第五章 火焰传播与气体燃料燃烧

.,第五章火焰传播与气体燃料燃烧,.,第一节火焰传播的基本概念,一、火焰传播以气体燃料燃烧为例，介绍火焰传播的基本概念。,.,已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，化学反应发光区为火焰前沿（或称为火焰锋面）。如图所示。,.,火焰传播速度，指燃料燃烧的火焰锋面在法线方向上的移动速度。,.,二、火焰传播的形式如果在静止的可燃混合气中某处发生了化学反应，则随着时间的进展，此反应将在混合气中传播，根据反应机理的不同，稳定的火焰传播可划分为正常传播（或称为缓燃）和爆燃两种形式。,.,火焰正常传播是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，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。,.,而爆燃传播不是通过传热和传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混合气推进。,.,根据燃料气流的流动类型，火焰正常传播又可分为层流火焰传播和紊流火焰传播两种形式。,.,当火焰传播过程中可燃混合气处于紊流状态时，称为紊流火焰传播。,.,层流火焰传播为缓慢燃烧火焰传播，依靠导热或扩散使未燃气体混合物温度升高，火焰一层一层依次向未燃部分传播。紊流火焰传播速度较快，在200cm/s以上。一般工业技术的燃烧都属于紊流火焰传播。,.,电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播正常情况下为缓慢燃烧的紊流火焰传播。可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去。火焰传播速度约13m/s。如果燃烧工况不好，比如燃烧不完全，会有可燃物质在炉膛内聚集，当未燃混合物数量增多到某一浓度时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆炸性燃烧。,.,第二节层流火焰传播,一、层流火焰传播机理大量实验表明，层流火焰结构大体如下图所示。假设火焰为平面，其表面与管子轴线垂直。为方便起见，假定火焰前沿驻定不动，而混合气体以层流火焰传播速度uL流入管内，初始参数浓度为Y-，温度T-，密度-，压力p-。化学反应速率为w。,.,.,薄层有以下特点：（1）在火焰前沿厚度的很大一部分,化学反应速率很小。化学反应主要集中在很窄的区域（）中进行，厚度为lc，称为化学反应区。,.,（2）由于火焰前沿的厚度很小，但温度和浓度的变化却很大，因而在火焰前沿中出现了很大的浓度梯度及温度梯度。,.,二、层流火焰传播速度称为层流火焰传播方程。解该方程组需要边界条件。,.,一般火焰正常传播速度的数量级是1100cm/s。火焰传播速度与化学反应速率的平方根成比例。,.,三、影响层流火焰传播速度的因素1、热扩散率2、压力3、初始温度4、理论燃烧温度5、过量空气系数,.,.,图5-4初温对火焰传播速度的影响图5-5初温对不同燃料火焰传播速度的影响,.,图5-6燃烧温度对传播速度的影响图5-7混合气中H原子浓度对传播速度的影响,.,图5-8过量空气系数对火焰传播速度的影响,.,表5-1几种气体在与空气混合时的火焰传播浓度极限（在0.1MPa，20时）,.,第三节紊流火焰传播,紊流火焰传播受可燃混气湍动的强烈影响。,.,一、紊流火焰传播机理借用层流火焰锋面的概念，在火焰和未燃气体的分界，近似认为存在一个几何面，也称之为火焰锋面。,.,图5-9紊流火焰示意图a）小尺度紊流火焰b）大尺度弱紊流火焰c）大尺度强紊流火焰,.,将微团的脉动速度w与层流火焰传播速度uL比较，如果wuL，则称为大尺度强紊流火焰；反之，称为大尺度弱紊流火焰。,.,二、紊流火焰传播速度,.,1、紊流火焰的表面理论在2300Re6000范围内，紊流为小尺度的。,.,.,对于大尺度弱湍动的火焰，wuLuTuLw大尺度强湍动：,.,2、紊流火焰的容积理论,.,容积理论认为，在大尺度强湍动下燃烧的气体微团中，并不存在把未燃气体和已燃气体或燃烧产物截然分开的正常火焰锋面，燃烧反应也不是仅仅发生在火焰锋面厚度之内。