《层流预混火焰传播》ppt课件

1、影响层流火焰传播速度的要素影响层流火焰传播速度的要素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)根本概念根本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定6.1 根本概念 一、预混(动力)熄灭和非预混(分散)熄灭rm m 分散熄灭分散熄灭: :非预混非预混Diffusion Diffusion rm r 动力熄灭动力熄灭: :预混预混PremixedPremixed 动力分散熄灭动力分散熄灭: :mrm ）（chrph二、火焰传播速度即挪动速度二、火焰传播速度即挪动速度, ,只需预混气才只需预混气才有此概念有此概念nd nt + d tt已燃气已燃气未燃气

2、未燃气三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。 ( (矢量方式矢量方式) ) lLudnuSSdt ppnuwu 四、火焰构造层流预混火焰坐标系 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.010.010.10.1 毫米左右的狭窄区域毫米左右的狭窄区域 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化地变化( (极大的浓度和温度梯度极大的浓度和温度梯度) )。一维层流火焰构造一维层流火焰构造大多数研讨者以温度变化曲线上的拐点大多数研讨者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火为分界点，把整个火焰

3、面划分为预热区焰面划分为预热区ph和反响区和反响区r22)()/(/uuuAmdvdP)(uuSu)/()/1 (dvdPu层流火焰速度层流火焰速度= =由于缓燃由于缓燃RayleighRayleigh线斜率比线斜率比爆震爆震RayleighRayleigh线斜率小得多，线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小所以缓燃速度比爆震速度小得多。得多。 Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度层线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度层流火焰速度有关。流火焰速度有关。五、经过火焰的压降常数udxud0/ )(0)/(/dxduudxdP1)/(1)/()()/(22buuuubuuubuu

4、uuuuuuPuuuuuxxuuP)/()/)(/)(/(/ubububbubuTTTTRRPP忽略粘性影响和体积力浮力，动量方程可写成：忽略粘性影响和体积力浮力，动量方程可写成：运用以上两个方程估算经过火焰的压力降，运用以上两个方程估算经过火焰的压力降，由理想气体形状方程，由理想气体形状方程，碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在在15-40cm/s15-40cm/s范围内。范围内。的典型值在的典型值在5-75-7范围内，范围内， 的典型值等于的典型值等于1)/(2ubuuTTuPubTT /u 33/101cmgP2650

5、.11/(1010)PN matm 由于反响物与产物的分子量近似一样，预期穿过火焰的由于反响物与产物的分子量近似一样，预期穿过火焰的压力降与温度添加相比是很小的，因此压力降与温度添加相比是很小的，因此。因此。因此的典型值为：的典型值为：因此，忽略经过火焰的压力降是很合理的。因此，忽略经过火焰的压力降是很合理的。 层流火焰特点火焰锋面很薄，通常只需火焰锋面很薄，通常只需0.010.010.1mm0.1mm层流火焰压力变化很小，可以以为是等压流动熄灭层流火焰压力变化很小，可以以为是等压流动熄灭过程过程层流火焰传播速度很低，层流火焰传播速度很低， 通常在通常在1m/s1m/s以下以下nppuwu绝对

6、速度绝对速度 气流速度气流速度相对速度相对速度nu影响层流火焰传播速度的要素影响层流火焰传播速度的要素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)根本概念根本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定6.2 一维层流预混火焰传播模型 一、层流火焰传播的热实际内容一、层流火焰传播的热实际内容pr层流火焰传播的热实际内容层流火焰传播的热实际内容二、层流火焰传播速度二、层流火焰传播速度UnUn确实定运用热实际确实定运用热实际延续方程延续方程 muvvn 000 动量方程动量方程 常常数数 p能量方程能量方程 0()()npRdTddTv CRRHdxdxdx

7、r rl l- -= =- - D D6.26.2 对于一维带化学反响的定常层流流动其根本方程为：对于一维带化学反响的定常层流流动其根本方程为： (2-29) 0/,(0/,(dxdTTTxdxdTTTxbu平衡时已燃气体）未燃气体）方程方程(6-2)中的边境条件如下：中的边境条件如下：0/ )/()/(dxdxdTddxdTcupuuppcc常数uTT 0/dxdT假设假设，对方程，对方程6-46-4从冷边境到从冷边境到xixi积分得：积分得：气体冷边境条件气体冷边境条件: :以及以及预热区：预热区：在预热区，假设在预热区，假设RR=0，能量方程，能量方程6-2变成：变成：6-4)()/(u

