高等燃燒學講義第13節(jié)(鄭洪濤4學時)

高等燃燒學第十三章湍流非預混火焰主講人：鄭洪濤2023最新整理收集do

something第十三章湍流非預混火焰13.1概述13.2射流火焰總論簡化分析火焰長度火焰輻射推舉和吹熄13.3其他構造下的非預混火焰13.4小結湍流非預混火焰易于控制，廣泛應用，但污染物排放大。非預混燃燒應用場合多樣，出現(xiàn)了各種類型的非預混火焰。圖13.1顯示了一種輻射管燃燒器，它采用的是帶局部旋轉的非預混受限射流火焰。圖13.2展示的是一種非預混或者局部預混的純氧火焰，通過控制各個氣流的大小來控制火焰的特性。燃燒設備設計中重要的是：火焰形狀和尺寸、火焰維持與穩(wěn)定、傳熱、污染物排放。第十三章湍流非預混火焰——13.1概述湍流非預混射流火焰與預混火焰相似，都可見不光滑或模糊的邊界。碳煙的存在，非預混火焰比預混火焰明亮。圖13.3是乙烯在空氣中燃燒的照片。右側第一張火焰照片曝光時間4s。這張照片與真正的視覺效果類似。其他三張都是瞬時照片，可見，火焰的瞬時可視長度有很大的變化。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論火焰底部呈藍色，亮度弱，沒有碳煙生成。高處碳煙數(shù)量明顯增多，火焰呈亮黃色。不易形成碳煙的甲烷火焰中藍色區(qū)長得多，發(fā)光的碳煙區(qū)很短。甲烷-空氣火焰光譜輻射測量發(fā)現(xiàn)，雖然可以從火焰中看到碳煙發(fā)出的亮光，但碳煙輻射對于總的輻射損失沒有太多的影響，而對于更易生成碳煙的燃料來說，碳煙輻射那么可能是總輻射熱損失的主要形式。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論圖13.4(a)的一系列照片顯示了乙烯射流火焰頂部大渦的燃盡過程。體繪制技術(圖13.4(b))那么給出了圖像數(shù)遠多于圖13.4(a)的一組三維圖像(x,y,t)的視圖，顯示了大渦的運動軌跡。圖13.5是氫氣-空氣射流火焰中OH基的瞬時平面圖像，清楚地顯示了富含OH基的高溫區(qū)的旋卷形褶皺特征。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論可以看到，隨著下游距離的增加，火焰區(qū)域(OH基區(qū)域)也隨之增加，最后在火焰頂部出現(xiàn)一個很大的高溫區(qū)。溫度場圖像顯示，有的區(qū)域熱量層很薄而溫度梯度很大，有的熱量層寬，其中溫度幾乎一致。在很窄的火焰區(qū)域內，流體的構造非常復雜。圖13.6顯示了剪切層由火焰底部噴嘴處旋轉上升的圖像，顯示出的火焰構造對污染物的排放有著非常重要的影響。我們要概括介紹的第二局部是初始射流直徑和燃料流率對火焰尺寸的影響。圖13.7清楚地展現(xiàn)了非預混火焰的一些重要特征。首先，當流率比較低時，即火焰為層流時，火焰高度與初始射流直徑無關，而只與流率有關。當流率增加時，湍流逐漸開場影響火焰高度，出現(xiàn)圖13.7中所示的過渡區(qū)。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論在過渡區(qū)的最后，隨著流速的增加，湍流程度也不斷增加，最后在曲線的極小值點形成比初始的層流火焰要短得多的完全湍流火焰。當流速進一步增加時，火焰高度可能維持不變(管徑小于0.133in)，也可能不斷增加，但曲線斜率越來越小(管徑大于等于0.152in)。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論這是由于隨著燃料流率的增加，夾帶進的空氣量和混合速率也會近似成比例地增加。而且發(fā)現(xiàn)，此時火焰高度明顯受到初始射流直徑的影響。在足夠低的流速下，火焰根部與燃燒器管子的出口非常接近(只有幾個毫米)，我們定義為附著火焰。當燃料流率增加時，在火焰底部開場形成孔隙，當進一步增大流率時，會形成越來越多的孔隙，直到燃燒器噴口上第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論沒有連續(xù)的火焰。這種情況叫作推舉火焰。圖13.8就是一個推舉射流火焰照片。再加大流速，推舉距離增大。流率特別大時，火焰被吹熄。因此，就火焰的穩(wěn)定性而言存在兩個臨界狀態(tài)：推舉和吹熄。盡量防止推舉火焰的產生，使得火焰較貼近燃燒器出口且火焰位置不受流率的影響。這樣，就可以用火花或者小火焰進展準確的點火并保證火焰位置。出于平安考慮，應當防止接近吹熄極限的操作。在接近極限的情況下向大爐膛充入空燃混合物是非常危險的，一旦無法及時點燃，混合物在爐內淤積，很可能到達爆炸極限而突然爆炸。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——總論為湍流火焰建立數(shù)學模型是一項非常艱巨的任務。