层流预混火焰课件

層流預混火焰第1題要組成1摩爾的C8H18-空氣混合物，當Φ=2/3時，需要多少空氣量？如果這一混合物進行燃燒，請給出燃燒後的產物的組成（分別按品質分數和摩爾分數來表示），假設燃燒為完全燃燒。**Φ=2/3時反應方程式為：即：所以對1mol的混合物，需要的空氣量為：mol**第2題假設在化學當量比條件下，計算C3H8

和O2

燃燒的理論燃燒溫度，產物有50%的回流，並假設產物分解（H，O，OH,…）等可以忽略。即產物僅考慮為水和二氧化碳。（且燃料溫度為298K，氧氣濃度為398K，回流的煙氣的溫度為448K，理想氣體，壓力為1atm）****在化學當量比條件下的反應方程式為：在有50%的產物回流的時候，最後平衡時的反應方程式為：定壓絕熱燃燒，所以反應物和產物的焓應相等，TFuel=298K,TOxygen=398K，Trecirculation=448K，所以，假設理論燃燒溫度為3100K，定性溫度約為1700K，則有：T=3108K第3題**假設對化學反應H2O+CO=CO2+H2

，其在1100K和p=1大氣壓下的平衡常數K=1，試計算在atp=8atm,T=1100K下的平衡常數K答：平衡常數對於一個反應來說，是只與溫度有關的一個函數，所以從公式可以看出，平衡常數與壓力無關，只和溫度相關。所以，在p=8atm,T=1100K下的平衡常數K=1。第4題**下述反應中哪些是基元反應，哪些不是？哪些又是沒有更多的資訊是無法確定是否是基元反應？1H2+Br2

2HBr22H2+O22H2O3O+H2OH+H42O+CH3CO+OH+2H5H+O2OH+O6N2+O22NO7H+H+MH2+M8NO+NO+O2NO2+NO29C3H8+MC2H5+CH3+M基元反應： 3，5：只斷一個鍵，生成一個鍵；7，只形成一個新鍵，M傳遞能量；9，只斷一個鍵，M傳遞能量；非基元反應： 1，斷兩個鍵，生成兩個鍵，且對碰撞的方向要求高；2，斷三個鍵，形成四個鍵，且對碰撞的方向要求高；4，斷三個鍵，形成兩個鍵；6，斷兩個鍵，形成兩個鍵，且對碰撞的方向要求高附加條件：8，斷一個鍵，形成兩個鍵，在高壓高溫的情況下可能為基元反應。第5題**在各種工業品的製造中都需要加入阻燃劑，一般採用鹵素類元素作為阻燃劑，試從你學習的化學動力學知識分析其阻燃原理。答：鹵素元素結合自由基形成穩定的化合物，使得自由基的濃度減少，從而減緩反應的進行，達到阻燃的目的。第6題******內容概述物理描述簡化分析完全分析影響火焰速度和厚度的因素不同燃料的火焰速度熄火，可燃性和點火火焰穩定性總結**概述應用:對湍流火焰研究的重要性基本特徵簡化分析完全分析實驗數據火焰速度；火焰形狀；火焰穩定性；吹熄（blow-off;blow-out）；回火可燃性；點火；熄滅（extinction）****物理描述定義主要參數典型的實驗室火焰**UnderstandingFlamesJetBurner:2000W/cm2StoichiometricburntemperaturePremixedFlame:1000W/cm2StoichiometricburntemperatureDiffuseFlame:0.1-10W/cm2Lowerburntemperature;

non-stoichiometric燃料與潔淨燃燒實驗室**Triple-pumpCARSmeasurementsperformedinlaminarhydrogen/airdiffusionflame.Simultaneousacquisitionofsingle-shotH2/N2andH2/O2

