5.1层流火焰传播机理和传播速度.pdf

1 西北工业大学 航空发动机燃烧学课程组 航空发动机燃烧学 层流火焰介绍 2 2 CONTENTSCONTENTS 1 1 燃烧分类燃烧分类 2 2 层流预混火焰层流预混火焰 3 3 一维层流预混火焰的基本机理一维层流预混火焰的基本机理 4 4 一维层流预混火焰的结构一维层流预混火焰的结构 5 5 层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 3 燃烧分类燃烧分类1 预混燃烧预混燃烧 气体燃料气体燃料 和氧化剂和氧化剂 是否预先是否预先 混合混合 扩散燃烧扩散燃烧 燃料燃烧所需的时间燃料燃烧所需的时间 rm 燃料和氧化剂燃料和氧化剂 的混合时间的混合时间 燃烧时间燃烧时间 Diffusion combustion Premixed combustion 4 1燃烧分类燃烧分类 扩散燃烧扩散燃烧 燃烧分类燃烧分类 mrm 动力燃烧动力燃烧 mrr 动力动力 扩散燃烧扩散燃烧 mrmr 燃烧的快慢主要燃烧的快慢主要取决于化学动力因素取决于化学动力因素 而与混合扩散过程关系不大而与混合扩散过程关系不大 燃烧的快慢既与化学动力因素有关 燃烧的快慢既与化学动力因素有关 也与混合过程有关也与混合过程有关 燃烧的快慢主要燃烧的快慢主要取决于混合扩散速取决于混合扩散速 度度 而与化学反应速度关系不大 而与化学反应速度关系不大 5 2层流预混火焰层流预混火焰 火焰锋面 层流预混火焰 层流预混火焰特点层流预混火焰特点 火焰面是一个厚度在火焰面是一个厚度在0 010 01 0 10 1毫米左右的狭窄区域 毫米左右的狭窄区域 此区域内 可燃混合气的此区域内 可燃混合气的温度温度 和和成分成分都有急剧地变化都有急剧地变化 极大的极大的 浓度和温度梯度浓度和温度梯度 层流火焰压力变化很小 可层流火焰压力变化很小 可 以认为是等压流动燃烧过程 以认为是等压流动燃烧过程 层流火焰传播速度很低 通层流火焰传播速度很低 通 常在常在1m s1m s以下 以下 6 2层流预混火焰层流预混火焰 热理论 热理论 认为火焰传播取决于反应区放认为火焰传播取决于反应区放 热及其向新鲜混气的热传导热及其向新鲜混气的热传导 扩散理论 扩散理论 认为来自反应区的认为来自反应区的链载体链载体的的 逆向扩散是控制层流火焰传逆向扩散是控制层流火焰传 播的主要因素播的主要因素 综合理论 综合理论 认为热的传导和活性粒子的认为热的传导和活性粒子的 扩散对火焰传播可能有同等扩散对火焰传播可能有同等 重要的影响重要的影响 层流火焰传播机层流火焰传播机 理的三种理论理的三种理论 层流预混火焰的三种理论层流预混火焰的三种理论 7 3 一维层流预混火焰的基本机理一维层流预混火焰的基本机理 层流预混火焰热理论层流预混火焰热理论 反应区反应区 预热区预热区 一维层流预混火焰一维层流预混火焰 pr 8 4一维层流预混火焰的结构一维层流预混火焰的结构 一维层流预混火焰结构 拐点Ti 绝热管绝热管 传播速度 传播速度 n n 火焰前锋为平面 与管轴线垂直火焰前锋为平面 与管轴线垂直 燃烧过程中 系统压力和物质的量 燃烧过程中 系统压力和物质的量 混合物的混合物的定压比热容定压比热容和和导热系数导热系数保保 持不变 且路易斯数持不变 且路易斯数 两个区域两个区域 预热区和反应区 在预热区和反应区 在 预热区内忽略化学反应的影响 在预热区内忽略化学反应的影响 在 化学反应区忽略混气本身热焓的增化学反应区忽略混气本身热焓的增 加 即认为着火温度与绝热火焰温加 即认为着火温度与绝热火焰温 度近似相等 度近似相等 分区思想分区思想 火焰传播取决于火焰传播取决于反应区放热反应区放热及其及其向向 新鲜混气的热传导 新鲜混气的热传导 1 e L 9 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 连续方程 uuuu Sm 动量方程 p 能量方程 unpR dTddT CRRH dxdxdx 对于一维带化学反应的定常层流流动基本方程为 constant 混气本身热焓的混气本身热焓的 变化变化 对流项对流项 传导的热流传导的热流 扩散项扩散项 化学反应化学反应 生热量生热量 10 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 把火焰分成把火焰分成预热区预热区和和反应区反应区 根据根据分区近似解法分区近似解法 0 0 u b xTTdT dx xTTdT dx 能量方程中的边界条件如下 能量方程中的边界条件如下 未燃气体 未燃气体 平衡时已燃气体 平衡时已燃气体 11 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 0 uup c dT dxddT dxdx tan pp ccconst u TT 0 dxdT 从冷边界到从冷边界到xi积分积分 气体冷边界条件气体冷边界条件 以及以及 iuupiu dT dxxc TT 在预热区 在预热区 假设假设RR 0 0 npR dTddT C dxd R xdx Rh 物理解释物理解释 来自已燃气体的导 来自已燃气体的导 热通量对预热区未燃气体混合热通量对预热区未燃气体混合 物进行物进行 预热预热 将其温度从 将其温度从T Tu u 提高到提高到T Ti i 12 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 在在反应区反应区 能量的对流通量 能量的对流通量 源自温差源自温差 比扩散通量小 因而可以忽略对流项比扩散通量小 因而可以忽略对流项 从式中 i ii x xxTTdT dxdT dx 0 到式中积分 i xTTdT dx 1 2 2 b i i T R x T dT dxHRRdT R ddT dxdxRRH 0 Rnp dddT C dx T RRh dxdx 忽略对流项忽略对流项 物理解释 物理解释 在反应区流出的 经热传导在反应区流出的 经热传导 进入预热区的能量扩散通量等于化学反进入预热区的能量扩散通量等于化学反 应释放的热量 应释放的热量 13 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 1 2 2 b i T uupiuR T S c TThRRdT 在在x xi处 处 可求出层流火焰传播速度可求出层流火焰传播速度 u S 1 2 21 b i T R u upupiuiu T h SRRdT cc TTTT pT cD 0 i TTRR 令 uuiuip c TdT dxxT 1 2 2 b i i x T R T HRRddTxTd 热扩散系数 假设当 14 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 可以看成是反应区中平均反应速率可以看成是反应区中平均反应速率 1 2 T 2 D 1 b i R u up T uiuiT RRd h TT S c TT T 对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal mol Ti略小于略小于Tb 于是 于是 1 b i T iu T RRdTRR TT 1 2 T 2 D u upu R i SR c TT h R 15 5层流预混火焰的传播速度层流预混火焰的传播速度 由图中火焰面前后总的能量平衡关系 得由图中火焰面前后总的