燃烧学9非预混火焰

1、非预混火焰提 纲:9.2 层流扩散火焰结构9.3 湍流扩散火焰9.1 火焰分类第一节 火焰分类一 预混燃烧与非预混燃烧概念预混燃烧：在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合,预混射流（燃料和空气混合物）直接形成的火焰。扩散火焰非预混燃烧：在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子扩散和整体对流运动（湍流扩散）使反应物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应。非预混火焰燃烧燃料所需的时间： 燃料与空气混合时间 燃烧反应时间 燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关。 动力扩散燃烧:流动特征时间 化学反应时间 动力燃烧:混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化学反应速度（或化学动力因

2、素），而与混合过程关系不大。化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合速度，而与化学反应速度关系不大。 扩散燃烧:本生灯:总空气消耗系数:由出口引射所得的二次空气量a. ，燃烧所需空气全部由外界环境通过引射提供，非预混燃烧。b. ，从本生灯的底部供入的空气充足，预混燃烧。c. ，燃烧既有一次空气混合物的预混燃烧，也有剩余燃料的非预混燃烧。 从底部进入的空气称为一次空气量一次空气消耗系数 :二次空气消耗系数 :非预混火焰(a) 表示当管中混气为贫油时的动力火焰。由于混气已有足够氧气，不需要在从外界获取氧气，因而火焰光滑。随着 的加大，火焰变长。 (b) 表示化学恰当比下的动力火焰。因为此时温度高

3、，火焰传播速度快，因此火焰高度最短。 (c) 的富油燃烧。由于混气燃料多而氧气少，因此有剩余燃料。此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于 的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩散获得外界氧气称为扩散火焰。内焰温度较高，外焰较低。 (d) 为管中供应的为纯油气的情况。它所需的氧气全部从外界获得，因此为纯扩散燃烧，其火焰也最长。 非预混火焰层流非预混火焰湍流非预混火焰质量扩散以分子扩散的方式实现质量扩散以气团扩散的方式实现非预混燃烧整个燃烧过程与混合过程密切相关。流动速度，流动状态和混合方式等起决定性作用。强化非预混燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件。非预混火焰非预混火焰不产生回火，但温度低非预

4、混燃烧容易产生碳氢化合物的热分解人工煤气扩散火焰人工煤气预混火焰非预混火焰非预混火焰的特点提 纲:9.2 层流扩散火焰结构9.3 湍流扩散火焰9.1 火焰分类非预混火焰第二节 层流扩散火焰结构图9.1 受限层流气体扩散火焰燃料量超过化学计量值（即燃料过量），火焰向外壁蔓延。过通风火焰氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总氧化剂过量），火焰靠近圆柱管的中心线上。欠通风火焰非预混火焰化学反应时间 流动特征时间 远小于火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定（即扩散过程是最慢的、控制反应速度的过程），火焰可以从分开燃料和氧化剂的表面取一个薄层来模拟.火焰面处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。

5、因为所以燃料和氧化剂浓度在火焰面上为零。非预混火焰焰面外侧：空气燃烧产物焰面内侧：燃料燃烧产物焰面：燃料与空气的理论浓度为零层流流动时，混合是以分子扩散的形式进行的，在两股对流交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料射流扩散，在=1.0处形成火焰峰面。在火焰峰面，燃料浓度和O2浓度均为零，燃烧产物浓度达到最大值，然后向两侧扩散。空气燃料空气非预混火焰层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律(1)层流火焰的外形只取决于分子扩散速度，与化学反应速度无关。(2)在火焰锋面上，=1.0。非预混火焰提 纲:9.2 层流扩散火焰结构9.3 湍流扩散火焰9.1 火焰分类非预混火焰第三节 湍流扩散火焰随射流速