spectrademonstrated.Triple-PumpCARSExperiments**PremixedResultsfromgaseousreactantsthataremixedpriortocombustionFlamepropogatesatvelocitiesslightlylessthanafewm/sConsideredconstantpressurecombustionReactsquiterapidlyExample:SparkIgnitionEngine**LaminarPremixedEx.BunsenBurnerFlamemovesatfairlylowvelocityMechanicallycreatelaminarconditionsDiffusionEx.CandleFlameFuel:Wax,Oxidizer:AirReactionzonebetweenwaxvaporsandairPrincipleofFlameStabilization

byLow-swirlFuel/AirmixturePropagatingagainstthedivergentflow,theflamesettleswherethelocalvelocityequalstheflamespeedSmallinclinedairjetsswirltheperimeterofthefuel/airmixtureAdivergenceflowregionisgeneratedabovetheburnertubeTheswirlerisrecessedfromtheburnerexitbyadistanceLtoallowinteractionbetweenthecoreandtheswirlflowVaneSwirlerforPracticalLSBsAngledvanestoinduceswirlingmotioninannulusCenterchannelallowssomepremixturetobypassswirlannulusScreenbalancespressuredropsbetweenswirlandcenterflowsNewdefinitionofswirlnumber,S,forscalingtodifferentsizesRatioofcenterchannelradiustoburnerradius0.8<R=Rc/Rb=0.5Straightorcurvedvanewithangles37o<a<45oRatioofmassflowratesthroughcenterchannelandswirlannulus

0.3<m<0.5**UniqueFeaturesofLSBCanOvercomeLimitationsofPremixedCombustionFreelypropagatingpremixedturbulentflameUnattachedandliftedflameFlamestabilizationdoesnotrelyonflowrecirculationStableunderveryrichtoultraleanconditionsHighturn-downexceeding50:1EmissionsnothighlysensitivetodegreeofmixingSimpledesigncompatibletocurrenthardwareFlashbackconditionscanbepredictedNoflameoscillationstowardsleanblow-off**VaneSwirlerScalable

toDifferentSizes2.54cmLSBforwaterheaters

(6kWto30kW)12.7cmLSBforboilers(150kWto3MW)6.35cmLSIfor

gasturbines(7MW)Appliedswirlnumbercriterion0.4<S<0.55toscaleLSBupto30cmdiameterat8MWoutput**Evaluate12.7cmLSBinCommercialWatertubeBoilerwithExternalFGRUseblowerandcontrolsforthecommercialproductPerformancetargetsNOx<12ppmand<9ppm.15to2MW,5:1turn-downf>0.87,<35%FGRLSBexceededmosttargets<9ppmNOxwith

<12%FGRatf=0.87

at1.2MWPressureslightlyhigherthanconventionalburners2ndprototypecanreducepressurerequirementby40%**<5ppmNOxConcept:LSB+FGR

andPartialReformedNaturalGasExploitcombustionfeaturesofhydrogen-enrichednaturalgasflamesUseLSBtocapturethesebenefitsIncorporateapartialreformertoproduceproperH2:CH4ratioDemonstratedinwaterheatersimulatorNaturalGasRadiantsectionofboilerConvectivesectionStack

Nat.gas+Fluegas+ReformedgasReformerfluegasSteamAirfanFluegasABBurner0.7<f<0.9

0<FGR<0.3

PRNG=0and0.05Reformerat650C

CH4=0.12l/s

steam=0.04l/sSteam(

5%)hasnoeffectonLSB**CurrentDLNGasTurbineEngines

UseHigh-SwirlInjectors(HSI)CenterbodypromotesformationofrecirculationtoentrainandignitefreshmixtureFlameattachmentatcenterbodyrim**LSIcanbeConfiguredatAtmosphericPressureandLowVelocitiesRemovedcenterbodyfromSoLoNOxswirlerFittedwithanexittubeandcenterchannelscreenOptimizedflameliftoffat6-8m/s**VP130(98)-004Titan130雙軸燃氣輪機1997投入運行由金牛70動力學模型放大初始功率-18,300hp(ISO)熱效率-34.5%14-級軸流壓縮機傾斜預混燃燒室多孔冷卻火焰筒和可調機構噴嘴2-級燃氣發生器和2-級動力渦輪**Titan130燃燒室可變空氣閥燃燒室火焰筒外殼噴嘴VP130(98)-022SoLoNOx(乾燥低排放NOx)**Titan130燃燒室

