燃烧理论基础第四章

1、燃烧理论基础课件第四章 预混合气体火焰 （Premixed Combustion）汽车与交通工程学院王维强主要内容 4.1 概说 4.2 爆燃与缓燃 4.3 缓燃的基本特征 4.4 燃烧速度测试方法 4.5 影响燃烧速度的因素 4.6 火焰传播理论 4.7 湍流火焰的特征 4.8火焰的稳定4.1 概说 研究对象研究对象 爆炸爆炸(Explosions) Oil platforms, mines, ventilation systemsDetonation of explosives of the platform 研究对象（续）研究对象（续） 发动机发动机(Engines) Spark ign

2、ition, stationary gas turbines, turbojet afterburnersAfterburner 研究对象（续）研究对象（续） 燃烧器燃烧器(Burners) Cook tops, water heaters, furnaces, radiant panels, oxy-acetylene torches, etc 研究对象（续）研究对象（续） 上述研究对象所涉及火焰的即为预混合气体燃烧火焰（本章内容） 不同于非预混合燃烧（扩散火焰）（non-premixed combustion/diffusion flames） (下一章内容)Piloted Jet Dif

3、fusion FlameBunsen Premixed Flamel 预混合燃烧预混合燃烧 受化学动力学（化学反应速度）控制。燃烧速度快，受化学动力学（化学反应速度）控制。燃烧速度快，火焰呈蓝色。火焰呈蓝色。l 非预混合燃烧非预混合燃烧 受扩散速度（可燃气的制备）和化学动力学受扩散速度（可燃气的制备）和化学动力学 双重控制，双重控制，且受最慢一种控制。且受最慢一种控制。燃烧受限因素火焰结构形态预混合火焰也可以被看作是无穷多波纹扩散火焰组成的结果，如图5-1 所示（a）图为典型的扩散火焰，燃料气与氧气分别从两个平行的扁管中流出，形成呈V形的火焰面，靠燃料气一侧为富油火焰面，靠氧气的一侧为富氧的火

4、焰面。（b）图为许多组平行的燃料气与氧气相间隔的供气扁管，在其上形成许多个 形的火焰锋面。（c）图代表无数个厚度很小、燃料气与氧气相间隔的供气扁管，它所形成的火焰面则几乎是一水平面的预混合火焰了。 某些能产生火焰的物质 火焰的结构 火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速度、压力等变量随火焰锋面厚度方向的变化情况称之为火焰的结构l爆燃是气体高速流动（ ）时燃烧火焰锋面两侧有巨大的压力突变，即 。l缓燃是气体低速流动，燃烧火焰锋面两侧压差较小，常见燃烧即为此类。1PsPf4.2 爆燃与缓燃l 假定：假定： 管内充满可燃混合气。（图42） 一维连续流。 火焰的锋面将产物和反应物隔开互不往来（不导热，扩

5、散） 来流速度 产物生成速度 （火焰面静止）。su fu预混合气体火焰的模型1. 连续流方程 （1） 2.动量方程 （2）3.能量方程 （3） 由式（1）得 or ssffuu22s ssfffuPuP221122ssffuhuhffssuussffuu（1）纯流动（Raleigh方程） 将 代入式（2） 或将 代入式（2） su22()0ffssfffsuPuP2220ffsssffsfuPuP 22()()()()()sfssfsssfffsfffsfsfPPPPPPu fu2()()fsfsssfPPu22()()sfsfsssfPPu 同理： (4) 结论：燃烧前后质量的平方（ （或

6、）为定值，记做 。 即 : （且 0） 222211sfssfffsPPuu2 2s su2 2ffuC()()sfsfsfPPC C0sfssffsfCCPP ()ssffsfssfsfPCCCCPP (4) 产物的压力 与 成线性关系，上式称为Raleigh （瑞利）方程。 分析Raleigh图 由于 0。（斜率） （图43a） 来流气的状态为（ ），在Raleigh图为点S。 过点S的直线（且 。01ffP()pfsCTT为负值，故 1，为等熵流动（超音速）。 压缩波（ ）。sfpp sfpp sfpp 如汽油机： 正常火焰传播速度3080m/S，25002800K， 轻微爆震10030

7、0 m/S。 强爆震 3002000 m/S ， K， 高频率噪声，5000次/S。 只要有5%自燃就是强烈的爆震，故电控电喷机几乎都装有爆震传感器。2 4/adPMPCAdmax4000Tmax65/adPMPCAd表4-2 气体中爆震与缓燃的差异 表4-4 一些爆震速度 爆震时，燃烧速度极快，远大于外界的各种干扰速度，干扰速度可以忽略。 缓燃时，燃烧速度相对慢，必须考虑（或排除）干扰速度。4.3 缓燃的基本特征 跨越火焰面的压差（由前式（4） （图45b） 缓燃时，火焰锋面厚度 。在火焰锋面新鲜混合气的侧方被加热膨胀使 。 混合气在火焰面处必须加速 。 2211()sfssfsPPu0fs

8、ssffuuconstsu （1）管内流动 及定义火焰锋面厚度 实际管内流动，由于附面层的存在，由于有粘性、摩擦且有浮力作用及管壁的淬熄作用。实际的火焰是非对称的扭曲形。fsfsuumax()fsfTTdTdx1）概念 火焰传播行进速度 目测者观看到的火焰锋面的位移速度。 燃烧速度 火焰锋面沿其法线方向相对于来流气的速度。 来流速度 未燃混合气的流动速度。 绝对 相对 牵连 定置火焰： ， （火焰锋面在空间静止不动）。 行进火焰： ， （火焰锋面在空间行进）。 脱火： （煤气灶具的设计）。来流使火焰流入燃烧产物脱离火焰固定位置 回火： （煤气灶具的设计）。火焰烧入新混合气 fusuaufsau