研究等溫湍流本身就是一項挑戰(zhàn)，假設再引入燃燒過程，那么密度的變化和各種化學反響都要有所考慮。這里只引入一個非常簡單的射流火焰燃燒的數(shù)學模型，來展示其物理本質。1.與冷態(tài)射流的比照前面對恒密度湍流射流建立了簡單混合長度模型，發(fā)現(xiàn)以下三個重要特性：①當所有的速度都以出口速度為基準時，空間坐標x和r都以噴嘴半徑R為基準時，速度場方程是普適的；②射流擴展角是常數(shù)，與射流出口速度和直徑無關;③所謂的旋渦粘度ε與流場位置無關，并且正比于噴嘴出口速度ve和直徑dj。此模型計算結果與實驗數(shù)據(jù)較吻合。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析假設湍流質量擴散系數(shù)與動量傳遞的一樣，那么燃料質量分數(shù)分布應等于無量綱速度分布，即YF(x,r)=v(r,x)/ve=f(x/dj)。但這種關系只有當沒有燃燒時才成立，因為有火焰的情況下YF在火焰邊界外為0，但是速度并沒有減到0。如第9章所述，混合物分數(shù)可以代替燃料的質量分數(shù)，并與無量綱的速度場有相似的性質。這樣，當給定燃料類型后，火焰的高度將與射流速度ve無關，而與噴嘴直徑成比例，而且射流擴展角與射流速度ve和噴嘴直徑dj均無關。圖13.7中的實驗結果證明，對于小口徑的噴管，火焰長度確實與ve無關，而且火焰長度大致與噴嘴直徑dj成比例。另外，浮力將破壞射流火焰與絕熱射流之間的近似，正好可以解釋對于更大直徑的噴管，湍流火焰長度將不恒定。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析2.守恒標量回憶在射流火焰的簡化分析中，我們希望能用混合物分數(shù)代替燃料、氧化劑和產物分別的守恒關系來描述任意位置火焰組分的變化。在足夠小的控制體內，定義了混合物分數(shù)f這個參數(shù)有兩個特別重要的特性。首先，它可以用來定義火焰邊界，且它的值只與當量比有關，即定義Φ=1處為火焰邊界，那么該處的f就有了一個固定的值fs：混合物分數(shù)第二個重要的性質是，由于根據(jù)“無源項〞控制方程的定義，它在整個流場中保持守恒。正因這一性質，才能用它代替各組分單獨的守恒關系，簡化數(shù)學模型。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析3.假設構造非預混湍流射流火焰的簡單數(shù)學模型的假設如下：(1)穩(wěn)態(tài)、軸對稱的時均流場，燃料由半徑為R的圓管射出，在靜止、無限大的空氣中燃燒。(2)與湍流輸運相比，動量、組分和能量的分子輸運不重要。(3)湍流動量擴散系數(shù)，即旋渦粘度ε(=μturb/ρ)在整個流場中守恒，且等于0.0285veR(參考公式(11.46))。通過忽略密度的脈動，從而將第11章提出的恒密度射流的混合長度假設擴展到變密度反響射流。(4)忽略所有關于密度脈動的相關項。(5)動量、組分和能量的湍流輸運都相等，即湍流的施密特數(shù)、普朗特數(shù)和路易斯數(shù)均相等，ScT=PrT=LeT。有了這個假設，湍流動量擴散系數(shù)(旋渦粘度ε)可以用湍流質量擴散系數(shù)或熱擴散率來代替，即ε=?T=αT。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析(6)忽略浮力。(7)忽略輻射傳熱。(8)只考慮徑向動量、組分和能量的湍流擴散，忽略軸向的。(9)噴嘴出口處燃料射流速度一樣，即帽式分布。(10)混合物性質由燃料、氧化劑和產物三種組分決定。三種組分的摩爾質量均為29kg/kmol，比定壓熱容均為cp=1.2kJ/kg?K)，燃料熱值為4×107J/kg，空氣-燃料的化學當量比為15:1(fs=1/16=0.0625)。(11)在采用狀態(tài)關系式確定平均密度時，忽略混合物分數(shù)的脈動。在更嚴格的分析中，平均密度應該由假定的混合物分數(shù)的概率分布函數(shù)(既有平均值也有方差)來計算。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析4.守恒定律的應用根據(jù)上述假設，根本的守恒方程與第7章推導出的和第9章用于層流射流火焰的方程根本類似。不同點在于時均量代替了瞬時值，湍流輸運性質(即動量、組分、能量的擴散系數(shù))代替了分子輸運性質。同時通過用特征長度R和特征速度ve做基準，定義了兩個無量綱的變量，那么由式(9.36)，總質量守恒方程為:軸向動量守恒方程(式(9.37))那么變?yōu)榛旌衔锓謹?shù)的守恒方程(式(9..38))變?yōu)榈谑峦牧鞣穷A混火焰——13.2射流火焰——簡化分析

