燃烧学－预溷合气燃烧及火焰传播.ppt

第四章 预混合气燃烧及火焰传播,层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。,层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论,层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论,概述,一、预混合燃烧概念 定义,燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。,典型预混合燃烧装置,预混合气燃烧过程,某一局部区域首先着火,依靠火焰面的热量使邻近的预混合气引燃，逐渐把燃烧扩展到整个混合气范围。 在它的前方是未燃的混合气，而在它的后方是已燃的燃烧产物。 随时间推移，火焰面在预混合气中不断向前扩展，呈现出火焰传播(flame propagation)的现象。,火焰传播(flame propagation),随时间推移，火焰面在预混合气中不断向 前扩展，所呈现的现象。 可燃气体混合物的局部首先着火，着火部 分向未燃部分传递热量和活性粒子，使之 相继着火的过程称为火焰传播。,预混合燃烧的关键、本章研究的核心,二火焰及其特征和分类,火焰的定义 火焰的特征 具有发热、发光特征； 辐射现象 具有电离特性； 具有自行传播的特性。,火焰(flames)是在气相状态下发生的燃 烧的外部表现。,火焰的分类,火焰自行传播 燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 火焰状态 流体力学特性 两种反应物初始物理状态,缓燃火焰(或称正常火焰) ( 0.2-1m/s ) 爆震火焰（4. 3）,预混火焰 （第四章） 扩散火焰 （第五章）,移动火焰 驻定火焰,（见图）,层流火焰 （4.1） 湍流火焰 （4.2）,均相火焰 多相火焰（异相火焰 ）,4.1 层流火焰传播,(laminar flame）,预混可燃气体流速不高（层流状态）时 的火焰传播称为层流火焰传播。,一、层流火焰结构与传播机理,层流火焰图,层流火焰前沿浓度和温度变化,火焰结构特点 火焰前沿厚度很薄，一般不超过1mm，只有十分之几毫米甚至百分之几毫米厚。,层流火焰图,前沿的厚度很小，但温度和浓度的变化很大，因而在火焰前沿中出现了极大的浓度梯度及温度梯度。这就引起了火焰中强烈的扩散流和热流。,在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很小，称为预热区，以 p 表示。而化学反应主要集中在很窄的区域 c 中进行，称其为化学反应区。,火焰前沿传播机理 火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。 火焰传播的扩散理论 认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助于活性中心的作用，使混合气变为燃烧产物。火焰前沿在空间的移动是由于反应区中有活性中心向新鲜混气进行扩散而使反应连续进行。,二、层流火焰传播速度,定义 大小取决于反应速度、热量和活性中心的传 递速度。,火焰外沿相对于未燃混合物在火焰表面法线 方向上的移动速度称为火焰的法线速度，用Un表 示，也称为层流燃烧速度 ( laminar burning velocity) ，用Sl 表示。,Bussen 燃烧 嘴火焰,U未燃混合气局部流速,数学表达式,静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析,对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则Sl = u0 = us 即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速，两者大小相等方向相反。,Slu0,us混合气流速 up火焰面的移动速度 u0火焰面相对未燃混合气的移动速度,可燃气体和空气混合物在20及760厘米水银柱下的火焰前沿移动的正常速度值,三、层流火焰厚度（l）,arweg和Maly ： Chin： Law和Tseng ：,在LePrSc1的条件下等价,（ 不同的混合气用不变的 l ）,层流火焰厚度正比于燃料空气混合气的质扩散系数，反比于层流燃烧速度 。