,.,三、影响紊流火焰传播速度的因素,.,图5-11Re数对紊流火焰传播速度的影响图5-12管流的Re数,.,第四节气体燃料层流燃烧,.,图5-13可燃气体与空气不同混合方式的火焰形状,.,第一种为预混火焰，如图5-13中（a）所示。可燃气体通过燃烧器喷口喷入炉膛，如果燃料进入炉膛前先和燃烧所需的全部空气预先混和好，这种火焰就称为预混火焰，也称动力燃烧火焰，属于动力控制燃烧。预混火焰的燃烧温度高，燃烧强烈，燃烧完全，无黑烟，火焰呈淡蓝色，燃烧过程短。火焰中呈氧化性气氛。但易回火、脱火，稳定性较差。,.,第二种为扩散火焰，如图5-13中（c）所示。如果燃料不和空气混和，进入炉膛后再混和，这种火焰则称为扩散火焰，燃烧所需空气由周围空间的空气扩散供应，属于扩散控制燃烧。扩散火焰的燃烧温度低，燃烧不强烈，燃烧不完全，冒黑烟，火焰呈明亮的黄色，燃烧过程长，即火焰最长。火焰中呈还原性气氛。但其不会回火、也不易脱火，燃烧稳定。,.,第三种为部分预混火焰，如图5-13中（b）所示。如果燃料和部分空气混和后进入炉膛，这种火焰称为部分预混火焰，有内外两个火焰锋面。内火焰由预混的部分空气和部分燃料燃烧形成，外火焰由剩余燃料和外部扩散进来的空气燃烧形成。部分预混火焰也由扩散控制。其特点介于预混火焰和扩散火焰之间。,.,在锅炉设备中广泛采用扩散燃烧，保证火焰稳定，并且往往利用人工的扰动和涡流的方法来加速可燃物和空气的混合过程，强化燃烧。,.,一、可燃预混气的动力燃烧在层流运动工况下，化学均匀的可燃气体混合物的火焰形状（即动力火炬的形状）如图5-14所示，可作如下的分析：,图5-14动力燃烧火焰形状,.,管内任一截面上混合物的流动速度w分布规律：,.,.,二、可燃气体的扩散燃烧在层流工况下，混合过程是纯粹依靠分子热运动的分子扩散；而在紊流工况下，混合过程主要依靠微团扰动的紊流扩散。,.,扩散形式的火焰也可以在气体燃料和部分空气均匀混合后由燃烧器送入炉膛内进行燃烧而形成，其完全燃烧所不够的空气则从火焰的外界依靠扩散来供给。,.,图5-15扩散燃烧火焰形状1空气过剩时；2可燃气体过剩时,.,气体可燃物及空气分别在管径为R1的内管和管径为R2的外管中作层流流动，内、外管系同心的，这样管径为R2的外管一方面可看为供给空气的“炉膛”，另一方面它限制了火焰向外扩散。,.,在紊流流动工况下，扩散燃烧的火焰核心的长度同样随气体流速及燃烧器管径的增加而增加。不论气体的流动工况为层流或为紊流，在化学非均匀的扩散燃烧过程中，其火焰的性质在很大程度上取决于气体的空气动力特性和混合过程的物理因素，而火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。,.,三、火焰稳定原理要求燃烧设备中的火焰保持稳定，火焰锋面稳定在一定的位置。,.,.,图5-17煤气本生灯的特性1回火区；2脱火区；3火焰明亮，呈黄色。1k一次风过量空气系数；w流速,.,第五节气体燃料紊流燃烧,工程燃烧设备一般容量较大，燃料消耗量多，因此燃料气流流速较高，实际燃烧过程基本都属于紊流燃烧过程。目前的紊流燃烧研究，以理论模型研究为主。,.,经典的紊流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论；紊流燃烧模型方法，是以计算紊流燃烧速率为目标的紊流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括最新发展的几率分布函数的输运方程模型和ESCIMO紊流燃烧理论。第一类理论模型在讨论紊流火焰传播速度时已进行了介绍，本节主要介绍第二类紊流燃烧模型。,.,一、紊流燃烧时均反应速率与混合分数模型1、时均反应速率如前所述，对于简单的一步化学反应，反应速率可由阿累尼乌斯公式表示。此公式对于层流火焰是适用的。然而，当流动变为紊流后，温度、反应物浓度都将随时间和空间而脉动，此时，阿累尼乌斯公式只是描述了反应速率的瞬时值。,.,（1）化学反应时间尺度紊流时间尺度此时，化学反应时间尺度tr比紊流时间尺度tT大得多，也就是说化学反应相对于局部紊流的变化是非常慢的。此时，当紊流脉动相对较小时，那么紊流脉动对反应速率的影响可以忽略。