燃?xì)馊紵c應(yīng)用-chap4

第四章燃?xì)馊紵幕鹧鎮(zhèn)鞑?/p>

(FlamePropagation)第一節(jié)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A(chǔ)第二節(jié)法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定第三節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩氐谒墓?jié)混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算第五節(jié)紊流火焰?zhèn)鞑サ诹?jié)火焰?zhèn)鞑舛葮O限意義：

火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細(xì)馊紵钪匾奶匦?；?duì)火焰的穩(wěn)定性、互換性有很大的影響；涉及：

燃燒方法的選擇……燃燒器的設(shè)計(jì)……安全……

第一節(jié)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A(chǔ)火焰的定義

快速放熱的氣相反應(yīng)、以亞音速在空間傳播，同時(shí)伴隨可見光輻射。空間傳播特性：化學(xué)反應(yīng)、氣體流動(dòng)、分子擴(kuò)散、熱量轉(zhuǎn)移等綜合作用未燃的可燃混合物是分層的；在某一點(diǎn)上點(diǎn)燃后，形成火焰；火焰是熱量、自由基的中心；熱量以導(dǎo)熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自由基以擴(kuò)散的形式向相鄰區(qū)域傳播。相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。形成火焰的傳播過程?；鹧?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）1.焰面(FlameFront):

火焰鋒面、火焰前鋒燃燒反應(yīng)進(jìn)行的區(qū)域；未燃?xì)怏w與燃燒產(chǎn)物的分界面；2.火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

焰面的移動(dòng)速度；符號(hào)S表示。單位為m/s,m3/m2.s

意義：單位面積上、單位時(shí)間內(nèi)燃燒的可燃混合物的體積。一、火焰?zhèn)鞑サ姆绞剑ㄒ唬┱；鹧鎮(zhèn)鞑?緩燃波Deflagration)

由于傳熱作用，高溫焰面將熱量傳給未燃?xì)怏w，使其著火、燃燒；依次傳遍整個(gè)體積。等壓下進(jìn)行。1.層流火焰?zhèn)鞑aminarFlamePropagation依靠分子擴(kuò)散、導(dǎo)熱等實(shí)現(xiàn)火焰的傳播。2.紊流火焰?zhèn)鞑urbulentFlamePropagation依靠紊流擴(kuò)散等實(shí)現(xiàn)傳播。法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n問題的描述：

火焰在管狀的靜止氣體中傳播；傳播方向與焰面垂直；傳播速度的大小與管壁散熱有關(guān)散熱對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懝軓皆叫?，散熱?duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊懺酱螅?/p>

小到一定程度→火焰不能傳播管徑越大，對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懺叫。?/p>

大到一定程度→散熱影響完全消失

→此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大

法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋篠n

可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v管徑增大時(shí)，由于燃燒及管壁散熱，在焰面附近引起擾動(dòng)，焰面皺曲，此時(shí)焰面的移動(dòng)方向仍為管子軸向，但不是焰面的法向。沿管子的軸向移動(dòng)的速度稱為可見火焰速度，記作Sv。顯然Sv>Sn層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮恿鲿r(shí)一般很?。籋2最大：Sn=2.8m/s;Sv=4.85m/s;CH4最小：Sn=0.38m/s;Sv=0.67m/s;在d=25.4mm管子中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果紊流火焰?zhèn)鞑饬鞒蔀槲闪鳡顟B(tài)：

紊流擴(kuò)散系數(shù)大于分子擴(kuò)散熱量傳遞加劇火焰速度增大；St>SnSt不僅與可燃混合物的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與紊動(dòng)程度有關(guān)(Re/管徑等)（二）爆炸(Explosion)背景：

