《消防燃烧学》第十章____燃烧传播过程.ppt

1 第十章燃烧传播过程 燃烧前沿面的概念及其传播机理层流火焰传播湍流火焰传播 1 2 第一节燃烧前沿面的概念及其传播机理 3 4 火焰前沿 正在进行激烈发光反应的气体薄层 也称燃烧前沿 缓燃火焰传播机理 依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高 并进入反应区而引起化学反应 导致火焰传播 也称正常火焰传播 燃烧面前后气体的压力近似不变 可视为等压过程 亚音速传播爆震火焰传播机理 传播不是通过传热 传质发生的 它是依靠气体膨胀引起的压力波的作用 使燃烧前沿不断向未燃混合气中推进 也称爆轰超音速传播 火焰面与有压力突越的激波面重合 第一节燃烧前沿面的概念及其传播机理 5 第一节燃烧前沿面的概念及其传播机理 1 如果 则燃烧前沿向着气流上游方向 向左 移动 2 如果 则燃烧前沿向着气流下游方向 向左 移动 3 如果 则燃烧前沿向着气流便驻定不动 上述平整的燃烧前沿只是对层流或静止气流才能得到 紊流 湍流 时燃烧前言将是紊乱的 曲折的 2 火焰传播速度 6 3 层流传播速度及紊流传播速度 层流传播速度层流下燃烧前沿的传播速度 沿法线方向 称为 正常传播速度 或 层流传播速度 燃烧前沿为平整形状 紊流传播速度紊流下的传播速度称为 紊流传播速度 也称为 实际传播速度 燃烧前沿紊乱 曲折 层流火焰的研究仍然是燃烧理论的中心问题 第一节燃烧前沿面的概念及其传播机理 7 7 燃烧前沿面的概念及其传播机理层流火焰传播湍流火焰传播 第十章燃烧传播过程 8 8 第二节层流火焰传播 层流传播理论概述燃烧前沿正常传播速度的描述基于层流火焰传播理论 目前存在3个理论热理论 热传导控制火焰传播扩散理论 链载体的逆向扩散控制火焰传播综合理论 热传导和活性中心扩散共同控制实际火焰传播过程更符合综合理论描述燃烧前沿的质量扩散方程与热扩散方程相似 可用温度变化反应浓度变化 用求解导热方程分析燃烧前沿的性质 可简化问题 9 9 层流火焰传播速度的推导速度推导依据是苏联泽尔多维奇等人提出的热理论基本思想 若由 区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度TB 则火焰就能保持温度的传播 x 假设条件 流动是平面一维的 系统绝热 忽视辐射传热 火焰只用于加热气体 化学反应只在反应区进行 反应区内温度均匀 第二节层流火焰传播 10 10 取单元体积 单位面积上 厚度为dx 1 化学反应热2 由下游 x dx 传入单元体热量傅立叶定律 指出了导热热量与导热面积和温度梯度之间的关系 即在导热现象中 单位时间内通过给定面积的热量正比于该处垂直于导热方向的截面积及其温度梯度 表示为 第二节层流火焰传播 11 11 3 由单元体向上游边界传出的热量4 单元体升温消耗热量 根据热量平衡 燃烧前沿导热微分方程 第二节层流火焰传播 12 12 层流火焰传播速度在反应区内 由于反应很激烈 忽略温度梯度 因此 能量方程中的反应区升温消耗的热量可忽略 能量方程为 第二节层流火焰传播 正常传播速度近似表达式 13 第二节层流火焰传播 层流火焰传播速度的影响因素 实际中 一般是通过实验方法测定燃烧前沿正常传播速度的 14 14 第二节层流火焰传播 15 第二节层流火焰传播 16 16 第二节层流火焰传播 17 第二节层流火焰传播 18 第二节层流火焰传播 19 20 第十章燃烧传播过程 燃烧前沿面的概念及其传播机理层流火焰传播湍流火焰传播 20 21 第三节湍流火焰传播 1 湍流火焰现象 紊流燃烧前沿面 把焰面视为一未燃气与已燃气之间的宏观整体分界面紊流燃烧前沿传播速度 指紊流燃烧前沿法向相对于新鲜可燃气运动的速度 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 22 2 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 第三节湍流火焰传播 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心的传输 使反应速率增加 即燃烧速率增加 3 湍流加快了新鲜氧气和燃气之间的混合 缩短了混合时间 提高了燃烧速度 23 第三节湍流火焰传播 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 Sl 层流火焰传播速度 为强湍流 反之为弱湍流 24 第三节湍流火焰传播 3 湍流火焰传播机理 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 25 第三节湍流火焰传播 三种湍流火焰 26 c 微团之间相互作用 或形成新的微团 或者着火燃烧 第三节湍流火焰传播 27 第三节湍流火焰传播 4 湍流火焰传播速度的实验研究可燃混合物浓度的影响 与层流相似 存在前沿传播的浓度界限和最大传播速度Re的影响 Re越大 最大传播速度越大 气流速度增加 最大传播速度显著增加可燃混合物的初始温度 初始温度越高 传播速度越大改善实际燃烧性能的方法 使用层流燃烧传播速度大的可燃预混气提高紊流强度提高混合