层流预混火焰传播与稳定.PPT

1、1燃烧学6-层流预混火焰传播与稳定2n基本概念n一维层流预混火焰传播模型n影响层流火焰传播速度的因素（层流火焰传播速度数据）n火焰厚度n火焰稳定36.1 基本概念基本概念预混（动力）燃烧和非预混（扩散）燃烧预混（动力）燃烧和非预混（扩散）燃烧 燃烧燃料所需要的时间燃烧燃料所需要的时间= m+ r m燃料与空气混合时间；燃料与空气混合时间； r燃料反应时间燃料反应时间 扩散燃烧（非预混）扩散燃烧（非预混） m r; m 化学反应进行很快，燃烧的快慢化学反应进行很快，燃烧的快慢取决于混合扩散速取决于混合扩散速 度度，与化学反应速度关系不大，与化学反应速度关系不大 动力燃烧（预混）动力燃烧（预混）

2、m r; r 混合过程进行很快，燃烧的快慢混合过程进行很快，燃烧的快慢取决于化学反应速度取决于化学反应速度 （或化学动力因素（或化学动力因素） ，而与扩散过程关系不大，而与扩散过程关系不大 动力动力-扩散燃烧扩散燃烧 ：燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合：燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合 过程有关过程有关4二二 火焰传播速度（火焰传播速度（即移动速度，只有预混气才有此概念即移动速度，只有预混气才有此概念）火焰前锋：向新鲜混气传播的火焰前沿（薄薄的化学反应发光区，具有一定厚度，存在参数变化梯度）；火焰传播速度：火焰前锋沿法线向新鲜混气传播的速度（相对速度，即相对于未燃混气的速度）；

3、方向：从已燃气指向未燃气pppuwu三三 火焰传播类型：层流、湍流和爆震火焰传播类型：层流、湍流和爆震5四四 火焰结构火焰结构（1）通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01-0.1mm左右的狭窄区域；（2）此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧的变化（浓度与温度梯度极大）6大多数研究者以温度变化曲线上的拐点大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火焰面划分为分界点，把整个火焰面划分为为预热区预热区phph和和反应区反应区r r7五五 通过火焰的压降通过火焰的压降8对于稳态的一维燃烧波，质量守恒方程变为：对于稳态的一维燃烧波，质量守恒方程变为：d(u)/dx=0 u=常数常数忽略

4、粘性影响和体积力（浮力、重力），动量方程可以写作：忽略粘性影响和体积力（浮力、重力），动量方程可以写作：dP/dx+ u(du/dx)=0联立质量守恒方程与动量方程，估算通过火焰的压力降：联立质量守恒方程与动量方程，估算通过火焰的压力降： 1)/( 1)/()()/(22buuuubuuubuuuuuuuuPuuuuuxxuuP由理想气体状态方程由理想气体状态方程)/()/)(/)(/()/(ubububbubuTTTTRRPP9由于反应物与产物的分子量近似相等，预期穿过火焰的压力降与由于反应物与产物的分子量近似相等，预期穿过火焰的压力降与温度降相比很小，因此温度降相比很小，因此 1)/(2u

5、buuTTuP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15-40cm/s范围内，范围内，Tb/Tu的典型值在的典型值在5-7范围内，范围内，u的典型值为的典型值为110-3g/cm3。故。故P典型值为：典型值为：P=0.11N/m2一般可以忽略通过火焰的压力降一般可以忽略通过火焰的压力降10层流火焰特点层流火焰特点火焰锋面很薄，通常只有火焰锋面很薄，通常只有0.01-0.1mm层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧过程层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧过程层流火焰的传播速度很低，通常在层流火焰的传播速度很低，通

6、常在1m/s以下以下116.2 一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型层流火焰传播机理的层流火焰传播机理的三种理论三种理论：热理论热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传：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；导；扩散理论扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰 传播的主要因素传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扩散对火焰传播可能有同：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同 等重要的影响等重要的影响12一一 层流火焰传播的热理论内容层流火焰传播的热理论内容13层

