第五章火焰传播与火焰稳定.ppt

第六章火焰传播与火焰稳定 5 1层流火焰传播5 2湍流火焰传播5 3本生灯燃烧过程及其火焰稳定5 4高速气流中稳定火焰 根据气流流动情况 预混气中火焰传播分为 层流火焰传播 层流燃烧 湍流火焰传播 湍流燃烧 根据反应机理及火焰传播速度可分为 缓燃 deflagration 爆震 detonation 缓燃与爆震的区别 本章只讨论缓燃 不涉及爆震 第一节层流火焰传播 一 火焰传播的概念 火焰波 燃烧波 在充满均匀的可燃混气的容器中心用电火花点燃时 火焰像波一样从中心向四周传播 称为火焰波或燃烧波 一 火焰传播的概念 火焰传播速度 火焰前锋沿其法线方向朝新鲜混气传播的速度 用ul表示 火焰前锋 未燃气体和已燃气体的分界面即为火焰锋面 亦称火焰前沿 前锋 常压条件下火焰前锋的厚度 10 2 10 1mm 二 层流火焰的内部结构及其传播机理 将火焰锋面可分为两部分 反应区R R 预热区P P 设 u0 ul 则火焰锋面驻定 二 层流火焰的内部结构及其传播机理 层流火焰传播的机理有三种理论 热理论 认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区域的热传导 扩散理论 认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素 综合理论 认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响 三 层流火焰传播速度 连续方程 P 常数 对于一维带化学反应的定常层流流动 其基本方程为 动量方程 能量方程 绝热条件下 火焰的边界条件为 三 层流火焰传播速度 把火焰分成预热区与反应区 在预热区中忽略化学反应的影响 而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项 分区近似解法 预热区 能量方程 边界条件 三 层流火焰传播速度 反应区 能量方程 边界条件 又 三 层流火焰传播速度 反应区 预热区 能量方程 边界条件 三 层流火焰传播速度 三 层流火焰传播速度 引入导温系数 化学反应时间 层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比 与反应时间的平方根成反比 也就是说 ul是可燃混气的一个物理化学常数 三 层流火焰传播速度 四 影响层流火焰传播速度的因素 火焰前锋的厚度 火焰厚度与导温系数成正比 与层流火焰传播速度成反比 四 影响层流火焰传播速度的因素 压力的影响 一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1 5 2 因此 即压力对火焰传播速度的影响较小 v 0 0 25 四 影响层流火焰传播速度的因素 压力的影响 压力下降 火焰厚度增加 当压力降到很低时 可以使 增大到几十毫米 火焰越厚 火焰向管壁散热量越大 从而使得燃烧温度降低 b 1 0 0 75 四 影响层流火焰传播速度的因素 温度的影响 温度增加 火焰传播速度增加 C 1 5 2 因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多 因此温度对火焰厚度的影响不大 四 影响层流火焰传播速度的因素 混气成分的影响 存在一个最佳混气成分 这时火焰传播速度最大 对每一种混气 都存在一个火焰传播的浓度界限 当混气太贫或太富时 火焰就不能传播 四 影响层流火焰传播速度的因素 混气性质的影响 导温系数增加 活化能减少或火焰温度增加时 火焰传播速度增大 四 影响层流火焰传播速度的因素 淬熄距离 当管径或容器尺寸小到某个临界值时 由于火焰单位容积的散热量太大 生热量不足 火焰便不能传播 这个临界管径叫淬熄距离 淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比 四 影响层流火焰传播速度的因素 淬熄距离 温度对淬熄距离的影响 压力对淬熄距离的影响 四 影响层流火焰传播速度的因素 火焰在管中淬熄有两种原因 管径减小 火焰区单位容积的表面积增大 因而通过管壁的散热率增大 管径减小 火焰传播时活性中间产物碰壁销毁的机率增大 淬熄距离 第二节湍流火焰传播 一 湍流火焰的特点 火焰长度缩短 焰锋变宽 并有明显的噪声 焰锋不再是光滑的表面 而是抖动的粗糙表面 火焰传播快 湍流火焰 火焰锋面光滑 焰锋厚度很薄 火焰传播速度小 层流火焰 一 湍流火焰的特点 湍流火焰传播速度较层流大几倍 不仅与燃料的物理化学性质有关 而且与湍流性质有关 湍流强度增大 将使湍流火焰传播速度增加 火焰更短 燃烧室尺寸更紧凑 加上向外散热损失小 因此燃烧设备的经济性好 湍流火焰伴随着噪音 湍流火焰的燃烧产物内氧化氮 NO 含量少 因而对环境的污染小 一 湍流火焰的特点 湍流火焰比层流火焰传播快的原因 1 湍流流动使火焰变形 火焰表面积增加 因而增大了反应区 2 湍流加速了热量和活性中间产物的传输 