8、ipuuiTTcuxdxdT6-5方程方程6-56-5的物了解释是：来自已燃气体的导热的物了解释是：来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进展通量对预热区未燃气体混合物进展“预热，将其预热，将其温度从温度从TuTu提高到提高到TiTi。反响区：反响区： 在反响区，能量的对流通量源自温差比分散通量在反响区，能量的对流通量源自温差比分散通量小，因此可以忽略对流项，能量方程小，因此可以忽略对流项，能量方程6-2变成：变成：Rd( dT / dx ) / dxRR(H) (/)iiixxxTTdT dxdT dx 式式中中；(;/0)ixTTdT dx 式式中中将以上方程从将以上方程从biiTR

9、xTdT dxHRRdT 1/2(/)26-6到到1/2() 2biTuupiuRTS c TTHRRdT uS1/2(/) (2)/()1/()biTuupRupiuiuTScHc TTTTRRdT /pTcD 0iTTRR ，1/2 (2)/()1/()biTuRupiuTiuTSHcTTDTTRRdT 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，1/()biTiuTTTRRdT _RR,()()()()/1/fRpbuuf uRupbuRupbuf uumHmc TTwHc TTHcTTw或或（）（）1/2,2()TLf uuDSRR

10、w 6-8b LSTDLS1/2,2TLf uuDSRRw TDRR/2x KTTTTbub1770)(21(212260 ,300 ,baduTTK TK= = = =x,1(0)0.06015/20.03012ff uww= =+ += = =of uww2,10.2331(1)00.10952= =- -+ += = 220.11.65383821.750.11.65,( )() ()Ofr fr Od C HRRk C HOdtwwk TMMr r= = = - -= = - -式中kmolkTmskmolms90.753950.7531509814.836*10 exp()()150

11、9814.836*10 exp()9.55*10 ()1770- - - -= =- -= = =31013250.1997/(/)(8315/29)1770urPkg mRM Tr r= = = =RRkmol smkg sm51.750.11.65330.03010.10959.55 10 (0.1997)()()44322.439/2.439*44107.3/= -= -= -= -= -= -= -= -/auERARR( )( )TupTDCTl lr r= =( () )112802buTTTK= =+ += =520.08095.89 10/1.16 1186TDms- -= =

12、 = 5_1/21/2,5.89*10*107.32()2*0.425/42.5/1*1.1615.6251TLf uuDSRRm scm swr r- -= = = = =+ +TDRR影响层流火焰传播速度的要素影响层流火焰传播速度的要素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)根本概念根本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定 燃燃 料料氧化剂氧化剂SLSLcm/s)cm/s)着火极限余气系数着火极限余气系数贫油富油汽油汽油空气空气45451.61.60.250.25煤油煤油空气空气36361.81.80.230.23甲烷甲烷CH4CH4空气

13、空气37375.05.00.540.54乙炔乙炔C2H2C2H2空气空气3.283.280.0210.021氢氢H2H2空气空气25025010.110.10.1410.141氢氢H2H2氧气氧气12001200以以及及式式中中atmPKTKTrefrefuu1;298;350, 22,)(MMrefLBBS )/()/(,refrefuurefLLPPTTSS MB2BM ,M MB,2B ,)1(22. 016. 0)1(8 . 018. 2 氢氢-空气的层流火焰速度空气的层流火焰速度甲烷甲烷-空气的层流火焰速度空气的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系插图表示化学恰当比的

14、火焰速度与压力的关系烷烃最大火焰速度在稍富的混合物=1.1 烃烃-空气的层流火焰速度空气的层流火焰速度对于乙烯和乙炔，最大火焰速度分别为对于乙烯和乙炔，最大火焰速度分别为=1.2=1.2和和=1.4=1.4处处 乙炔的最大火焰速度为乙炔的最大火焰速度为160 cm/sec160 cm/sec丙烷丙烷-空气混合物的层流火焰速度空气混合物的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系烷烃最大火焰速度在稍富的混合物烷烃最大火焰速度在稍富的混合物=1.1处处 惰性物质或添加剂的影响：惰性物质或添加剂的影响： 大量实验证明，惰性物质的大量实验证明，惰性物质

