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IP屬地：山西 上傳時間：2022-07-16 格式：PPT 頁數：68 大小：1.16MB 積分：40 舉報 版權申訴

1、第四章 預混合氣燃燒及火焰?zhèn)鞑?層流火焰概念、結構特征、傳播機理、傳播速度計算，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩?，湍流火焰概念 ，湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚撆c傳播速度，爆震燃燒理論。 層流火焰結構、傳播機理，湍流火焰?zhèn)鞑煞N理論 層流火焰?zhèn)鞑サ臄祵W模型建立與推導，湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?1概述一、預混合燃燒概念定義 燃料和氧（或空氣）預先混合成均勻的混合氣，此可燃混合氣稱為預混合氣，預混合氣在燃燒器內進行著火、燃燒的過程稱為預混合燃燒（premixed combustion）。2典型預混合燃燒裝置 3預混合氣燃燒過程 某一局部區(qū)域首先著火,依靠火焰面的熱量使鄰近的預混合氣引燃，逐漸把燃燒擴展到整個混合氣范圍。 在它

2、的前方是未燃的混合氣，而在它的后方是已燃的燃燒產物。 隨時間推移，火焰面在預混合氣中不斷向前擴展，呈現出火焰?zhèn)鞑?flame propagation)的現象。4火焰?zhèn)鞑?flame propagation) 隨時間推移，火焰面在預混合氣中不斷向 前擴展，所呈現的現象。 可燃氣體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 相繼著火的過程稱為火焰?zhèn)鞑ァｎA混合燃燒的關鍵、本章研究的核心5二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。6 火焰的分類火焰自行傳播燃

3、料與氧化劑在進入反應區(qū)以前有無接觸 火焰狀態(tài)流體力學特性兩種反應物初始物理狀態(tài) 緩燃火焰(或稱正?；鹧? ( 0.2-1m/s )爆震火焰（4. 3） 預混火焰 （第四章）擴散火焰 （第五章）移動火焰駐定火焰 （見圖）層流火焰 （4.1）湍流火焰 （4.2） 均相火焰多相火焰（異相火焰 ）74.1 層流火焰?zhèn)鞑?laminar flame） 預混可燃氣體流速不高（層流狀態(tài)）時的火焰?zhèn)鞑シQ為層流火焰?zhèn)鞑ァ?一、層流火焰結構與傳播機理 層流火焰圖 層流火焰前沿濃度和溫度變化 9 火焰結構特點 火焰前沿厚度很薄，一般不超過1mm，只有十分之幾毫米甚至百分之幾毫米厚。 層流火焰圖 10前沿的厚度很小，

4、但溫度和濃度的變化很大，因而在火焰前沿中出現了極大的濃度梯度及溫度梯度。這就引起了火焰中強烈的擴散流和熱流。 11在火焰前沿厚度的很大一部分上，化學反應的速度很小，稱為預熱區(qū)，以 p 表示。而化學反應主要集中在很窄的區(qū)域 c 中進行，稱其為化學反應區(qū)。 12火焰前沿傳播機理火焰?zhèn)鞑サ臒崂碚?認為火焰中反應區(qū)(即火焰前沿)在空間的移動，取決于反應區(qū)放熱從而向新鮮混合氣的熱傳導。火焰?zhèn)鞑サ臄U散理論 認為凡是燃燒都屬于鏈式反應，在鏈式反應中借助于活性中心的作用，使混合氣變?yōu)槿紵a物。火焰前沿在空間的移動是由于反應區(qū)中有活性中心向新鮮混氣進行擴散而使反應連續(xù)進行。 13二、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣榷x 大小取

5、決于反應速度、熱量和活性中心的傳 遞速度。 火焰外沿相對于未燃混合物在火焰表面法線方向上的移動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。14Bussen 燃燒嘴火焰 U未燃混合氣局部流速 數學表達式15靜止坐標下的預混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣确治?對固定火焰，火焰面靜止不動，即up=0，則Sl = u0 = us 即：火焰?zhèn)鞑ニ俣染偷扔谖慈蓟旌蠚膺M入火焰面的流速，兩者大小相等方向相反。Slu0us混合氣流速up火焰面的移動速度u0火焰面相對未燃混合氣的移動速度16可燃氣體和空氣混合物在20及760厘米水銀柱下的火焰前