此时，时均反应速率为：,.,（2）化学反应时间尺度紊流时间尺度这种类型的火焰在燃烧过程中是常见的，即称为快速反应。从总体来说，化学反应是快的，是可以认为处于局部瞬态平衡。在这类火焰中，紊流混合过程是控制反应速率的过程。反应在反应物混合的瞬间即达到平衡。对于这些情况，可以用守恒量或叫混合分数来判别某处的“混合程度”。这种守恒量是局部瞬态当量比的一种度量，并且在瞬态守恒量和瞬态化学性质之间（例如组分、温度和密度）存在着唯一的函数关系。,.,（3）化学反应时间尺度紊流时间尺度对于此种情形，被称为有限速率反应。化学动力学与紊流脉动两者必须被结合起来考虑。应该说这是在化学反应中常见的情形。这类化学反应是最复杂且是研究最缺乏的，对于这种类型的燃烧情况需要进一步研究。,.,2、守恒量和混合分数一般地，满足能量、质量、动量和组分守恒的微分方程称为守恒方程。在数学上，满足无源守恒方程的因变量通常被称为守恒量。守恒量的概念在紊流燃烧研究中十分重要。,.,图5-18两股流体混合过程示意图,.,考察如图5-18所示的理想化的燃烧室。燃料fu和氧化剂ox分别以质量流率f和（1-f）流入，混合物M以质量流率1流出。则在此过程中，任何一个无源、无汇的外延变量均满足关系式：,.,组合变量f遵守的方程：,.,二、紊流扩散火焰的k-g模型层流扩散火焰的特点是化学反应速率大大超过燃料和氧化剂之间混合的速率。实验表明，在分析紊流火焰时，仅考虑紊流的输运特性是不够的，必须考虑紊流的脉动特性对火焰的影响。在实验中，还发现燃料和氧化剂在局部可以共存，这一点却与快速反应模型相矛盾。,.,斯帕尔丁提出并发展了紊流扩散火焰的k-g模型，其要点是：（1）用k-双方程模型模拟紊流输运；（2）采用简单化学反应系统和快速反应假定；（3）建立以g为因变量的控制方程；（4）假设混合分数f的概率密度分布函数P(f)，解微分方程；（5）求燃料及氧的质量分数；（6）求滞止焓。,.,该模型的关键是如何求解P(f)，目前的方法有三种，即：从对紊流脉动的认识出发，人为地指定一种P(f)。建立、模化并求解以P(f)为因变量的微分方程，即PDF模型。根据ESCIMO理论计算出P(f)。,.,三、紊流预混火焰模型层流预混火焰以uL的传播速度向未燃气传播，其数值只与可燃气体的物理化学性质有关。而紊流火焰传播速度uT则不仅是物理化学性质的函数，而且还与流动状态有关，此时，火焰锋面强烈脉动，无法观察到单一连续的火焰锋面，燃烧是在一定的空间进行，成“容积燃烧”的状况。,.,1、旋涡破碎模型（EBU）最简单的紊流预混火焰模型就是斯帕尔丁提出的旋涡破碎模型（eddy-break-upmodel），简称EBU模型。它的基本思想是：把紊流燃烧区考虑成未燃气微团和已燃气微团的混合物，化学反应在这两种微团的交界面上发生，认为化学反应速率取决于未燃气微团在紊流作用下破碎成更小的微团，破碎速率与紊流脉动动能的衰减速度成正比。,.,旋涡破碎模型给出的计算二维边界层问题紊流燃烧速率的公式为：,.,2、拉切滑模型旋涡破碎模型在关于流动对燃烧速度的控制作用方面，给出了简单的计算公式，并为紊流燃烧过程的数值模拟开辟了道路。但该模型未能考虑分子输运和化学动力学因素的作用，因此它只适用于高紊流预混燃烧过程。,.,该模型导出的二维紊流预混燃烧的速率公式为：,式中：为流体层厚度，下标u和b分别表示未燃气团和已燃气团。,.,四、概率密度函数输运方程模型随着燃烧过程的实验研究和对紊流问题的深入了解，人们开始意识到因变量的概率分布形式是不同的，即使在同一个紊流场内，在不同区域、各个因变量的概率分布函数也不同。概率分布函数PDF本身也是一个受输运方程控制的因变量。有研究者先导出了速度的联合PDF的输运方程。后来，有人导出了各组分标量的联合PDF的输运方程。其突出的优点是其处理非线性化学反应十分方便。,.,单变量的概率密度函数输运方程为：,.,五、ESCIMO紊流燃烧理论斯帕尔丁与合作者在发展了旋涡破碎模型和拉切滑模型的基础上，继续对紊流燃烧进行物理描述，抛开对精确的输运方程的无谓的推导和模化的追求，发展了所谓的ESCIMO紊流燃烧模型。,.,ESCIMO各字母的含义：E，Engulfment：卷吞，大尺度紊流作用下，一种流体被另一流体卷吞的过程；S，Stretching：拉伸，叠在一起的流体层在拉伸作用下长度增加，厚度小；C，