可調機構閥可調空氣閥機械機構燃燒室外殼VP130(98)-023噴嘴法蘭**Titan130

可調機構閥和噴嘴電動執行機構空氣進口可調閥低預混噴嘴VP130(98)-024**火焰的定義亞音速下，局部燃燒區域可自維持的傳播.局部亞音速不連續的燃燒:爆燃（deflagration)超音速:爆震(detonation)**主要參數溫度分佈火焰速度SL**快速化學反應區緩慢反應**典型實驗室火焰本生燈一維平面火焰絕熱燃燒器非絕熱燃燒器**********例題8.1一個穩定燃燒的層流預混火焰，混合氣可視為一維流動，其軸向速度

vu與水準座標x呈線性關係，如圖8.6所示，試確定火焰形狀以及火焰面與軸向所呈的局部角度。

假設火焰速度均為0.4m/s,（一般化學當量比下甲烷－空氣預混火焰的速度）**求解根據圖8.7，可以通過公式8.2來計算火焰面與軸向平面所呈的角度

。其中，根據圖8.6******因此，有計算結果繪於圖8.6（上圖），當x=0時,角度為30º;當x=20時,角度為19.5º為了計算火焰位置，我們先在x-z平面上得到火焰面局部斜率(dz/dx)的運算式，然後對其求積分解出z(x)，根據圖8.7我們可以看到：**A/SL=2，B/SL=0.05求積分得：****簡化分析(基於Spalding的理論)傳熱傳質化學動力學熱力學目標：找出層流火焰速度的簡化表達形式.**建模對於燃燒研究是非常重要的:尚無精確的理論我們需要通過建模做模擬計算:物理描述(物理模型)假設守恆方程(數學模型)求解(解析解或數值解)結果分析或與實驗進行比較**假設1.一維，穩流，constant-area,2.動能、勢能、粘性力做功以及熱輻射均忽略3.忽略火焰面兩側微小的壓力差;即壓力恒定4.熱擴散和質擴散由傅立葉（Fourier）定律及費克（Fick）定律決定－－二元擴散（Binarydiffusion）.**5.劉易斯（Lewis）數Le：熱擴散率與質擴散率的比,Le＝1.即k/cp=D,大大簡化了能量方程。**6.混合物的比熱不受溫度或組分的控制。相當於假設所有組分的比熱均為常數且相等。7.燃料與氧化劑經一步放熱反應生成燃燒產物。8.氧化劑為化學當量值或過量；即燃料完全氧化。**火焰分析的控制體Δxx=+

x=-

x控制體T(x)**守恆定律品質:或**組分或者，根據費克定律**1kg燃料+vkg氧化劑

(v+1)kg即,燃料**氧化劑產物**能量重排:**我們的任務：找到SL**解邊界條件:距離火焰無限遠處：**T(x)

-0x分析層流預混火焰時的假設溫度分佈************例8.2用簡化方法的結果(上述)來計算化學當量的丙烷空氣混合物的層流火焰傳播速度。採用總包的一步反應機理來計算平均反應速度。**解用式：關鍵是求得式中的各物理量**簡化理論認為反應在火焰厚度的後半段發生（Tb=Tad=2260,Tu=300K)********SL=0.425m/sHomework8.3:5-7cm/s**完全分析為什麼要研究完全（與總包的區別）？Chemkin：Sandia國家實驗室,1990-1991控制方程**控制方程連續性方程**組分守恆能量守恆**輔助關係理想氣體狀態方程擴散速度關係與溫度有關的參數:hi(T),cpi(T),ki(T),Dij(T)混合物特性MWmix,k,Dij