,四、预混层流火焰传播的数学模型,基本方程的建立 假设：假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿 管子传播，并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响，以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。 取火焰面厚度为x的气体层为控制体。,基本方程： 边界条件 ：,连续方程 ： （4-11） 能量方程： （4-12） 组分扩散方程： （4-13） 状态方程： （4-14）,基本方程的简化求解,基本思想：控制火焰传播速度的主要过程是从反应区向预热 区的传热过程。在预热区中，忽略化学反应的影响，而在反 应区中则忽略对流传热的影响，按一维定常流来解。,Zeldovich 热理论模型,预热区： 忽略化学反应的影响,能量方程作如下简化 ：,积分：,反应区： 忽略对流传热项 ,能量方程作如下简化 ：,边界条件：,(4-16),积分、化简得 ：,五、层流火焰传播速度影响因素分析,燃料/氧配比的影响 燃料性质的影响 压力的影响 混合气初始温度的影响 添加剂的影响 ：惰性添加剂，反应添加剂,燃料/氧配比的影响,图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳 4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷,混合气配比对火焰传播速度影响很大。 除氢气和一氧化碳外，最大火焰传播速度处在=0.800.85范围内。 对大多数混合气来说、最大火焰传播速度是发生在化学计量比条件下。,燃料性质的影响,导热系数，定压比 热容Cp和密度,烷烃随含碳量的增加， 火焰传播速度基本不变。 烯烃和炔烃含碳量越高， 火焰传播速度越小,燃料化学结构,压力的影响,（n反应级数）,混合气初始温度的影响,m1.52之间,提高可燃物初始温度T可以大大促进化学反应速度，因而增大Sl 值,添加剂的影响,惰性添加剂：降低火焰传播速度，缩小可燃界限，如 CO2、N2等。 反应添加剂：加速链反应过程而使火焰传播速度迅速 增加，如氢。,一、湍流火焰概述 湍流火焰的存在 在工业生产中，燃烧几乎总是发生在高速 、大管径、流动方向有突扩、有障碍 （柱体、球体、钝体等）的湍流场中，多数处于湍流状态。随着对湍流的研究进展，湍流火焰特性的研究也在不断前进，研究湍流对燃烧的影响，从而明了湍流燃烧及火焰传播机理。 目前湍流火焰 ( turbulent flames)的研究尚不成熟。而本节只是讨论一些已被认可的结论。,4.2 湍流火焰传播,(turbulent flames),湍流火焰与层流火焰的区别 火焰表面形状：层流火焰表面光滑，燃烧状态平稳。湍流火焰表面被皱折变形，变粗变短； 火焰前沿厚度：层流火焰 前沿很薄（十分之几或百 分之几毫米），湍流火焰 前沿相当厚（几个毫米）； 传播速度：湍流火焰传播 速度比层流火焰传播速度 大的多（是层流火焰传播 速度的好几倍）；,湍流火焰与层流火焰的区别,火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运：层流火焰是通过热传导和分子扩散使火焰传播下去。而湍流火焰是靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动状态所支配。 火焰的燃烧区域：湍流火 焰的燃烧不仅在火焰前沿 表面进行，还在前沿的背 后或燃烧区进行； 燃烧的激烈程度：湍流火 焰比层流火焰燃烧更激烈； 燃烧放热率：湍流火焰的 燃烧放热率比层流火焰的 大的多。,湍流火焰与层流火焰的区别,湍流火焰传播速度的定义St,湍流火焰传播速度指湍流火焰前沿 任一处法向相对于未燃混合气运动的速 度。,二、湍流特性,湍流的基本特性：湍流中充满大小不等、高速旋转的流体微 团，或称涡团，在不断地做无规则的运动，使流体各点每瞬 时的速度、压力都在做随机的变化。,湍流火焰前沿表面结构示意 (a) 弱湍流 (b)强湍流,瞬时速度u（ ） 时均速度 （ ） 脉动速度 （ ）,湍流尺度(turbulent scale),与湍流涡团大小及其变化过程有直接关系。 物理意义：涡团在无规则运动中，保持自由前进而不与其他涡团碰撞的距离。或者说，流体涡团在运动过程中消失前运动的距离，也可以认为是涡团的一种平均自由程。,Lagrange湍流尺度： Euler湍流尺度：,反映了湍流传质和传热的特性。 