15、的参与，将使火焰传播速度降低，参与，将使火焰传播速度降低，可燃界限减少，以及使最大的可燃界限减少，以及使最大的火焰传播速度值向燃料浓度较火焰传播速度值向燃料浓度较少的方向挪动。少的方向挪动。甲烷-氧-氮混合物火焰速度 当氧化剂中氧的摩当氧化剂中氧的摩尔分数添加时，火焰速尔分数添加时，火焰速度添加。随着氧化剂中度添加。随着氧化剂中氧的摩尔分数添加，反氧的摩尔分数添加，反响速率经过氧的密度和响速率经过氧的密度和反响温度添加而添加。反响温度添加而添加。 vnpu/1 一级反响，压力添加，层流火焰传播速度下降；一级反响，压力添加，层流火焰传播速度下降；二级反响，与压力无关。二级反响，与压力无关。nuu

16、RRkwERT_() exp(/)r r= = - - -/pRTr r= =nnuuLupmQkwERTSpCTT12(2)/ 2220() exp(/)()()l lr rr r- - -= =- -CnTu00TmTnunupudlq/常常数数 淬熄间隔淬熄间隔 ：当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火：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，生热量缺乏，火焰焰单位容积的散热量太大，生热量缺乏，火焰 便不能传播。这个临界管径叫淬熄间隔便不能传播。这个临界管径叫淬熄间隔 。 qdqd淬熄间隔与混气浓度的关系淬熄间隔与混气浓度的关系温度对淬熄间隔的影响温度对淬熄间

17、隔的影响影响层流火焰传播速度的要素影响层流火焰传播速度的要素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)根本概念根本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定火焰中温度和浓度梯度决议于火焰中温度和浓度梯度决议于火焰厚度，由于这些梯度支持火焰厚度，由于这些梯度支持火焰的分散过程。火焰的分散过程。1fupuTu(/c )( / S )D / S 6-13 火焰厚度和火焰传播速度是相火焰厚度和火焰传播速度是相互联络的互联络的,其定性关系可以从其定性关系可以从xi处的能量平衡求得。处的能量平衡求得。 ibufuupiu(dT / dx) x(TT )/S c

18、(TT ) (6-13)TD 丈量的大气压下预混甲烷丈量的大气压下预混甲烷- -空气火焰厚度与公式计算值比空气火焰厚度与公式计算值比较，模型计算值与实验值用化学恰当比混合物归一。较，模型计算值与实验值用化学恰当比混合物归一。与预热区厚度与预热区厚度反响区厚度反响区厚度)/()(/ubibphrTTTTr ph 6-146-14之比如下式所示：之比如下式所示：与预热区相比，反响区很薄火焰厚度与预热区相比，反响区很薄火焰厚度 f ph 21122211111nTfnnnLDpSpppp 6-166-161fupuTu(/c )( / S )D / S (1) 火焰厚度主要取决于它的火焰厚度主要取决

19、于它的 与与 值值 (2) 火焰厚度很薄仅非常之几或百分之几毫米火焰厚度很薄仅非常之几或百分之几毫米 在火焰厚度内完成了：在火焰厚度内完成了： 传热传热 分散分散 化学反响过程化学反响过程 火焰厚度内，温度火焰厚度内，温度浓度相差很大，有较大的温度梯度浓度相差很大，有较大的温度梯度 与浓度梯度，可以保证：与浓度梯度，可以保证： 热量很快从化学反响区传出热量很快从化学反响区传出 快速分散迅速供应反响区反响物快速分散迅速供应反响区反响物 保证火焰以一定的速度传播保证火焰以一定的速度传播TDuS例例6.3 在一个大气压力下，贫燃丙烷在一个大气压力下，贫燃丙烷-空气混合物中自在伸空气混合物中自在伸展的

20、绝热火焰传播速度为展的绝热火焰传播速度为30cm/s，火焰厚度为，火焰厚度为2mm。假。假设压力下降为设压力下降为0.25个大气压，求该混合物中自在伸展的绝个大气压，求该混合物中自在伸展的绝热火焰传播速度和火焰厚度？热火焰传播速度和火焰厚度？ 解： 142 20.250.2510.2510.2511.4142/nLLLatmatmLLatmatmSppSSSScm s 120.752 20.750.25110.250.252.82815.6nTfnLfffatmatmatmfatmpDppSpmm 影响层流火焰传播速度的要素影响层流火焰传播速度的要素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)根本概念根本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定一、火焰稳定的分类一、火焰稳定的分类l 低速气流下的火焰稳定，包括回火和吹熄问题低