9、uu0fu sauu sauu0fu aususuau(2) 本生灯火焰特性预混合火焰呈淡蓝色的火焰锥。 ，火苗短，伴有燃烧噪声， 大。扩散火焰呈黄红色， ，火炬状，伴有黑烟， 小。2）本生灯的预混合火焰 （图4-8） 死区管口壁的激冷淬熄面散热所致（电焊枪能切割钢板， 温度1500C以上，但管口并没有任何烧红现象）。 外悬由于死区的存在，P内P外，存在质扩散。 顶圆产物的集中区、高温区。来流气 ， 。接近锥顶 处， ，是火焰面本能向未燃气方向运动。3）本生灯的扩散火焰 内悬管口壁的激冷效应。 慢，先扩散、混合（油找气，气 找油），在浓度适中处燃烧。fT sufT suaau su au 对稳

10、定的本生灯预混合火焰锥，逐步增加预混合物的供应速度，火焰会飘起并被吹跑脱火； 另一方面，如逐渐降低预混合物的供应速度，则火焰变得更为扁平或呈“纽扣”型并向喷口靠近，其形状由凸形变成凹形最后向混合管内“回火”，直到熄火并有“勃扑”的响声。 1.喷灯法 用预混合燃烧火焰测定。2.长管法 都要确定火焰的表面积。 （图4-11）sinaauu4.4 燃烧速度测试方法确定火焰精确面积的技术 摄影法、粒子跟踪法 直接摄影法是一种最简单寻求火焰锋面面积的方法，它可以获得火焰发光区的形状及尺寸。 阴影法、纹影法及干涉摄影法是三种专门的火焰摄影技术。这些技术是基于两种基本物理现象： 由于火焰使空间密度不均匀（由

11、于温度及成分的不均匀产生）； 当光束通过两种不同折射率介质的界面时会发生偏折。 用纹影摄影所求得的火焰面积最适合于计算燃烧速度。阴影法及直接摄影法会增大火焰面积，导致较大的误差，但它们的方法最简便，所需的光学装置较简单。 燃料品质（热值、沸点温度、燃烧最高温度）。与浓度有关，存在浓限、稀限，有一最佳浓度值。热状态有关（压力、温度、流动、散热）。 （多图）4.5 影响燃烧速度的因素4.6 火焰传播理论（Arrhenius型） 考虑一稳定平面缓燃波的传播 能量方程 1.对于预热区 假定 ，则有 B.C： ， ， ， ， 积分得： ， 。220PFd TdTuCWdxdx 0FW22Pd TdTuC

12、dxdxwxxwTTx xT T0dTdxPwwuCdTTTdx wfwdTdxTTfu（1） 2.反应区能量方程忽略对流项（ ) 两边乘以 积分 fwTT22Fd TWdxdT22Fd TdTWdTdx()FddTdTWdTdx dx()FwTFTdT ddTWdTdx dx dx22()FwTFTdTW dTdx即 122FwTFTdTW dTdx()Pwwu CdTTTdx （1）（2） 边界条件 按质量守恒定律有 积分下限 122()FwTFFFTPwuuW dTCTT122()FTFTPwW dTCTTfwfTTTT 1222222()()FFFFPwUWTTCTT其中平均反应速度

13、FTFTFFW dTWTT 与 有关的量 122()SFWUTT1212()cFWTT fFcUfWf()FfTTFUSU 工程上广泛采用湍流火焰，实现快速燃烧。之前讲述的内容均为层流火焰，燃烧速度 是反应混合剂的特性参数。 ，是由分子扩散现象而形成的。湍流火焰受涡团尺寸和混合长度影响，与雷诺数 密切相关。 2300， 与 无关；23006000， 。我们把层流燃烧速度用 表示，则湍流火焰用表观速度 表示。湍流火焰破坏了层流火焰的光滑性，呈皱折形、空洞型结构。 （图4-27） SUSfURedReSUReReSU ReReSU SUTU4.7 湍流火焰的特征Premixed Flame Str

14、ucture 特征：特征：可燃混合气作大规模湍流燃烧时，有嚯嚯的燃烧噪声；瞬态的火焰锋面呈皱折状，用肉眼观看到火焰锋面呈毛刺状； 其平均火焰锋面比层流火焰锋面厚得多；湍流火焰的燃烧速度比层流要强（快）。目前只有用表面多皱折理论解释；在火焰中会出现空洞，使可燃烧面积大为增加，火焰碎片有可能跳到未燃气侧燃烧。4 . 8 火焰的稳定 为了使涡轮喷气或冲压喷气的发动机具有很大的推力需燃用大量燃料，燃料混合物的供应速度特别大。其供应速度往往比给定混合物最大可能的湍流燃烧速度大10 倍以上。 试验表明，当供应速度大于燃烧速度时火焰会被吹跑（脱火）。 在不发生脱火情况下新鲜混合物可能向火焰锋面的最大供应速度为脱火速度。 脱火速度与许多因素有关，其中包括了燃料及氧化剂的性质、燃料与氧化剂的比例、混合物的温度、燃烧室的压力、来流的湍流情况、燃烧器的几何尺寸、燃烧器壁的粗糙度及温度等。 4.8.1本生灯火焰的稳定性 燃烧速度u0,混合气供应速度usn 当来流流动很弱时，几乎在混合管的整个截面上， 因此，火焰向混合管内传播造成回火。 另一方面，当流动过强时，在整个截面处, 则造成脱火（吹熄）。 发生脱火的临界判据是 曲线与 曲线相切。 0snuusnsuu0usnu 可燃混合气供应速度的速度梯度（在出