均勻的燃?xì)?空氣混合物在密閉容器內(nèi)局部著火，燃燒放熱與高溫產(chǎn)物熱膨脹，壓力急劇升高。結(jié)果：

未燃?xì)怏w絕熱壓縮；瞬間燃燒完畢。爆炸自身(緩慢)加熱或點(diǎn)燃（三）爆燃(Detonation)管子的長與短

短管——燃燒產(chǎn)物及時(shí)排出，等壓下燃燒；長管——燃燒產(chǎn)物對(duì)未燃?xì)怏w絕熱壓縮，產(chǎn)生激波；火焰到達(dá)之前未燃?xì)怏w已到著火溫度；可燃混合物“一層”“一層”地燃燒。著火的原因：沖擊波的絕熱壓縮；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?000~3500m/s;極具破壞力二、法向火焰?zhèn)鞑ダ碚搯栴}的描述：一端封閉(點(diǎn)燃)、一端開口的管子；假設(shè)管子不散熱焰面不皺曲；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導(dǎo)進(jìn)行；燃燒過程在等壓下進(jìn)行。焰面移動(dòng)、氣流靜止焰面的移動(dòng)速度焰面靜止、氣流反向移動(dòng)氣流的移動(dòng)速度需回答的問題法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n=?焰面厚度δ=？燃燒反應(yīng)時(shí)間=？可燃混合物的歷程冷態(tài)時(shí)——濃度為C0，溫度為T0；接近焰面時(shí)——被預(yù)熱(溫度逐漸升高)，但未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，C0近似不變。T0Ti

——開始著火，經(jīng)感應(yīng)期后到達(dá)Ti

’，

進(jìn)行劇烈燃燒，溫度很快升高到Tth；

濃度從溫度Ti時(shí)開始下降，燃燼時(shí)C=0?？扇冀M分的濃度變化曲線沿火焰厚度方向的溫度變化曲線燃燒產(chǎn)物的濃度分布曲線化學(xué)反應(yīng)速度曲線火焰的結(jié)構(gòu)焰面以左：預(yù)熱區(qū)+感應(yīng)區(qū)厚度ph反應(yīng)速度很慢焰面以右：反應(yīng)區(qū)厚度ch化學(xué)厚度ch<物理厚度ph在火焰鋒面中取一薄層，討論在單位時(shí)間內(nèi)/單位面積內(nèi)的平衡情況。連續(xù)性方程：動(dòng)量方程：能量方程：混合物自身的焓變化導(dǎo)熱導(dǎo)致的凈能量變化化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量在未燃處的邊界條件：在燃盡處的邊界條件：將火焰分為預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)，其交界處的溫度為Ti在預(yù)熱區(qū)中忽略化學(xué)反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)中忽略自身的能量變化從T0~Ti積分從Ti~Tm積分交界面上的熱流量連續(xù)Ti是未知量；可利用已知條件簡化：化學(xué)反應(yīng)集中在反應(yīng)區(qū)，預(yù)熱區(qū)中反應(yīng)速率很小。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度變化很小，為進(jìn)一步簡化；定義T0~Tm之間的平均反應(yīng)速率分析1、導(dǎo)溫系數(shù)a=/Cp;化學(xué)反應(yīng)時(shí)間與平均反應(yīng)速率成反比，即可有層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c導(dǎo)溫系數(shù)的平方根成正比；與化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的平方根成反比。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仁强扇蓟旌衔锏奈锢砘瘜W(xué)常數(shù)2、壓力的影響平均的燃燒反應(yīng)速率對(duì)理想氣體，成立綜觀反應(yīng)級(jí)數(shù)一般n=1.5~2，所以Sn隨著壓力增大而減??！3、火焰的厚度由和火焰厚度與導(dǎo)溫系數(shù)成正比，與火焰速度成反比。導(dǎo)溫系數(shù)與溫度、壓力的關(guān)系是因此壓力越低，火焰厚度越大。第二節(jié)法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定

一般可使用實(shí)驗(yàn)方法測出各種單一氣體在一定條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?；再?jì)算得到混合氣體的火焰速度。技術(shù)上的困難定義：焰面為平面；焰面與火焰?zhèn)鞑シ较蚧驓饬鞣较虼怪?。難以實(shí)現(xiàn)目前采用的實(shí)驗(yàn)方法焰面不能嚴(yán)格垂直于氣流，但焰面必須是平面；焰面不是平面，而有很小的曲率，但氣流方向必須與焰面垂直。靜力法（動(dòng)態(tài)火焰法）焰面在靜止的可燃混合物中運(yùn)動(dòng)；

火焰核法；皂泡法；管子法；動(dòng)力法(靜態(tài)火焰法)

焰面靜止；可燃混合物以層流狀態(tài)與火焰?zhèn)鞑シ较蜃鱿喾催\(yùn)動(dòng)。球形火焰法；錐形火焰法；平面火焰法倒置火焰法；新月形火焰法；管子法原理管子內(nèi)充滿可燃混合物；點(diǎn)燃后形成火焰、在管子內(nèi)移動(dòng)；用照相機(jī)或攝象機(jī)記錄火焰在不同時(shí)刻的位置。