第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析

第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析

第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——簡化分析研究者們一直致力于解釋和預測湍流射流火焰長度。1.火焰長度的定義從文獻可以看到各種火焰長度的定義和測量方法，但迄今沒有一個為大家所公認。在對不同研究者結果的比較時及在不同修正公式的應用等方面要加倍小心?；鹧骈L度的定義一般包括：從一系列瞬時火焰長度照片中取可視火焰長度的平均值；或用熱電偶測量軸線上溫度最高點，量出其軸向位置；或用氣體采樣的方法測量平均混合物分數(shù)，確定化學當量值所處的軸向位置。總體而言，火焰的可視長度要大于靠溫度或濃度測量所得出的長度。文獻中提到，根據(jù)燃料的不同，基于溫度特性測量的火焰長度大約是時均可視火焰長度的65%~80%。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度2.影響火焰長度的因素對于燃料射流噴入靜止環(huán)境中所產生的豎直火焰來說，火焰長度由4個主要因素決定:火焰中射流初始動量與作用在火焰上浮力的比Frf;化學當量值fs;射流密度與環(huán)境氣體密度的比ρe/ρ∞;初始射流直徑dj。第一個因素，火焰中射流初始動量與浮力之比可以由火焰的弗勞德數(shù)Frf來表示?；貞浀?章，引入弗勞德數(shù)Frf是為了區(qū)分層流射流火焰中的動量控制模式和浮力控制模式(參考式(9.68)和式(9.69))。對于湍流射流火焰，弗勞德數(shù)Frf定義為：第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度其中，ΔTf