7、流火焰传播的热理论内容层流火焰传播的热理论内容（1）假设火焰前锋在一绝热管内以速度）假设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维）传播（一维）（2）假定火焰前锋为平面形状，并且与管轴线垂直）假定火焰前锋为平面形状，并且与管轴线垂直（3）若新鲜混气以层流流速）若新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当流入管内，则当v0=un时时（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋（4）将火焰前锋分为两个区域）将火焰前锋分为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，在化学反应区内忽略混气预热区内忽略化学反应的影响，在化学反应区内忽略混气本身焓的增加（即

8、认为着火温度与绝热火焰温度近似相同）本身焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相同）（5）火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传）火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导导分区思想分区思想14层流火焰传播速度层流火焰传播速度u un n的确定（运用热理论）的确定（运用热理论）一维带化学反应的定常层流流动的基本方程为：一维带化学反应的定常层流流动的基本方程为：)26()()(0RpnbbuuDHRRdxdTdxddxdTcvpmvvv能量方程常数动量方程连续方程混气本身热焓的变化-对流项传导的热流-对流项化学反应生成量15边界条件如下：边界条件如下：0/,)(0/,)(dxdTT

9、TxdxdTTTxbu平衡已燃气体未燃气体根据分区近似解法，求根据分区近似解法，求un： 将火焰分成预热区和反应区，在将火焰分成预热区和反应区，在预热区中忽略化学预热区中忽略化学反应影响反应影响，而在，而在反应区中忽略能量方程中温度的一反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项阶导数项16预热区：预热区：不考虑化学反应影响，不考虑化学反应影响，RR=0，则能量方程变为：，则能量方程变为：)56()()/(:)46(,)46(0/ )/()/(upuuiipppuuTTcuxdxdTxccdxdxdTddxdTcui积分得到由冷边界到对方程常数气体冷边界条件为：气体冷边界条件为：T=Tu以及以及dT

10、/dx=0方程方程(6-5)的物理意义为：来自已燃气体的导热通量对预的物理意义为：来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进行热区未燃气体混合物进行“预热预热”，将其温度从，将其温度从Tu提高提高到到Ti17反应区：反应区：能量的对流通量比扩散通量小（热理论假设），故可以忽略对流能量的对流通量比扩散通量小（热理论假设），故可以忽略对流项，能量方程为：项，能量方程为：）（积分得到到将上式从6-62)/()0/;()/;()(/ )/(2/1biiiTTRxbxiiRRRdTHdxdTdxdTTTxdxdTdxdTTTxxHRRdxdxdTd方程方程(6-6)的物理意义为：在反应区流出的，经热

11、传导进的物理意义为：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应释放的热量入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量18令在x=xi处，来自方程(6-5)和(6-6)的热通量相等，于是RRRRdTTTaRRdTTTTTcHaSmolkcalRRTTacRRdTTTTTcHcSSRRdTHTTcSbibibibiTTuiTTuiuipuRuipTTuiuipuRpuuuTTRuipuu均反应速率可以看做是反应区中平上式中，）（则总的活化能数值大于对于典型的碳氢燃料的假设当热扩散系数令火焰传播速度求解该方程，得出层流18-61)(2,/400,1)(2)76(2)(2/12/12

12、/119由火焰前后总的能量平衡关系，得到：由火焰前后总的能量平衡关系，得到：)86(2)86()/1 ()(/-)()()()(2/1,bRRwaSawTTcHTTcHwTTcmHmuufLuufubpuRubpuRufuubpRf得到：代入或可见火焰速度可见火焰速度SL受到受到扩散输运扩散输运和和化学动力学化学动力学的影响。层流火焰传的影响。层流火焰传播速度与导热系数以及反应速率的平方根成正比。即播速度与导热系数以及反应速率的平方根成正比。即SL是可燃混是可燃混气的物理化学常数气的物理化学常数20例例6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当

