燃燒理論基礎(chǔ)第四章(2)

1、燃燒理論基礎(chǔ)課件第四章 預(yù)混合氣體火焰 （Premixed Combustion）汽車與交通工程學(xué)院王維強(qiáng)主要內(nèi)容 4.1 概說(shuō) 4.2 爆燃與緩燃 4.3 緩燃的基本特征 4.4 燃燒速度測(cè)試方法 4.5 影響燃燒速度的因素 4.6 火焰?zhèn)鞑ダ碚?4.7 湍流火焰的特征 4.8火焰的穩(wěn)定4.1 概說(shuō) 研究對(duì)象研究對(duì)象 爆炸爆炸(Explosions) Oil platforms, mines, ventilation systemsDetonation of explosives of the platform 研究對(duì)象（續(xù)）研究對(duì)象（續(xù)） 發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)(Engines) Spark ign

2、ition, stationary gas turbines, turbojet afterburnersAfterburner 研究對(duì)象（續(xù)）研究對(duì)象（續(xù)） 燃燒器燃燒器(Burners) Cook tops, water heaters, furnaces, radiant panels, oxy-acetylene torches, etc 研究對(duì)象（續(xù)）研究對(duì)象（續(xù)） 上述研究對(duì)象所涉及火焰的即為預(yù)混合氣體燃燒火焰（本章內(nèi)容） 不同于非預(yù)混合燃燒（擴(kuò)散火焰）（non-premixed combustion/diffusion flames） (下一章內(nèi)容)Piloted Jet Dif

3、fusion FlameBunsen Premixed Flamel 預(yù)混合燃燒預(yù)混合燃燒 受化學(xué)動(dòng)力學(xué)（化學(xué)反應(yīng)速度）控制。燃燒速度快，受化學(xué)動(dòng)力學(xué)（化學(xué)反應(yīng)速度）控制。燃燒速度快，火焰呈藍(lán)色?；鹧娉仕{(lán)色。l 非預(yù)混合燃燒非預(yù)混合燃燒 受擴(kuò)散速度（可燃?xì)獾闹苽洌┖突瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)受擴(kuò)散速度（可燃?xì)獾闹苽洌┖突瘜W(xué)動(dòng)力學(xué) 雙重控制，雙重控制，且受最慢一種控制。且受最慢一種控制。燃燒受限因素火焰結(jié)構(gòu)形態(tài)預(yù)混合火焰也可以被看作是無(wú)窮多波紋擴(kuò)散火焰組成的結(jié)果，如圖5-1 所示（a）圖為典型的擴(kuò)散火焰，燃料氣與氧氣分別從兩個(gè)平行的扁管中流出，形成呈V形的火焰面，靠燃料氣一側(cè)為富油火焰面，靠氧氣的一側(cè)為富氧的火

4、焰面。（b）圖為許多組平行的燃料氣與氧氣相間隔的供氣扁管，在其上形成許多個(gè) 形的火焰鋒面。（c）圖代表無(wú)數(shù)個(gè)厚度很小、燃料氣與氧氣相間隔的供氣扁管，它所形成的火焰面則幾乎是一水平面的預(yù)混合火焰了。 某些能產(chǎn)生火焰的物質(zhì) 火焰的結(jié)構(gòu) 火焰鋒面及其前后成分、溫度、密度、速度、壓力等變量隨火焰鋒面厚度方向的變化情況稱之為火焰的結(jié)構(gòu)l爆燃是氣體高速流動(dòng)（ ）時(shí)燃燒火焰鋒面兩側(cè)有巨大的壓力突變，即 。l緩燃是氣體低速流動(dòng)，燃燒火焰鋒面兩側(cè)壓差較小，常見(jiàn)燃燒即為此類。1PsPf4.2 爆燃與緩燃l 假定：假定： 管內(nèi)充滿可燃混合氣。（圖42） 一維連續(xù)流。 火焰的鋒面將產(chǎn)物和反應(yīng)物隔開(kāi)互不往來(lái)（不導(dǎo)熱，擴(kuò)

5、散） 來(lái)流速度 產(chǎn)物生成速度 （火焰面靜止）。su fu預(yù)混合氣體火焰的模型1. 連續(xù)流方程 （1） 2.動(dòng)量方程 （2）3.能量方程 （3） 由式（1）得 or ssffuu22s ssfffuPuP221122ssffuhuhffssuussffuu（1）純流動(dòng)（Raleigh方程） 將 代入式（2） 或?qū)?代入式（2） su22()0ffssfffsuPuP2220ffsssffsfuPuP 22()()()()()sfssfsssfffsfffsfsfPPPPPPu fu2()()fsfsssfPPu22()()sfsfsssfPPu 同理： (4) 結(jié)論：燃燒前后質(zhì)量的平方（ （或