使反应速率增加 即燃烧速率增加 3 湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合 缩短了混合时间 提高了燃烧速度 一 湍流火焰的特点 湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的 湍流火焰传播理论主要有两种 1 皱折表面理论 邓克尔和谢尔金 2 容积燃烧理论 萨默菲尔德和谢京科夫 一 湍流火焰的特点 湍流特性参数 流体微团的平均脉动速度与主流速度之比 在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸 或湍流微团在消失前所经过的平均距离 湍流尺度l 湍流强度 若l 层流焰面厚度 为小尺度湍流 反之为大尺度湍流 若u ul 层流火焰传播速度 为强湍流 反之为弱湍流 二 湍流火焰传播速度 三种湍流火焰模型 小尺度强湍流 大尺度弱湍流 大尺度强湍流 二 湍流火焰传播速度 小尺度强湍流 湍流锋面不发生皱折 但由于湍流增加了传质而使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快 湍流导温系数 可推得湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等于两者传输率之比的平方根 二 湍流火焰传播速度 小尺度强湍流 小尺度湍流情况下 湍流火焰传播速度不仅与可燃混气的物理化学性质有关 即与ul成正比 还与流动特性有关 即与Re1 2有关 二 湍流火焰传播速度 大尺度弱湍流 由于湍流脉动 火焰发生皱折 但由于脉动速度小于正常火焰传播速度 锋面仍然是连续的 可以把湍流焰锋看成由很多小的层流火焰锥组成 则 二 湍流火焰传播速度 大尺度弱湍流 如果湍流微团在锥形表面上的燃烧速度仍然是 则 锥体高度 微团存在的时间 由于大尺度湍流火焰锋的表面积比层流火焰锋的表面积大 所以大尺度湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度大 这就是湍流火焰的表面传播的表面理论 二 湍流火焰传播速度 大尺度强湍流 湍流强度很大时 湍流火焰传播速度与化学动力学因素无关 只取决于脉动速度的大小 二 湍流火焰传播速度 脉动速度 层流火焰传播速度及混气浓度是影响湍流火焰传播速度的主要因素 经验公式 第三节本生灯燃烧过程及其火焰稳定 一 本生灯的燃烧过程 右图为本生灯简图 燃烧所需的空气可全部从底部供入 也可在管口下游通过射流的引射获取 或两者兼有 这时火焰分外焰与内焰两部分 内焰 预混火焰外焰 扩散火焰 一 本生灯的燃烧过程 直管形 收缩管形 火焰顶端呈圆形 火焰底部不和喷嘴出口相重合 存在向外突出的一个区域以及靠近壁面处有一段无火焰区域 火焰形状接近正圆锥形 火焰的几何形状 一 本生灯的燃烧过程 脱火或吹灭 增加混气流速 火焰锥变长 流速进一步加大时 火焰锥会被吹灭即脱火 回火 混气流速减小时 火焰锥变短 当流速减小时 则会发生回火 气流速度不同时的三种工况 稳定 混气流速恰当时火焰挂在管口上 二 本生灯火焰的稳定 一维管流的火焰稳定条件 一维管流的火焰稳定条件 混气速度等于火焰传播速度 二 本生灯火焰的稳定 锥形火焰的稳定条件 为火焰锋面 法向稳定条件 余弦定律 切向稳定条件 有一个稳定的点火源 锥形火焰稳定条件 1 余弦定律 2 稳定的点火源 二 本生灯火焰的稳定 锥形火焰的稳定条件 气流流速增大 气流流速减小 二 本生灯火焰的稳定 本生灯火焰稳定分析 本生灯火焰根部有一环形平面火焰 起着固定点火源的作用 称之为点火环 点火环形成的原因及作用分析 点火环形成的原因是由于靠近射流壁面附近气流速度及火焰传播速度分布不均匀的缘故 第四节高速混气流中火焰稳定 一 回流区的建立 冷吹时 回流区长度约1 5H 燃烧时回流区长度约为6H H为V型稳定器尾槽宽 一 回流区的建立 四心 四区 上涡心 下涡心 前死心 后死心顺流区 逆流区 前死区 后死区 二 回流区稳定火焰的机理 三 影响回流区稳定火焰的因素 燃烧的影响 三 影响回流区稳定火焰的因素 燃烧的影响 三 影响回流区稳定火焰的因素 四 回流区稳定火焰的界限 临界火焰吹熄速度uB 引起吹熄的临界气流速度 影响火焰稳定界限的因素 燃料性质 可燃混合气成分 可燃混合气流速及湍流强度 可燃混合气的温度 钝体形状 尺寸 温度 燃烧室压力和温度等 钝体直径1 17逐渐减小 四 回流区稳定火焰的界限 主流速度和湍流程度的影响 气流速度增大 将缩小火焰稳定界限 增大钝体前主流的湍流程度将减小火焰的稳定性 其原因是湍流影响边界层内速度的稳定性 四 回流区稳定火焰的界限 燃烧室形状与尺寸的影响 阻塞比较小时 增加阻塞比可以增加火焰稳定界限 但过份增大阻塞比 稳定界限反而下降 存在最佳阻塞比 加长燃烧室将会缩小火焰稳定界限 声学效应的影响 增大噪声强度对火焰稳定性有不利的影响 五 回流区稳定火焰理论 能量理论 混气是受到回流区高温燃气的加热 达到着火温度