13、比的丙烷-空气空气混合物的层流火焰速度混合物的层流火焰速度解：由简化的预混层流火焰理论可知：解：由简化的预混层流火焰理论可知：2/1,2RRwaSuufL计算层流火焰速度的关键就是计算平均热扩散系数与平均化学反计算层流火焰速度的关键就是计算平均热扩散系数与平均化学反应速率。而简化理论中，假设化学反应发生在火焰厚度的后半部应速率。而简化理论中，假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（分（/2x /2x ），因此选择该反应区的平均温度来计算化学反），因此选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：应速率：KTTTTbub1770)(2121在计算中假设未燃物温度在计算中假设未燃物温度Tu=300K，反

14、应区燃烧产物温度，反应区燃烧产物温度Tb与绝与绝热火焰温度相同，为热火焰温度相同，为2260K，同时假设温度在火焰内随，同时假设温度在火焰内随x轴呈线性轴呈线性变化变化21假设燃气中没有氧气或者燃料，可以得出氧气和燃料的平均质量假设燃气中没有氧气或者燃料，可以得出氧气和燃料的平均质量分数分别为：分数分别为：1095. 0 0)1 (*2331. 0 5 . 00301. 05 . 0*06015. 0) 0( 5 . 0,2ufouffwwww其中其中0.2331为空气中氧的质量分数，化学恰当比的丙烷为空气中氧的质量分数，化学恰当比的丙烷-空气混合空气混合物空燃比物空燃比A/F=15.625而

15、化学反应速率为：而化学反应速率为：FrOrOFrfMMwMwTkOHCkdtHCdRR,65. 1,1 . 0,75. 165. 121 . 08383)(2222)/(3 .10744*)321095. 0(*)440301. 0(*)1997. 0(*10*55. 9/1997. 01770*)29/8135(101325)/(1)(10*55. 9)177015098exp(10*836. 41)(15098exp(10*836. 4365. 11 . 075. 15375. 035975. 039mskgRRmkgTMRPsmkmolsmkmolTkru23热扩散系数为热扩散系数为sm

16、aTTTbu/10*89. 51186*16. 10809. 02/ )(25故在计算时应注意到平均温度针对于整个火焰厚度而言，这是因为在计算时应注意到平均温度针对于整个火焰厚度而言，这是因为热传导不仅发生在反应区，而且在预热区也是存在的，故热传导不仅发生在反应区，而且在预热区也是存在的，故)()(TcTapu代入公式，即可求得层流火焰温度代入公式，即可求得层流火焰温度SL246.3 影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素决定层流火焰传播速度的主要因素为混气的决定层流火焰传播速度的主要因素为混气的化学反应速率和热扩散系数化学反应速率和热扩散系数影响化学反应速率和热扩散系数的物理影

17、响化学反应速率和热扩散系数的物理化学参数影响层流火焰传播速度化学参数影响层流火焰传播速度25化学参数的影响化学参数的影响（1）混合比（混气成分）的影响）混合比（混气成分）的影响 层流火焰传播速度随燃料层流火焰传播速度随燃料-氧化剂配比而变化，氧化剂配比而变化，主要是由于温度随混合比的变化所引起。对碳氢化主要是由于温度随混合比的变化所引起。对碳氢化合物燃料，在合物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中，化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传播速度达到最大火焰传播速度达到最大。 一般认为火焰温度最高的混合物火焰速度也最大，一般认为火焰温度最高的混合物火焰速度也最大，在很贫或者很富的燃气中，由于燃料

18、或者氧化剂太在很贫或者很富的燃气中，由于燃料或者氧化剂太少，反应生成热太少，而实际燃烧设备不可能绝热，少，反应生成热太少，而实际燃烧设备不可能绝热，固难以维持火焰传播必需的热量积累，火焰在其中固难以维持火焰传播必需的热量积累，火焰在其中不能传播。不能传播。 火焰传播有浓度的上下限火焰传播有浓度的上下限26（2）混气性质的影响）混气性质的影响 导温系数增加，活化能减少或者火焰温度增加时，导温系数增加，活化能减少或者火焰温度增加时，火焰传播速度增大。火焰传播速度增大。 氧浓度增加，火焰传播速度增大氧浓度增加，火焰传播速度增大 2728层流火焰传播速度计算公式层流火焰传播速度计算公式 Metghal