6、）為定值，記做 。 即 : （且 0） 222211sfssfffsPPuu2 2s su2 2ffuC()()sfsfsfPPC C0sfssffsfCCPP ()ssffsfssfsfPCCCCPP (4) 產(chǎn)物的壓力 與 成線性關(guān)系，上式稱為Raleigh （瑞利）方程。 分析Raleigh圖 由于 0。（斜率） （圖43a） 來(lái)流氣的狀態(tài)為（ ），在Raleigh圖為點(diǎn)S。 過(guò)點(diǎn)S的直線（且 。01ffP()pfsCTT為負(fù)值，故 1，為等熵流動(dòng)（超音速）。 壓縮波（ ）。sfpp sfpp sfpp 如汽油機(jī)： 正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣?080m/S，25002800K， 輕微爆震10030

7、0 m/S。 強(qiáng)爆震 3002000 m/S ， K， 高頻率噪聲，5000次/S。 只要有5%自燃就是強(qiáng)烈的爆震，故電控電噴機(jī)幾乎都裝有爆震傳感器。2 4/adPMPCAdmax4000Tmax65/adPMPCAd表4-2 氣體中爆震與緩燃的差異 表4-4 一些爆震速度 爆震時(shí)，燃燒速度極快，遠(yuǎn)大于外界的各種干擾速度，干擾速度可以忽略。 緩燃時(shí)，燃燒速度相對(duì)慢，必須考慮（或排除）干擾速度。4.3 緩燃的基本特征 跨越火焰面的壓差（由前式（4） （圖45b） 緩燃時(shí)，火焰鋒面厚度 。在火焰鋒面新鮮混合氣的側(cè)方被加熱膨脹使 。 混合氣在火焰面處必須加速 。 2211()sfssfsPPu0fs

8、ssffuuconstsu （1）管內(nèi)流動(dòng) 及定義火焰鋒面厚度 實(shí)際管內(nèi)流動(dòng)，由于附面層的存在，由于有粘性、摩擦且有浮力作用及管壁的淬熄作用。實(shí)際的火焰是非對(duì)稱的扭曲形。fsfsuumax()fsfTTdTdx1）概念 火焰?zhèn)鞑バ羞M(jìn)速度 目測(cè)者觀看到的火焰鋒面的位移速度。 燃燒速度 火焰鋒面沿其法線方向相對(duì)于來(lái)流氣的速度。 來(lái)流速度 未燃混合氣的流動(dòng)速度。 絕對(duì) 相對(duì) 牽連 定置火焰： ， （火焰鋒面在空間靜止不動(dòng)）。 行進(jìn)火焰： ， （火焰鋒面在空間行進(jìn)）。 脫火： （煤氣灶具的設(shè)計(jì)）。來(lái)流使火焰流入燃燒產(chǎn)物脫離火焰固定位置 回火： （煤氣灶具的設(shè)計(jì)）?；鹧鏌胄禄旌蠚?fusuaufsau

9、uu0fu sauu sauu0fu aususuau(2) 本生燈火焰特性預(yù)混合火焰呈淡藍(lán)色的火焰錐。 ，火苗短，伴有燃燒噪聲， 大。擴(kuò)散火焰呈黃紅色， ，火炬狀，伴有黑煙， 小。2）本生燈的預(yù)混合火焰 （圖4-8） 死區(qū)管口壁的激冷淬熄面散熱所致（電焊槍能切割鋼板， 溫度1500C以上，但管口并沒(méi)有任何燒紅現(xiàn)象）。 外懸由于死區(qū)的存在，P內(nèi)P外，存在質(zhì)擴(kuò)散。 頂圓產(chǎn)物的集中區(qū)、高溫區(qū)。來(lái)流氣 ， 。接近錐頂 處， ，是火焰面本能向未燃?xì)夥较蜻\(yùn)動(dòng)。3）本生燈的擴(kuò)散火焰 內(nèi)懸管口壁的激冷效應(yīng)。 慢，先擴(kuò)散、混合（油找氣，氣 找油），在濃度適中處燃燒。fT sufT suaau su au 對(duì)穩(wěn)

10、定的本生燈預(yù)混合火焰錐，逐步增加預(yù)混合物的供應(yīng)速度，火焰會(huì)飄起并被吹跑脫火； 另一方面，如逐漸降低預(yù)混合物的供應(yīng)速度，則火焰變得更為扁平或呈“紐扣”型并向噴口靠近，其形狀由凸形變成凹形最后向混合管內(nèi)“回火”，直到熄火并有“勃撲”的響聲。 1.噴燈法 用預(yù)混合燃燒火焰測(cè)定。2.長(zhǎng)管法 都要確定火焰的表面積。 （圖4-11）sinaauu4.4 燃燒速度測(cè)試方法確定火焰精確面積的技術(shù) 攝影法、粒子跟蹤法 直接攝影法是一種最簡(jiǎn)單尋求火焰鋒面面積的方法，它可以獲得火焰發(fā)光區(qū)的形狀及尺寸。 陰影法、紋影法及干涉攝影法是三種專門的火焰攝影技術(shù)。這些技術(shù)是基于兩種基本物理現(xiàn)象： 由于火焰使空間密度不均勻（由