用完全化學動力學求解

Xis的互換關係**邊界條件**CH4-air火焰的結構1atm,化學當量,CH4-air火焰;CHEMKIN;GRI-MECH2.11********影響火焰速度和厚度的因素1過量空氣係數的影響。2燃料化學結構的影響。3添加劑的影響。4混合可燃物初始溫度T0的影響。5火焰溫度的影響。6壓力的影響7惰性物質含量的影響。8熱擴散係數和比熱的影響。**過量空氣係數的影響可燃氣體混合物的火焰傳播速度uH將隨著過量空氣係數α而改變。對於各種不同可燃氣體混合物其最大的uHmax並非處於可燃氣體混合物的過量空氣係數α等於1的情況，即混合物按化學當量的比例來混合的成份。實驗表明，其uHmax系發生在含可燃物濃度比化學當量的比例稍大的混合物中（即α<1）********燃料化學結構的影響不同的燃料對火焰正常傳播速度影響很大，從圖中可以看出一個規律，燃料的分子量愈大，可燃性的範圍就愈窄，圖顯示了三族燃料的最大火焰速度與其分子中的碳原子數的關係：對於飽和碳氫化合物（烷烴類），其最大火焰速度（0.7m/s）幾乎與分子中的碳原子數n無關；而對於一些非飽和碳氫化合物（無論是烯烴還是炔烴類），碳原子數較小的燃料，其層流火焰速度卻較大。當n增大到4時，uH的值將陡降，而後，隨n進一步增大而緩慢下降，直到n≥8時，就接近於飽和碳氫化合物的uH值。******添加劑的影響採用添加劑的主要目的是提高著火溫度及緩和過早著火和爆震的趨勢，添加劑對火焰速度只有輕微的影響。但對潮濕一氧化碳所作的研究表明，只要添加少量的氫或含氫燃料，火焰速度就會明顯提高。少量的H2O存在對CO的反應有著顯著影響，並且用擴散理論討論過這種現象。****混合可燃物初始溫度T0的影響提高可燃物初始溫度T0可以大大促進化學反應速度，因而增大uH值。******火焰溫度的影響圖表示幾種混合物的最大火焰速度與火焰溫度的關係。Tr對uH的影響顯然是很強的。可以說uH主要取決於Tr。********壓力的影響增加壓力一般都能提高燃燒強度，縮小燃燒設備的體積；另外一些高空飛行器的燃燒室又都在低壓下工作。因為火焰傳播速度與化學反應速度有關，而壓力的改變會影響化學反應速度的大小，因而亦就影響了SL值。******惰性物質含量的影響惰性物質，一方面直接影響燃燒溫度從而影響燃燒速度，另一方面，通過影響可燃混合氣的物理性質來影響火焰傳播速度。大量實驗證明，惰性物質的加入，將使火焰傳播速度降低，可燃界限縮小，以及使最大的火焰傳播速度值向燃料濃度較少的方向移動。******熱擴散係數和比熱的影響為了解釋擴散係數和反應速率對uH的重要影響，Clingman等人曾做過一系列的試驗，他們測量過甲烷在各種氧—惰性氣體混合物中的火焰傳播速度。氧與惰性氣體的體積比常被定為0.21:0.79，惰性氣體為氮（N2）、氦（He）和氬（Ar），他們的測量結果如圖所示。****火焰正常傳播速度的測量本身燈法圓柱管法定容球法肥皂泡法(定壓法)粒子示蹤法平面火焰燃燒器法**火焰傳播速度的測量火焰傳播的理論提供火焰傳播速度的定性的結果,而火焰傳播速度必須實驗來確定。測量火焰傳播速度的基本方法,包括本生燈法、圓柱管法、定容球法、肥皂泡法、粒子示蹤法和平面火焰燃燒器法等。而目前鐳射測試技術開始被應用到火焰的測量之中,由於用鐳射測試可以不破壞流場的結構本生燈的測量方法這兒介紹其他幾種測量方法。**圓柱管法如果一內徑大於猝熄距離(小於此臨界直徑就會發生猝熄)的水準玻璃管，如圖3-25所示。在管1中,裝滿了均勻的可燃混合氣體,點燃後火焰將沿管運動,並通過平衡容器2,使火焰在管內作勻速直線運動,從而得到一個穩定的火焰形狀。因為火焰鋒面是一個曲面,於是F>f,所示ur>uH。總的來說,由此法測得結果與本生燈測量的結果相近。****定容球法一個其內充滿可燃氣體直徑通常為30cm的球形容器,在其中心處點火時,火焰就向四周傳播,已燃氣體的膨脹會使壓力和溫度由於絕熱壓縮而升高。溫度升高又會使火焰速度自中心到球壁不斷增加。如果在此方法中,同時記錄已燃氣體的球形域的尺寸和容器內的壓力,則uH