依照分子扩散与湍流扩散的相似性，可以认为， 流体层中体积基元（涡团）的无规则运动与分子的无 规则运动相似，用下式定义湍流扩散系数：,湍流扩散系数(turbulent diffusion coefficient),L湍流混合长度 湍流扩散系数,三、预混合气湍流火焰传播理论,湍流流动可能使火焰变形、皱折， 使反应表面积显著增加； 湍流可能加剧了热传导速度或活性 物质的扩散速度； 湍流可以促使可燃混合气与燃烧产 物间的快速混合。,复合层流前沿理论：邓克尔和谢尔金创立。湍流火焰是由湍流引起的变性层流火焰。又称为“皱折火焰表面理论 ”。 容积燃烧理论：萨默菲尔德和谢京科夫建立。将湍流火焰的前沿看成燃烧反应区。又称为“微扩散理论”。,湍流火焰传播理论,复合层流前沿理论 皱褶火焰表面理论,认为燃烧化学反应本身的速度非常高， 燃烧化学反应只是在薄薄的一层火焰锋面 内进行。,Wrinkled laminar flame,湍流火焰现象分类,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,大尺度强湍流火焰,强湍流火焰 （ ）,弱湍流火焰 （ ）,（湍流尺度）,（湍流强度）,小尺度湍流火焰,小尺度湍流火焰 条件 流体微团的平均尺寸层流火焰面厚度l 特点 小尺度湍流火焰只是增强了物质的输运特性，从而使热量和活性粒子的传输加速，而在其他方面没有什么影响,大尺度弱湍流火焰 条件 流体微团的平均尺寸 层流火焰面厚度 脉动速度u层流火焰 传播速度Sl 现象 火焰锋面扭曲 火焰锋面未被吹破,大尺度强湍流火焰 条件 流体微团的平均尺寸 层流火焰面厚度 脉动速度u层流火焰 传播速度Sl 现象 不存在连续的火焰面,层流火焰理论： 动量传递、传热和传质三者相似，其输运系数数值相等 故：,小尺度湍流火焰: 2300Re5000,结论：湍流火焰传播速度不仅与可燃混合气的物理化学性质有关( Sl )，还与流动特性有关（ ）。,大尺度弱湍流火焰：5000Re6000,邓克尔：,式中 Ft 和 Fl 分别为火焰前沿皱折表面积和来流的几何横截面积（即层流火焰面面积）,即: 只要求出 即可求出,谢尔金 : 假设湍流火焰表面是由无 数锥形组成。,火焰前沿面积的计算：用锥体面积表示有一定的误差，最近开始应用分形几何学的方法 。,大尺度强湍流火焰：Re6000,挞兰脱夫：,出现小团块燃烧，燃烧既可能在未燃混合气区，也可能在已燃的燃烧产物区。 湍流火焰传播速度取决于脉动速度与层流火焰传播速度之比。,（ C=13.5 ）,容积燃烧理论,燃烧化学反应在火焰中各处表现都以不同速度进行着。湍流输运使不同成分的气体在火焰区内燃烧同时进行着掺混，燃烧与掺混造成火焰传播。 强调：燃烧产物和可燃气体强烈混合的一面。,大尺度强湍流火焰模型可以设想成大团大团未燃烧的可燃混合物冲破火焰锋面，而输入高温的燃烧产物中，大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输入未燃烧的可燃混合物中。这些大团的尺寸都超过层流火焰厚度，它们在输运之后都保存自己的独立性，一下子不能和周围气团混合。湍动使火焰迁移到哪里，就燃烧到哪里。所以这时的火焰传播速度可以认为近似等于脉动速度与层流火焰传播速度之比。,挞兰脱夫： 相似性假定方程：,St,小尺度湍流火焰,邓克尔： 谢尔金 ：,大尺度湍流火焰,大尺度弱湍流火焰 ： 大尺度强湍流火焰 ： (Re6000),邓克尔： 谢尔金：,挞兰脱夫：,火焰传播速度规律,四、影响湍流火焰传播速度的因素,湍流情况 湍流强度越大，火焰传播速度越大。 燃料种类以及可燃混合物成份 已经发现，湍流火焰的最大值偏向富燃料侧。 压力 压力增加将使湍流火焰传播速度增加，湍流火焰厚度减小。初始温度越高，压力的影响越显著。 温度 提高温度可以提高湍流火焰传播速度及减小火焰厚度。压力越高，温度的影响越大。,五、强化燃烧的途径,强化燃烧 设法提高火焰的传播速度,强化湍流火焰的途径 除针对层流火焰燃烧的影响因素外 设法提高湍流强度 提高混合气的压力及温度 还要注意提高湍流的气流速度，但是气流速度过大会使火焰吹熄,一爆震燃烧基本概念,4.3 爆震燃烧,(abnormal combustion),讨论下列问题： 1）爆震燃烧与正常燃烧的区别？ 2）冲击波形成原理？, 传播机理不同 传播速度不同,（爆震燃烧：1000m/s）,冲击波形成原理,作业：,P86：1、3、5、6 补充： 4-1：试述湍流火焰与层流火焰的区别？ 4-2：试述爆震燃烧与正常燃烧的区别？,二燃烧波传播分析 模型：一维定常运动的平面波 假设： 混合气的流动(或燃烧波的传播速度)是一维的稳定流动； 忽略粘性