注意Vb=100Vt保持燃燒過程中壓力不變實(shí)際情況管子散熱，導(dǎo)致氣流紊動(dòng)，焰面成為曲面，所測的火焰速度為可見火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?dāng)管子直徑增大到一定程度，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒔咏赟n……但是，直徑越大，氣流紊動(dòng)越強(qiáng)烈，焰面彎曲越大，二者相差越大……隨著管子直徑減小，散熱的影響增大，可見火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小。當(dāng)小到某一值時(shí)，管子的散熱使火焰無法傳播。此時(shí)的直徑稱做“臨界直徑”——dc在工程上，dc可用來防止回火

H2:dc=0.9mm;CH4:dc=3.5mm;

焦?fàn)t氣：dc=2mm管子法總結(jié)直觀；受管徑影響比較大、準(zhǔn)確性不夠；只能在相同管徑下對(duì)各種燃?xì)獾膶?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。氫氣水煤氣CO乙烯煉焦煤氣乙烷甲烷高壓富氧汽化煤氣皂泡法(火焰核法)原理：

皂泡是一個(gè)球體，火焰的傳播是對(duì)稱的；焰面與火焰?zhèn)鞑サ姆较虼怪保辉砼菥哂袕椥员诿?，可自由膨脹，過程是等壓的。計(jì)算：按照皂泡的膨脹率(火焰空間所占體積的變化)問題與解決皂泡溶液蒸發(fā)，導(dǎo)致氣體混合物變濕。對(duì)CO，問題尤甚；含凈化劑的甘油無水皂泡皂泡的擴(kuò)張速度起始時(shí)的皂泡半徑結(jié)束時(shí)的皂泡半徑本生火焰法一次空氣→內(nèi)錐；二次空氣→外錐；Benson火焰的特點(diǎn)直徑略大于管口直徑，根部較平

近管口處的未燃?xì)怏w向外擴(kuò)散，火焰根部不與管口銜接——火焰外凸；頂部較平頂點(diǎn)附近散熱損失小，活化中心集中，火焰?zhèn)鞑ニ俣却螅蛭慈細(xì)怏w溯進(jìn)——頂部變圓。只有圓錐中部比較真實(shí)地代表了混合氣參數(shù)下的層流火焰面。Sn計(jì)算原理對(duì)管口出口斷面和錐形火焰面，列連續(xù)性方程：燃燒器出口斷面積燃燒器出口處空氣-燃?xì)饣旌衔锏钠骄魉倩鹧鎯?nèi)錐表面積出口處的平均流速火焰內(nèi)錐表面積火焰表面的位置/面積測量符合法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊亩x；光學(xué)方法：發(fā)光法、陰影法、紋影法、干涉法；發(fā)光法：靠近火焰的一面比真正面積大；陰影法：測的是密度梯度最大的位置，處于中間值；紋影法、干涉法：測定的是密度的直接分布情況、靠近混合物一側(cè)，較為準(zhǔn)確。顆粒示蹤法Lewis-VonElbe提出；在可燃混合物中摻入氧化鎂/氯化銨/硅油煙霧等既閃光、又不引起化學(xué)反應(yīng)的微小顆粒——連續(xù)頻閃攝象；由頻閃和顆粒移動(dòng)距離，計(jì)算顆粒移動(dòng)速度；顆粒移動(dòng)速度=氣流速度；Benson內(nèi)錐微粒移動(dòng)軌跡——流線內(nèi)錐焰面大部分Sn為常數(shù)中心處有所下降邊緣處Sn下降平面火焰法平面火焰的面積容易測量；Powling燃燒器。多孔板/蜂窩格/整流網(wǎng)平面火焰防止外圍空氣的擴(kuò)散破壞火焰外緣的平整性適合火焰速度低于15cm/s的氣體不同方法測量值的比較錐形火焰法平面火焰法Powling火焰CH4第三節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩匾弧⑷細(xì)鉂舛?混合氣比例)的影響Snmax在燃?xì)獗壤愿哂诨瘜W(xué)計(jì)量比處稍富時(shí)：自由基濃度高；斷鏈概率?。簧愿粫r(shí)，火焰溫度最高，反應(yīng)速度最快；氫氣（化學(xué)計(jì)量比29.6%）CO（化學(xué)計(jì)量比29.6%）乙烯（化學(xué)計(jì)量比6.54%）丙烯煉焦煤氣存在上限/下限！??！二、燃?xì)庑再|(zhì)的影響導(dǎo)溫系數(shù)越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱蟆?、導(dǎo)溫系數(shù)H2:=0.186,Snmax=2.8m/s;CH4:=0.0286,Snmax=0.38m/s2、分子結(jié)構(gòu)炔族>烯族>烷族燃料分子量越大，火焰速度越??；烷烴：火焰速度與碳原子數(shù)無關(guān)；烯烴/炔烴：碳原子數(shù)以4為界，下降速度趨緩。碳原子數(shù)三、溫度的影響1、初始溫度的影響T0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰溫度的影響初始溫度四、壓力的影響1、一般燃燒反應(yīng)：n<2;2、質(zhì)量燃燒速率隨壓力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=25~50cm/s的火焰，n<2;Sn=50~100cm/s的火焰，n=2;Sn>100cm/s的火焰，n=2;Sn>800cm/s的火焰，n=2.5;壓力對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懳?、惰性氣體的影響CO中加入少量的水，火焰速度快速增大——近1倍！惰性氣體加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加組分的具體影響，需按照對(duì)物性、化學(xué)反應(yīng)途徑等的影響來全面考慮。CO的火焰速度與水蒸汽含量的關(guān)系無水1——1.5%N2+98.5%O2;2——20%N2+80%O2;3——40%N2+60%O2;4——60%N2+40%O2;5——70%N2+30%O2;6——75%N2+25%O2;7——79%N2+21%O2;第四節(jié)混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算有必要、有條件時(shí)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試；或按照經(jīng)驗(yàn)公式、根據(jù)單一氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，進(jìn)行計(jì)算。CO<20%(以燃?xì)庵械目扇冀M分為100%計(jì))N2+CO2<50%(扣除燃?xì)庵械腛2所對(duì)應(yīng)的空氣！?。?計(jì)算公式的適用條件準(zhǔn)確程度：與實(shí)測的偏差小于5%燃?xì)庵蠴2所對(duì)應(yīng)的N2燃?xì)庵械腛2所對(duì)應(yīng)的空氣考慮惰性氣體的影響各單一氣體的最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鲉我粴怏w在最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)的一次空氣系數(shù)計(jì)算燃?xì)庾畲蠡鹧嫠俣鹊臄?shù)據(jù)第五節(jié)紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流相比：