6、度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此时火焰仍保持层流。再增大射流速度，火焰顶部开始出现颤动、皱折、破裂，表明出现局部湍流。由于湍流影响，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短。如果过分增加射流速度，火焰会脱离喷口直至吹熄。1继续增加射流速度，火焰端部的湍流区长度增加，开始颤动、皱折、破裂的点（转变点）向喷口方向移动，火焰的总高度则明显缩短，直到破裂点靠近喷口。此时火焰达到完全湍流状态，此后破裂点位置不变（或与管口距离略有缩短）、火焰高度趋于定值。但噪音增加在射流速度较低时，火焰保持层流状态，火焰前沿面光滑、稳定、明亮、清晰。2(1)层流扩散火焰区：火焰高度(长度)与气流速度成正比，

7、（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰长度增加）。(2)扩散火焰过渡区：火焰高度(长度)随气流速度的增大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰。气流速度越大，层流火焰长度越短。(3)湍流扩散火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有折皱和噪音）。扩散燃烧火焰长度的变化规律湍流扩散火焰的稳定性：火焰既不被吹跑(或叫脱火，吹熄)，也不产生回火，而始终“悬挂”在管口的情况。当气流速度过大，扩散火焰将被吹熄。 扩散火焰不产生回火扩散火焰温度低，易产生碳氢化合物的热分解 人工煤气扩散火焰人工

8、煤气预混火焰非预混火焰火焰高度Q 体积流量Dm 扩散系数层流紊流非预混火焰1）初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比， 即火焰弗卢德数（Froude number）Frf；2）化学恰当燃料质量百分数3）喷管内流体密度与环境气体密度之比4）初始射流直径湍流扩散火焰估算火焰长度和半径的经验公式。对于燃料自由射流所产生的垂直火焰取决于以下4个因素：非预混火焰直径火焰弗卢德数定义如下：（9-10）式中：是燃烧特征温度，综合为一个参数，即动量直径：（9-11）是出口流速将喷管内流体密度与环境气体密度之比与初始射流非预混火焰或在浮力起主要作用区，无因次火焰长度的经验公式为：在动量起主要作用区，无因次火焰长

9、度的经验公式为：无因次火焰长度的经验公式：（9-12）（9-13）（9-14）（9-15）非预混火焰例9.1 已知：一丙烷射流火焰的出口直径为6.17mm，丙烷的为算该射流火焰的长度。 质量流量为，射流出口处的丙烷密度，环境压力为1atm，温度300K。试估采用Delichatsios关系式来估算该射流火焰的长度，Delichatsios关系式具体表示如下 由此可见，要求火焰长度，必须先求出Froude数 非预混火焰的表达式如下由已知可得（查附表C.1）（查附表B.1）非预混火焰现在可求出Froude数时转换成实际火焰长度。无量纲出口直径为，无量纲火焰长度因此实际火焰长度为非预混火焰例9.2假

10、设有一甲烷射流火焰，其释热速率与出口直径和只要求出了甲烷射流的质量流量，我们就可以用例9.1的方法来求该甲烷射流火焰长度。根据两射流火焰的释热量相等可得 例9.1的丙烷射流火焰一样，出口处甲烷密度为，试确定该甲烷射流长度，并和例9.1中的计算结果进行比较。解（使用燃料的低热值） 仿照例9.1，先求出下列各量（查附表C.1）（查附表B.1）由Delichatsios关系式可得=或者写成两火焰长度比较可见，甲烷射流火焰比丙烷射流火焰短大约12%。 非预混火焰甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：首先，出口动量对甲烷射流火焰长度的影响较大，这使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长。但是，甲烷出口密度很小

11、使得动量直径显著变小，这个较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（虽然甲烷的化学计量系数比丙烷要小，但是它的影响比动量直径要小的多）。 点评非预混火焰估算火焰升起高度和射流熄火流量经验关系式:式中:h是火焰升起高度，是最大层流火焰传播速度，是动力粘性系数。其中H是沿喷管轴线燃料平均浓度下降到化学恰当比浓度的距离。（9-16）(9-17)非预混火焰（9-18）H是沿喷管轴线燃料平均浓度下降到化学恰当比浓度的距离。分别是化学恰当比燃料质量分数，出口燃料质量分数，非预混火焰例9.3 已知一丙烷射流火焰出口直径为6.17mm；环境压力和 温度分别为1atm，300K；射流出口的温度为300K，密 度1.8