上面所得的火焰速度假設了在火焰鋒面後處於完全平衡態,並且沒有熱損失。實際上在一個很大容積中,火焰鋒面後部達到平衡狀態是有時滯的,因此會產生誤差,所以用上面運算式計算所得的uH值常常會小於真實值。**肥皂泡法(定壓法)這種方法是將一些均勻可燃混合物吹進附近有一對電火花塞極的肥皂泡中,點火如果反應區域中的平均有效溫度不變,則反應機理不會隨成分的改變而變化。假定:(1)球形火焰沿徑向傳播。(2)壓力保持不變。(3)用照相法確定火焰鋒面的發展過程。**一個明顯不足是難於確定溫度比Tu/Tb。雖然可以假定煙氣具有理論火焰溫度,但對比膨脹比的計算值與實測值,往往出現嚴重偏差。而且,由於計算中要用到肥皂泡半徑的立方,所以必需很準確地知道肥皂泡的初始和最終尺寸,而實際上最終尺寸卻難於精確測量。此外,還有一些其他問題:去研究幹可燃物的火焰速度是不合適的,這是因為肥皂溶液的蒸發會使混合物變潮。不可避免地會產生向電極的傳熱對於緩慢的燃燒,火焰鋒面不可能保持球形,而且反應區會變厚。對於快速反應,由於火焰結構呈蜂窩狀,火焰鋒面不可能總是光滑的。**粒子示蹤法將很細的氧化鎂粒投入氣流中,產生間歇性的光亮,對示蹤粒子的拍照便可顯示它的方向,圖是所測得的典型結果。由一級連續照片還可確定出粒子的速度。所採用的噴口寬度很小,只有0.755cm,如果採用大的噴口,則由於燃燒速度均勻分佈會使火焰傳播更快。燃燒速度是一個不變的物理本征值(由圖3-28上的水準段可以看出)。不足之處是引入固體粒子將對火焰表面起催化作用,以致影響燃燒過程,從而改變uH。此外,如粒子太大,就不能準確地隨氣流流動,也會產生誤差。非常規測量,是非常費力的。******平面火焰燃燒器法最簡單的火焰鋒面,並且其陰影面、紋影和可見鋒面的輪廓都相同,可能是最精確的。將一多孔金屬盤或一束直徑小於或等於1mm的管子置於大管道的出口處,由一個水冷式多孔銅制(或不銹鋼制)的噴嘴組成,在其周圍,為了引入遮罩氣體,佈置了一組多孔罩環。這兩個部件都安裝在一個加工精度很高,冷卻水、燃氣和遮罩氣體集中佈置的裝置中。氣體混合物常常是在高速流動狀態下被點燃的,然後調整流速直到形成平面火焰,利用柵格控制已燃煙氣的流出率,就可以得到一個十分穩定的火焰。適用於燃燒速度低於15cm/s的可燃氣體,對於高uH,火焰鋒面會遠離噴口,形成錐面。****不同燃料火焰速度的轉換**例題8.3SL=50.6cm/s**熄火,可燃性,點火穩定傳播------暫態過程:火焰熄火和點火當通道小到一定程度，火焰會在通過時熄滅。加入稀釋劑：水，鹵素吹熄：blow-off:不同吹熄