層流——火焰鋒面很薄、光滑；紊流——鋒面變厚、焰面抖動(dòng)/粗糙。燃燒速度增大十幾倍或更高。一、紊流火焰結(jié)構(gòu)燃燒反應(yīng)在發(fā)光的燃燒區(qū)內(nèi)完成；少量未燃盡氣體在高溫燃燼區(qū)內(nèi)繼續(xù)燃燒；紊流火焰特點(diǎn)：焰面皺曲、輪廓模糊；焰面厚度較大、火焰高度較短；火焰穩(wěn)定性變差，易脫火；燃燒時(shí)噪聲較大。二、紊流火焰?zhèn)鞑サ囊话憬Y(jié)論1、紊流火焰的傳播取決于紊流流動(dòng)特性：St與Re有關(guān)Re<2300,St/Sn=1Re=2300~6000,St/SnRe1/2Re>6000,St/SnRe2、紊流火焰速度與混合物濃度的關(guān)系與層流時(shí)基本相同在氣流速度較小時(shí)，相對(duì)層流而言，受濃度影響較小層流紊流表征紊流特性的參數(shù)氣流脈動(dòng)速度的時(shí)均方根值紊動(dòng)微團(tuán)從形成到分裂過程所經(jīng)過的平均自由行程表示紊流程度的強(qiáng)弱表示紊動(dòng)范圍的大小，尺度的大小層流火焰的厚度紊流火焰的種類劃分小尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度弱紊動(dòng)大尺度強(qiáng)紊動(dòng)焰面厚度稍大于層流焰面皺曲不存在連續(xù)焰面紊流火焰結(jié)構(gòu)圖示小尺度紊動(dòng)大尺度弱紊動(dòng)大尺度強(qiáng)紊動(dòng)容積燃燒模型燃燒產(chǎn)物新鮮混合氣部分燃盡氣體三、紊流火焰的表面理論主要論點(diǎn)：層流火焰鋒面的基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，燃燒集中于鋒面中；紊流火焰比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑颍簜鬟f過程的加快、焰面的增大；小尺度紊流對(duì)層流火焰aA=a+DTSnSt紊流擴(kuò)散系數(shù)所以由于當(dāng)有小尺度紊流一般只發(fā)生在燃燒器管壁附近；只有在小口徑管子