=Tf-T∞，表示因燃燒產生的特征溫升。

Frf小，火焰受浮力控制；Frf大，火焰受動量控制。上面忽略了浮力影響，只能適用于Frf較大的情況。圖13.11可見，浮力增強了各成分混合，使火焰長度要短得多?；鹧嫒鐩]被吹熄，很可能射流速度增加使火焰長度最終接近同一漸近值。圖13.12的火焰高度漸近值大約為21.8cm。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度另三個影響因素也十分重要。單位質量的當量混合物分數(shù)fs值較小的燃料需要更多的空氣才能到達燃燒的化學當量。這意味著，fs越小其火焰越長。比方，丙烷所需的當量空氣質量是一氧化碳的6倍，而丙烷火焰的長度那么大概是一氧化碳火焰長度的7倍。密度比ρe/ρ∞和初始射流直徑dj可以組合成一個參數(shù)，定義為動量直徑dj*：dj*=dj(ρe/ρ∞)0.5上式需要假設出口速度分布是均勻的。以上定義的根本含義就是初始射流動量一樣的射流也具有一樣的速度場。因此加大噴嘴出口流體密度與增加噴嘴直徑效果一樣。根據(jù)文獻的射流理論和實驗結果比照，上述結論是合理的。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度3.關聯(lián)性圖13.12顯示了4個主要影響因素對火焰長度綜合影響的實驗結果。其中橫坐標為火焰的弗勞德數(shù)Frf，其余三個因素用來確定無量綱火焰長度。如圖13.12所示，這個無量綱的火焰長度可以表示為：或：圖13.12中定義了兩種火焰狀態(tài)：浮力控制公式修正為另一種由動量控制的無量綱火焰長度變?yōu)槌?shù)，即上面的公式易于使用，而且和其他公式一樣準確。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度例13.1試估計丙烷射流在空氣中燃燒的火焰長度。環(huán)境條件為P=1atm，T∞=300K。丙烷質量流量3.66×10-3kg/s，噴嘴出口直徑6.17mm，假設噴嘴出口丙烷密度1.854kg/m3。解：用無量綱火焰長度的浮力控制關系式(公式(13.11)和動量控制式(13.12))來確定丙烷火焰長度。首先確定火焰的弗勞德數(shù)Frf。所需要的參數(shù)計算如下：所以：第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度由于Frf<5，用公式(13.11)來計算無量綱火焰長度L*，即：因為：所以實際火焰長度為：或：注：查圖13.12得知，這個火焰在兩種狀態(tài)的交匯區(qū)，即既受初始動量控制，又受火焰所引起的浮力控制。上述計算值略小于文獻測量的(Lf/dj=341)可視火焰長度。這與用各種實驗技術測量Lf小于可視長度的結論是一致的。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度例13.2如果釋熱速率與噴嘴出口直徑與例13.1一樣，試計算甲烷火焰長度，并與丙烷火焰長度做比較。甲烷密度為0.6565kg/m3。解：用例13.1中的方法來計算Lf，但首先要求出甲烷的質量流量。根據(jù)兩個火焰釋放出一樣的化學能，可得?CH4LHVCH4=?C3H8LHVC3H8從附表B.1中查甲烷的低熱值，可求出甲烷的質量流量：因為：第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度所以最后求得：兩種火焰長度比為：結論是甲烷火焰只比丙烷火焰短12%。注：是什么原因使得甲烷火焰變短呢?首先，甲烷火焰更接近動量控制狀態(tài)(Frf大)，得到更大的無量綱火焰長度(L*)。但由于甲烷密度很小，導致動量直徑明顯變小(dj*)，小的dj*是造成甲烷火焰變短的決定因素，它超過了化學當量比fs減小導致火焰長度增長的相反趨勢。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰長度

第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射表9.5指出C2H2和C3H6的發(fā)煙點分別是?sp=0.51和1.12mg/s，而甲烷那么不生成碳煙；相應的最大輻射分數(shù)分別近似等于0.6、0.45和0.15。這清楚地說明，火焰內的碳煙對火焰的輻射分數(shù)有重要影響。②χR由火焰尺寸(dj)和釋熱率決定。當固定燃燒速率而減小火焰尺寸，或者固定火焰尺寸而增大燃燒速率時，都會造成輻射分數(shù)的減小。雖然在實際中，特別是考慮碳煙形成反響動力學特性時，整個輻射過程要復雜得多，但是用簡單量綱分析仍然可以解釋其變化趨勢。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射如果認為整個火焰是一個均勻的釋放熱量或對外輻射的源，那么火焰能量的減少速率可近似寫為其中，ap是一個較為合理的火焰吸收系數(shù)，Vf和Tf分別是火焰的體積和溫度。那么輻射分數(shù)可寫為：根據(jù)前面的討論，在動量控制狀態(tài)下火焰長度正比于噴嘴直徑dj，可如下估計火焰體積：且：將折算后的Vf和?F代入上式得：第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射

