焰 前沿很薄（十分之幾或百 分之幾毫米），湍流火焰 前沿相當(dāng)厚（幾個(gè)毫米）； 傳播速度：湍流火焰?zhèn)鞑?速度比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?大的多（是層流火焰?zhèn)鞑?速度的好幾倍）；,湍流火焰與層流火焰的區(qū)別,火焰面的熱量和活性中心向未燃混合氣輸運(yùn)：層流火焰是通過(guò)熱傳導(dǎo)和分子擴(kuò)散使火焰?zhèn)鞑ハ氯?。而湍流火焰是靠流體的渦團(tuán)運(yùn)動(dòng)來(lái)激發(fā)和強(qiáng)化，受流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所支配。 火焰的燃燒區(qū)域：湍流火 焰的燃燒不僅在火焰前沿 表面進(jìn)行，還在前沿的背 后或燃燒區(qū)進(jìn)行； 燃燒的激烈程度：湍流火 焰比層流火焰燃燒更激烈； 燃燒放熱率：湍流火焰的 燃燒放熱率比層流火焰的 大的多。,湍流火焰與層流火焰的區(qū)別,湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩xSt,湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎竿牧骰鹧媲把?任一處法向相對(duì)于未燃混合氣運(yùn)動(dòng)的速 度。,二、湍流特性,湍流的基本特性：湍流中充滿大小不等、高速旋轉(zhuǎn)的流體微 團(tuán)，或稱渦團(tuán)，在不斷地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，使流體各點(diǎn)每瞬 時(shí)的速度、壓力都在做隨機(jī)的變化。,湍流火焰前沿表面結(jié)構(gòu)示意 (a) 弱湍流 (b)強(qiáng)湍流,瞬時(shí)速度u（ ） 時(shí)均速度 （ ） 脈動(dòng)速度 （ ）,湍流尺度(turbulent scale),與湍流渦團(tuán)大小及其變化過(guò)程有直接關(guān)系。 物理意義：渦團(tuán)在無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)中，保持自由前進(jìn)而不與其他渦團(tuán)碰撞的距離。或者說(shuō)，流體渦團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中消失前運(yùn)動(dòng)的距離，也可以認(rèn)為是渦團(tuán)的一種平均自由程。,Lagrange湍流尺度： Euler湍流尺度：,反映了湍流傳質(zhì)和傳熱的特性。 依照分子擴(kuò)散與湍流擴(kuò)散的相似性，可以認(rèn)為， 流體層中體積基元（渦團(tuán)）的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)與分子的無(wú) 規(guī)則運(yùn)動(dòng)相似，用下式定義湍流擴(kuò)散系數(shù)：,湍流擴(kuò)散系數(shù)(turbulent diffusion coefficient),L湍流混合長(zhǎng)度 湍流擴(kuò)散系數(shù),三、預(yù)混合氣湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?湍流流動(dòng)可能使火焰變形、皺折， 使反應(yīng)表面積顯著增加； 湍流可能加劇了熱傳導(dǎo)速度或活性 物質(zhì)的擴(kuò)散速度； 湍流可以促使可燃混合氣與燃燒產(chǎn) 物間的快速混合。,復(fù)合層流前沿理論：鄧克爾和謝爾金創(chuàng)立。湍流火焰是由湍流引起的變性層流火焰。又稱為“皺折火焰表面理論 ”。 容積燃燒理論：薩默菲爾德和謝京科夫建立。將湍流火焰的前沿看成燃燒反應(yīng)區(qū)。又稱為“微擴(kuò)散理論”。,湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?復(fù)合層流前沿理論 皺褶火焰表面理論,認(rèn)為燃燒化學(xué)反應(yīng)本身的速度非常高， 燃燒化學(xué)反應(yīng)只是在薄薄的一層火焰鋒面 內(nèi)進(jìn)行。,Wrinkled laminar flame,湍流火焰現(xiàn)象分類,湍流火焰,小尺度湍流火焰 （ ）,大尺度湍流火焰 （ ）,大尺度弱湍流火焰,大尺度強(qiáng)湍流火焰,強(qiáng)湍流火焰 （ ）,弱湍流火焰 （ ）,（湍流尺度）,（湍流強(qiáng)度）,小尺度湍流火焰,小尺度湍流火焰 條件 流體微團(tuán)的平均尺寸層流火焰面厚度l 特點(diǎn) 小尺度湍流火焰只是增強(qiáng)了物質(zhì)的輸運(yùn)特性，從而使熱量和活性粒子的傳輸加速，而在其他方面沒(méi)有什么影響,大尺度弱湍流火焰 條件 流體微團(tuán)的平均尺寸 層流火焰面厚度 脈動(dòng)速度u層流火焰 傳播速度Sl 現(xiàn)象 火焰鋒面扭曲 火焰鋒面未被吹破,大尺度強(qiáng)湍流火焰 條件 流體微團(tuán)的平均尺寸 層流火焰面厚度 脈動(dòng)速度u層流火焰 傳播速度Sl 現(xiàn)象 不存在連續(xù)的火焰面,層流火焰理論： 動(dòng)量傳遞、傳熱和傳質(zhì)三者相似，其輸運(yùn)系數(shù)數(shù)值相等 故：,小尺度湍流火焰: 2300Re5000,結(jié)論：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可燃混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)( Sl )，還與流動(dòng)特性有關(guān)（ ）。