11、于溫度及成分的不均勻產(chǎn)生）； 當(dāng)光束通過(guò)兩種不同折射率介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)發(fā)生偏折。 用紋影攝影所求得的火焰面積最適合于計(jì)算燃燒速度。陰影法及直接攝影法會(huì)增大火焰面積，導(dǎo)致較大的誤差，但它們的方法最簡(jiǎn)便，所需的光學(xué)裝置較簡(jiǎn)單。 燃料品質(zhì)（熱值、沸點(diǎn)溫度、燃燒最高溫度）。與濃度有關(guān)，存在濃限、稀限，有一最佳濃度值。熱狀態(tài)有關(guān)（壓力、溫度、流動(dòng)、散熱）。 （多圖）4.5 影響燃燒速度的因素4.6 火焰?zhèn)鞑ダ碚摚ˋrrhenius型） 考慮一穩(wěn)定平面緩燃波的傳播 能量方程 1.對(duì)于預(yù)熱區(qū) 假定 ，則有 B.C： ， ， ， ， 積分得： ， 。220PFd TdTuCWdxdx 0FW22Pd TdTuC

12、dxdxwxxwTTx xT T0dTdxPwwuCdTTTdx wfwdTdxTTfu（1） 2.反應(yīng)區(qū)能量方程忽略對(duì)流項(xiàng)（ ) 兩邊乘以 積分 fwTT22Fd TWdxdT22Fd TdTWdTdx()FddTdTWdTdx dx()FwTFTdT ddTWdTdx dx dx22()FwTFTdTW dTdx即 122FwTFTdTW dTdx()Pwwu CdTTTdx （1）（2） 邊界條件 按質(zhì)量守恒定律有 積分下限 122()FwTFFFTPwuuW dTCTT122()FTFTPwW dTCTTfwfTTTT 1222222()()FFFFPwUWTTCTT其中平均反應(yīng)速度

13、FTFTFFW dTWTT 與 有關(guān)的量 122()SFWUTT1212()cFWTT fFcUfWf()FfTTFUSU 工程上廣泛采用湍流火焰，實(shí)現(xiàn)快速燃燒。之前講述的內(nèi)容均為層流火焰，燃燒速度 是反應(yīng)混合劑的特性參數(shù)。 ，是由分子擴(kuò)散現(xiàn)象而形成的。湍流火焰受渦團(tuán)尺寸和混合長(zhǎng)度影響，與雷諾數(shù) 密切相關(guān)。 2300， 與 無(wú)關(guān)；23006000， 。我們把層流燃燒速度用 表示，則湍流火焰用表觀速度 表示。湍流火焰破壞了層流火焰的光滑性，呈皺折形、空洞型結(jié)構(gòu)。 （圖4-27） SUSfURedReSUReReSU ReReSU SUTU4.7 湍流火焰的特征Premixed Flame Str

14、ucture 特征：特征：可燃混合氣作大規(guī)模湍流燃燒時(shí)，有嚯嚯的燃燒噪聲；瞬態(tài)的火焰鋒面呈皺折狀，用肉眼觀看到火焰鋒面呈毛刺狀； 其平均火焰鋒面比層流火焰鋒面厚得多；湍流火焰的燃燒速度比層流要強(qiáng)（快）。目前只有用表面多皺折理論解釋；在火焰中會(huì)出現(xiàn)空洞，使可燃燒面積大為增加，火焰碎片有可能跳到未燃?xì)鈧?cè)燃燒。4 . 8 火焰的穩(wěn)定 為了使渦輪噴氣或沖壓噴氣的發(fā)動(dòng)機(jī)具有很大的推力需燃用大量燃料，燃料混合物的供應(yīng)速度特別大。其供應(yīng)速度往往比給定混合物最大可能的湍流燃燒速度大10 倍以上。 試驗(yàn)表明，當(dāng)供應(yīng)速度大于燃燒速度時(shí)火焰會(huì)被吹跑（脫火）。 在不發(fā)生脫火情況下新鮮混合物可能向火焰鋒面的最大供應(yīng)速度為脫火速度。 脫火速度與許多因素有關(guān)，其中包括了燃料及氧化劑的性質(zhì)、燃料與氧化劑的比例、混合物的溫度、燃燒室的壓力、來(lái)流的湍流情況、燃燒器的幾何尺寸、燃燒器壁的粗糙度及溫度等。 4.8.1本生燈火焰的穩(wěn)定性 燃燒速度u0,混合氣供應(yīng)速度usn 當(dāng)來(lái)流流動(dòng)很弱時(shí)，幾乎在混合管的整個(gè)截面上， 因此，火焰向混合管內(nèi)傳播造成回火。 另一方面，當(dāng)流動(dòng)過(guò)強(qiáng)時(shí)，在整個(gè)截面處, 則造成脫火（吹熄）。 發(fā)生脫火的臨界判據(jù)是 曲線與 曲線相切。 0snuusnsuu0usnu 可燃混合氣供應(yīng)速度的速度梯度（在出