第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射圖13.14顯示了含微量碳煙的甲烷火焰的光譜輻射強度，圖13.15顯示了富含碳煙的乙烯火焰的光譜輻射強度。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射比照圖13.14和圖13.15，發(fā)現(xiàn)在2.5~3μm和4~5μm兩個波長范圍內都出現(xiàn)了明顯的強度峰值，這對應于分子輻射。相反，乙烯火焰那么在相對短的波長內有連續(xù)的強輻射光譜，峰值出現(xiàn)在1.5μm左右。這一特性在甲烷火焰中是沒有的?？捎镁S恩(Wien)位移定律估計乙烯火焰中碳煙黑體輻射最大強度所處的波長，即：其中：Tf表示乙烯-空氣化學當量絕熱火焰溫度(2369K)。由于火焰并不絕熱，實際的火焰溫度必然低于2369K，而λmax那么必然大于1.22μm。如果用圖13.15的實驗結果λmax=1.5μm，那么計算出的特征火焰溫度大約為1930K。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射

第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄有趣的是，推舉高度與噴嘴直徑之間并沒有多少相關性，而層流火焰速度越小，h曲線增加的斜率也越大，且SL,CH4<SL,C3H8<SL,C2H4文獻[34]用第一個理論對其實驗數(shù)據(jù)作了解釋，并且建立了適用于描述“碳氫化合物-空氣〞推舉火焰特性的關系式：第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄其中，SL,max表示最大層流火焰速度，對于碳氫化合物來說，最大速度出現(xiàn)在化學當量比(Φ=1)附近。同樣，假設假設推舉火焰的根底是預混火焰，那么用“理論一〞中預混湍流火焰的概念也可以去解釋吹熄現(xiàn)象。當湍流燃燒速度隨下游距離增加而減小的速度要快于滿足SL,max位置處局部氣流流速的減少速度時，將發(fā)生吹熄現(xiàn)象。譯者注:當流速增加時，推舉高度不斷上升，比照來看，火焰根部的流速和湍流燃燒速度都隨推舉距離的增加而相應減小，而在某臨界點以后，湍流燃燒速度的減小速率要快于最大層流燃燒速度處局部流速的減小速度，即再也找不到可以平衡的點，而差距只會越來越大，此時，發(fā)生吹熄。因此，即使混合物仍然處在著火范圍內，只要一超過臨界推舉高度，火焰馬上被吹熄。文獻[35]建立了以下關系式來計算射流火焰吹熄速度:第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄其中，雷諾數(shù)：特征長度H是平均燃料濃度降到化學當量以下時的軸向距離?？捎上旅婀角蟪觯旱谑峦牧鞣穷A混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄如圖13.17所示，上面的公式(13.18)對許多燃料都適用。當燃料固定，吹熄速度將隨射流直徑的增加而增加。這就是為什么油井熄火十分困難的原因(通常油井直徑比較大)。例13.3計算丙烷-空氣射流火焰的吹熄速度，并計算在初始吹熄條件下，火焰的推舉高度。噴嘴直徑6.17mm，環(huán)境條件：P=1atm，T∞=300K。丙烷出口溫度300K，丙烷密度1.854kg/m3。解：用文獻[35]的公式(13.18a)來確定吹熄速度。首先確定特征長度H(公式(13.18c)，并求出所對應的ReH(式(13.18b))。求H：為了求出ReH，還需要求出丙烷-空氣的最大層流火焰速度SL,max，以及丙烷在300K時的動力粘度μ：第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄引用Metghalchi和Keck的火焰速度關聯(lián)式(表8.3)注意，這里SL,max發(fā)生在Φ=ΦM=1.08處?？傻茫翰捎么迪ㄋ俣汝P聯(lián)式(公式(13.18a))進展計算最后計算初始吹熄速度ve為第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄根據(jù)求出的速度，查圖13.16，可以得到初始吹熄時的推舉高度:注：將上述結果與例13.1比較可以看出，例13.1中的火焰已經相當接近吹熄極限了。這時需要一些穩(wěn)燃的措施防止其進一步推舉。與例13.1相應的實驗結果顯示，可以采用小氫氣火焰(約1.4%丙烷量)來引燃，從而防止進一步推舉。第十三章湍流非預混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄在大多數(shù)應用非預混火焰的實際設備中，燃燒需要的空氣經常以與燃料同流的形式引入，這和我們上面所討論的燃料都是射入靜止的空氣中有區(qū)別。圖13.18所示的簡單設備用來產生較長的明亮火焰。在這項設計中，空氣在燃料管的同心外環(huán)內流動。燃燒器耐火磚將