6、沿移動的正常速度值17三、層流火焰厚度（l） arweg和Maly ：Chin：Law和Tseng ：在LePrSc1的條件下等價 （ 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擴散系數，反比于層流燃燒速度 。18四、預混層流火焰?zhèn)鞑サ臄祵W模型基本方程的建立 假設：假定在一絕熱圓管內火焰前沿以速度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散 效應。 取火焰面厚度為x的氣體層為控制體。 19基本方程： 邊界條件 ：連續(xù)方程 ： （4-11） 能量方程： （4-12） 組分擴散方程： （4-13）

7、狀態(tài)方程： （4-14） 20 基本方程的簡化求解 基本思想：控制火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕^程是從反應區(qū)向預熱區(qū)的傳熱過程。在預熱區(qū)中，忽略化學反應的影響，而在反應區(qū)中則忽略對流傳熱的影響，按一維定常流來解。 Zeldovich 熱理論模型 21 預熱區(qū)： 忽略化學反應的影響,能量方程作如下簡化 ：邊界條件：(4-16)積分：22反應區(qū)：忽略對流傳熱項 ,能量方程作如下簡化 ：邊界條件：23(4-19)24(4-19)(4-16)25積分、化簡得 ：26五、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，反應添加劑27燃料/氧配

8、比的影響圖4-8 燃料配比對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。 對大多數混合氣來說、最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前l(fā)生在化學計量比條件下。28燃料性質的影響導熱系數，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∪剂匣瘜W結構29壓力的影響（n反應級數）30混合氣初始溫度的影響m1.52之間 提高可燃物初始溫度T可以大大促進化學反應速度，因而增大Sl 值3132添加劑的影響惰性添加劑：降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋s小可燃

9、界限，如 CO2、N2等。反應添加劑：加速鏈反應過程而使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆?增加，如氫。3334一、湍流火焰概述湍流火焰的存在 在工業(yè)生產中，燃燒幾乎總是發(fā)生在高速 、大管徑、流動方向有突擴、有障礙 （柱體、球體、鈍體等）的湍流場中，多數處于湍流狀態(tài)。隨著對湍流的研究進展，湍流火焰特性的研究也在不斷前進，研究湍流對燃燒的影響，從而明了湍流燃燒及火焰?zhèn)鞑C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可的結論。 4.2 湍流火焰?zhèn)鞑?(turbulent flames) 35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)。

10、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?。ㄊ种畮谆虬?分之幾毫米），湍流火焰 前沿相當厚（幾個毫米）；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 36火焰面的熱量和活性中心向未燃混合氣輸運：層流火焰是通過熱傳導和分子擴散使火焰?zhèn)鞑ハ氯?。而湍流火焰是靠流體的渦團運動來激發(fā)和強化，受流體運動狀態(tài)所支配?；鹧娴娜紵齾^(qū)域：湍流火 焰的燃燒不僅在火焰前沿 表面進行，還在前沿的背 后或燃燒區(qū)進行；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

11、與層流火焰的區(qū)別 37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厝我惶幏ㄏ蛳鄬τ谖慈蓟旌蠚膺\動的速度。38二、湍流特性 湍流的基本特性：湍流中充滿大小不等、高速旋轉的流體微團，或稱渦團，在不斷地做無規(guī)則的運動，使流體各點每瞬時的速度、壓力都在做隨機的變化。 湍流火焰前沿表面結構示意(a) 弱湍流 (b)強湍流 (a)(b)39湍流強度 (Turbulent Intensity) 表示流場中速度脈動的程度。流場中某一點總湍流強度：瞬時速度u（ ）時均速度 （ ）脈動速度 （ ） 40湍流尺度(turbulent scale) 與湍流渦團大小及其變化過程有直接關系。物理意義：渦團在

12、無規(guī)則運動中，保持自由前進而不與其他渦團碰撞的距離?；蛘哒f，流體渦團在運動過程中消失前運動的距離，也可以認為是渦團的一種平均自由程。Lagrange湍流尺度： Euler湍流尺度： 41 反映了湍流傳質和傳熱的特性。 依照分子擴散與湍流擴散的相似性，可以認為，流體層中體積基元（渦團）的無規(guī)則運動與分子的無規(guī)則運動相似，用下式定義湍流擴散系數：湍流擴散系數(turbulent diffusion coefficient) L湍流混合長度湍流擴散系數42三、預混合氣湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?湍流流動可能使火焰變形、皺折， 使反應表面積顯著增加； 湍流可能加劇了熱傳導速度或活性 物質的擴散速度； 湍流可以促