,大尺度弱湍流火焰：5000Re6000,鄧克爾：,式中 Ft 和 Fl 分別為火焰前沿皺折表面積和來(lái)流的幾何橫截面積（即層流火焰面面積）,即: 只要求出 即可求出,謝爾金 : 假設(shè)湍流火焰表面是由無(wú) 數(shù)錐形組成。,火焰前沿面積的計(jì)算：用錐體面積表示有一定的誤差，最近開(kāi)始應(yīng)用分形幾何學(xué)的方法 。,大尺度強(qiáng)湍流火焰：Re6000,撻蘭脫夫：,出現(xiàn)小團(tuán)塊燃燒，燃燒既可能在未燃混合氣區(qū)，也可能在已燃的燃燒產(chǎn)物區(qū)。 湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于脈動(dòng)速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎取?（ C=13.5 ）,容積燃燒理論,燃燒化學(xué)反應(yīng)在火焰中各處表現(xiàn)都以不同速度進(jìn)行著。湍流輸運(yùn)使不同成分的氣體在火焰區(qū)內(nèi)燃燒同時(shí)進(jìn)行著摻混，燃燒與摻混造成火焰?zhèn)鞑ァ?強(qiáng)調(diào)：燃燒產(chǎn)物和可燃?xì)怏w強(qiáng)烈混合的一面。,大尺度強(qiáng)湍流火焰模型可以設(shè)想成大團(tuán)大團(tuán)未燃燒的可燃混合物沖破火焰鋒面，而輸入高溫的燃燒產(chǎn)物中，大團(tuán)大團(tuán)的高溫燃燒產(chǎn)物也沖破火焰鋒面而輸入未燃燒的可燃混合物中。這些大團(tuán)的尺寸都超過(guò)層流火焰厚度，它們?cè)谳斶\(yùn)之后都保存自己的獨(dú)立性，一下子不能和周圍氣團(tuán)混合。湍動(dòng)使火焰遷移到哪里，就燃燒到哪里。所以這時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢哉J(rèn)為近似等于脈動(dòng)速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎取?撻蘭脫夫： 相似性假定方程：,St,小尺度湍流火焰,鄧克爾： 謝爾金 ：,大尺度湍流火焰,大尺度弱湍流火焰 ： 大尺度強(qiáng)湍流火焰 ： (Re6000),鄧克爾： 謝爾金：,撻蘭脫夫：,火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律,四、影響湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?湍流情況 湍流強(qiáng)度越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?燃料種類以及可燃混合物成份 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，湍流火焰的最大值偏向富燃料側(cè)。 壓力 壓力增加將使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，湍流火焰厚度減小。初始溫度越高，壓力的影響越顯著。 溫度 提高溫度可以提高湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃皽p小火焰厚度。壓力越高，溫度的影響越大。,五、強(qiáng)化燃燒的途徑,強(qiáng)化燃燒 設(shè)法提高火焰的傳播速度,強(qiáng)化湍流火焰的途徑 除針對(duì)層流火焰燃燒的影響因素外 設(shè)法提高湍流強(qiáng)度 提高混合氣的壓力及溫度 還要注意提高湍流的氣流速度，但是氣流速度過(guò)大會(huì)使火焰吹熄,一爆震燃燒基本概念,4.3 爆震燃燒,(abnormal combustion),討論下列問(wèn)題： 1）爆震燃燒與正常燃燒的區(qū)別？ 2）沖擊波形成原理？, 傳播機(jī)理不同 傳播速度不同,（爆震燃燒：1000m/s）,沖擊波形成原理,作業(yè)：,P86：1、3、5、6 補(bǔ)充： 4-1：試述湍流火焰與層流火焰的區(qū)別？ 4-2：試述爆震燃燒與正常燃燒的區(qū)別？,二燃燒波傳播分析 模型：一維定常運(yùn)動(dòng)的平面波 假設(shè)： 混合氣的流動(dòng)(或燃燒波的傳播速度)是一維的穩(wěn)定流動(dòng)； 忽略粘性