19、chi和和Keck通过实验决定了各种燃料通过实验决定了各种燃料-空空气混合物在内燃机和燃气轮机中典型的温度和压力气混合物在内燃机和燃气轮机中典型的温度和压力下的层流火焰传播速度，公式如下：下的层流火焰传播速度，公式如下： 22,)(1;298;350)/()/(MMrefLrefrefuurefrefuurefLLBBSatmPKTKTPPTTSS其中29指数指数、为当量比为当量比的函数，表示为：的函数，表示为：= 2.18-0.8（ -1）= -0.16+0.22（ -1）3031323334惰性物质或添加剂的影响：惰性物质或添加剂的影响： 惰性物质一方面直惰性物质一方面直接影响燃烧温度从而

20、影接影响燃烧温度从而影响燃烧速度，另一方面响燃烧速度，另一方面通过影响可燃混合气的通过影响可燃混合气的物理性质（热扩散系数）物理性质（热扩散系数）来（明显）影响火焰传来（明显）影响火焰传播速度播速度大量实验表明：惰性物大量实验表明：惰性物质的加入会使火焰传播质的加入会使火焰传播速度降低，可燃界限缩速度降低，可燃界限缩小，以及使最大的火焰小，以及使最大的火焰传播速度值向燃料浓度传播速度值向燃料浓度较小的方向移动较小的方向移动35 当氧化剂中氧的摩当氧化剂中氧的摩尔浓度增加时，火焰速尔浓度增加时，火焰速度增加，随着氧化剂中度增加，随着氧化剂中氧的摩尔分数增加，反氧的摩尔分数增加，反应速率随之增大应

21、速率随之增大3637物理参数的影响：物理参数的影响：(1)压力的影响压力的影响2/1,2/)/exp()(RRwaSRTpRTEwkRRuufLnuu2/ )2(2/1022)()/exp()(nmpunuuLpTTcRTEwQkS一般碳氢燃料燃烧反应级数为一般碳氢燃料燃烧反应级数为1.5-2，故，故)25. 00(/1pun压力对火焰传播速度影响较小压力对火焰传播速度影响较小一级反应：一级反应：P增大，层流火焰传播速度下降增大，层流火焰传播速度下降二级反应：与压力无关二级反应：与压力无关38（2）初始温度的影响：）初始温度的影响：)25 . 1(0CTuCn初温增加初温增加理论燃烧温度理论燃

22、烧温度Tm升高升高火焰传播速度火焰传播速度un增加增加39（3）火焰温度的影响：）火焰温度的影响：火焰温度增加按照指数规律影响火焰传播速度，火焰温度增加按照指数规律影响火焰传播速度，un主要受火焰温度影响主要受火焰温度影响淬熄距离淬熄距离当管径或者容器尺寸小于某一个临界值时，由于火当管径或者容器尺寸小于某一个临界值时，由于火焰单位容积散热量太大，生热量不足，火焰不能传焰单位容积散热量太大，生热量不足，火焰不能传播，该临界管径称作淬熄距离播，该临界管径称作淬熄距离dq淬熄距离与淬熄距离与火焰传播速度和压力火焰传播速度和压力成反比成反比40416.4 火焰厚度火焰厚度火焰中温度和浓度梯度决火焰中温度和浓度梯度决定于火焰厚度，这些梯度定于火焰厚度，这些梯度支持火焰的传播过程支持火焰的传播过程火焰厚度与火焰传播速度火焰厚度与火焰传播速度相互联系，其定性关系可相互联系，其定性关系可以由拐点以由拐点(Xi)处得能量平衡处得能量平衡得