13、使可燃混合氣與燃燒產 物間的快速混合。導致湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?復合層流前沿理論：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區(qū)。又稱為“微擴散理論”。 湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?43復合層流前沿理論 皺褶火焰表面理論 認為燃燒化學反應本身的速度非常高，燃燒化學反應只是在薄薄的一層火焰鋒面內進行。Wrinkled laminar flame44湍流火焰現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湍流火焰強湍流火焰（ ）弱湍流火焰（ ）（湍流尺度）（湍流強度）

14、小尺度湍流火焰45小尺度湍流火焰條件 流體微團的平均尺寸層流火焰面厚度l 特點 小尺度湍流火焰只是增強了物質的輸運特性，從而使熱量和活性粒子的傳輸加速，而在其他方面沒有什么影響未燃氣瞬時速度分布火焰面46大尺度弱湍流火焰條件 流體微團的平均尺寸 層流火焰面厚度 脈動速度u 層流火焰面厚度 脈動速度u層流火焰 傳播速度Sl 現象 不存在連續(xù)的火焰面48層流火焰理論：動量傳遞、傳熱和傳質三者相似，其輸運系數數值相等故：小尺度湍流火焰: 2300Re5000結論：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可燃混合氣的物理化學性質有關( Sl )，還與流動特性有關（ ）。 鄧克爾根據相似性，得到 ：49大尺度弱湍流火焰：

15、5000Re6000撻蘭脫夫：出現小團塊燃燒，燃燒既可能在未燃混合氣區(qū)，也可能在已燃的燃燒產物區(qū)。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于脈動速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?。?C=13.5 ）52容積燃燒理論 燃燒化學反應在火焰中各處表現都以不同速度進行著。湍流輸運使不同成分的氣體在火焰區(qū)內燃燒同時進行著摻混，燃燒與摻混造成火焰?zhèn)鞑?。強調：燃燒產物和可燃氣體強烈混合的一面。53 大尺度強湍流火焰模型可以設想成大團大團未燃燒的可燃混合物沖破火焰鋒面，而輸入高溫的燃燒產物中，大團大團的高溫燃燒產物也沖破火焰鋒面而輸入未燃燒的可燃混合物中。這些大團的尺寸都超過層流火焰厚度，它們在輸運之后都保存自己的獨立性，一下子不能和

16、周圍氣團混合。湍動使火焰遷移到哪里，就燃燒到哪里。所以這時的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢哉J為近似等于脈動速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?。撻蘭脫夫：相似性假定方程：St54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 ： 大尺度強湍流火焰 ： (Re6000)鄧克爾：謝爾金：撻蘭脫夫：復合層流前沿理論容積燃燒理論55火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?guī)律56四、影響湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赝牧髑闆r湍流強度越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?。燃料種類以及可燃混合物成份已經發(fā)現，湍流火焰的最大值偏向富燃料側。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?/p>

17、速度及減小火焰厚度。壓力越高，溫度的影響越大。57五、強化燃燒的途徑強化燃燒設法提高火焰的傳播速度 強化層流燃燒火焰的途徑燃料Q空氣化學當量比,即燃料濃度溫度Tf 與T壓力0添加劑58強化湍流火焰的途徑 除針對層流火焰燃燒的影響因素外設法提高湍流強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，但是氣流速度過大會使火焰吹熄59一爆震燃燒基本概念4.3 爆震燃燒 (abnormal combustion) 討論下列問題：1）爆震燃燒與正常燃燒的區(qū)別？ 2）沖擊波形成原理？ 傳播機理不同 傳播速度不同波中存在壓力、溫度和密度的小變化而引起突然的大變化。 沖擊波（爆震燃燒：氣體燃料受 極迅速的絕熱壓縮而引起。）（爆震燃燒：1000m/s）60沖擊波形成原理61作業(yè)：P86：1、3、5、6補充：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？62二燃燒波傳播分析模型：一維定常運動的平面波假設：混合氣的流動(或燃燒波的傳播速度)是一維的穩(wěn)定流動；忽略粘性力及體積力；假定混合氣為完全氣體，其燃燒前后的定壓比熱為常數，其分子量也保持不變；反應區(qū)相對于管子的特征尺寸(如管徑)是很小的，與管壁無摩擦，無熱交換。63不