blow-out：推舉後吹熄**冷壁面熄火正如上文提到的那樣，當火焰進入一個充分小的通道中時，就會熄滅。如果通道不是太小，火焰就會傳播過去。火焰進入圓形管熄滅而不是傳播過去的臨界直徑，稱為熄火距離。實驗中，對一特定直徑的試管，在反應物流突然停止的時候，通過觀察穩定在試管上方的火焰是否回火來確定熄火距離。**熄火距離也可以用長寬比較高的矩形狹槽來確定。這種情形，熄火距離基於圓管的測量值比基於狹縫的測量值大一些（大約20—30%）**點火和熄火準則Williams給出了支配點火和熄滅的兩個基本準則。第二個準則可用於冷壁熄火問題:準則1——僅當足夠多的能量加入到一個和穩態傳播的層流火焰一樣厚的板狀區域內，使其中氣體的溫度升高到絕熱火焰溫度時，才能點燃。**準則2——板形區域內化學反應的放熱速率必需近似平衡於由於熱傳導從這個區域散熱的速率。接下來，用這些準則對火焰熄滅作一個簡化分析。**簡化熄火分析如圖8.18所示的兩平行板組成一個狹縫，考慮恰好進入其中的火焰。利用Williams的第二個準則，按照Friedman的方法，可以寫出一個使反應生成的熱量和壁面導熱損失的熱量相等的能量平衡式，即****其中，單位體積的放熱率和前面定義的的關係是在繼續分析之前，有一點很重要，就是注意到分析中已經取板狀氣體區域（圖8.18）的厚度為8，即方程8.21表示的絕熱火焰厚度。現在的目標是確定滿足方程8.34所表達的熄火準則的距離，即熄火距離。**根據傅立葉定律，從火焰區域損失到壁面的熱量是其中熱導率k和溫度梯度都是用壁面處的氣體來估算的。面積A很容易表成，其中L是狹縫的厚度（垂直於紙面），2是因為火焰和兩邊的壁面接觸。**然而，溫度梯度dT/dx的近似要難得多。合理的dT/dx的下限值是(Tb-Tw)/(d/2)，這是假設中心面的溫度Tb下降到壁面溫度Tw是線性變化的結果。由於dT/dx很可能遠大於這個數值，所以引入一個任意常數b，由下式定義,**其中，通常是一個比2大很多的數。利用方程8.35-8.37，熄滅判別式（方程8.34）變成下麵的形式：或**假設Tw=Tu,利用前面推導出的

和SL之間的關係，再利用關係式：

hc=(v+1)cp(Tb-Tu),方程8.38b變為或者用

表示：**方程8.39b表明，熄火距離比火焰厚度大；這和圖8.16所示的甲烷的實驗結果是一致的。多種燃料的熄滅距離如表8.4所示。應該指出，利用方程8.28b可以估算出熄火距離對溫度和壓力的依賴關係。**例題8.4層流，絕熱平面火焰。燃燒器為方形薄壁管，內部密佈圓形細管。燃料－空氣混和氣流從細管及其縫隙中流過。化學當量比的甲烷－空氣氣流流出管口時溫度為300K，壓力為5atm.**A.求已知條件下，單位橫截面積的混和物質量流率。B.試估計不會引起回火的最大管徑。**求解A.對於所形成的平面火焰，要求平均流速要在給定的溫度和壓力下等於層流火焰速度。如圖8.14,品質流率為：假設混和物為理想氣體，我們可以估計混和物的密度：**及這樣，品質流率為

**B.我們假設，如果管子的直徑小於熄火距離，在加上一個安全係數，燃燒器在燃燒過程中就不會發生回火。這樣，我們需要找到已知條件下的熄火距離。由如8.16可知，1atm下，狹縫的熄火距離約為1.7mm.由於狹縫的熄火距離比圓管的小20-50%，我們可以直接採用此值，並利用其差值做為安全係數。現在，我們將這個值轉換到5-atm時的情