004_燃烧学-大连理工燃烧学137

1、燃 烧 学 第七章,田江平 内燃机研究所414 tianjp,开口系统的着火与熄火,可燃气在燃烧室停留时间 停留时间长，则放热速率曲线 qG上移，着火越容易； 为什么？ 若反应速率一定，则时间越长， 放热速率越大。如果开口系统的长度很短，或混合气流速过大，则混合气还没来得急自燃或者完全燃烧就已经流出了系统。 随着停留时间的增加，安全区（B-C两点之间为安全区）扩大。熄火的可能性减小，燃烧稳定性改善。,燃烧学,2,开口系统的着火与熄火,热值对着火熄火的影响 热值影响放热速率。热值越大，放热速率越大，临界温度越低; 热值越大，安全区越大，燃烧稳定性越好。 化学反应速率w对着火熄火影响的作用与热值相

2、同。,燃烧学,3,开口系统的着火与熄火,系统散热对着火熄火的影响 Stefan-Boltzmann定律，辐射强度与温度的四次方成正比。 则散热速率式改变为： 则原来的散热速率直线变为曲线,燃烧学,4,显然，辐射散热越大，着火越困难，且对应的上稳定点的放热速率和温度越低； 当散热增大到一定程度，系统熄火。,第七章,使用燃烧学导论-概念与应用中第8章内容。 PDF文件 原因：课本的公式推导过于复杂。本章做简要介绍。,燃烧学,5,第七章 层流预混火焰,燃烧学,6,第六章研究了着火过程。着火以后，火焰在可燃混合气中自行传播 红色：火焰锋面 黄色：已燃产物 蓝色：未燃混合气,定义： 火焰：以亚音速，自维

3、持传播的局部燃烧区域。 缓燃波：亚音速不连续燃烧波。依靠导热使未燃混合气升温（或由于扩散使活化中间产物输运到未燃混合气）而引发反应。速度：m/s量级。 爆震波：超音速燃烧波。依靠激波的压缩作用使未燃混合气升温，传播速度通常大于1000m/s。,2020/6/22,7,主要内容,应用: 煤气炉灶、加热炉、本生灯 主要内容： 基本特征定性描述 简化分析影响火焰速度和厚度的因素 完全分析火焰结构 用实验数据确定当量比、温度、压力、燃料特性对火焰速度和厚度的影响规律 火焰速度对火焰形状；火焰稳定性；吹熄（blow-off; blow-out）；回火的影响规律 讨论可燃极限；着火；熄火现象（ extin

4、ction）,2020/6/22,8,应用：炉灶与本生灯,燃烧学,9,一维定常流动火焰传播,burned,unburned,flame,2020/6/22,10,快速化学反应区,缓慢反应,预混层流火焰结构,基于Friedman和Burke实验得出的温度和放热率图,温度测试：0.013热电偶,2020/6/22,11,预热区：基本不释放热量 反应区： 快速反应区 双分子反应，迅速，燃料分子消耗和中间产物生成，常压下典型厚度小于1mm，温度梯度和组分浓度梯度都很大（自维持驱动力） 慢速反应区 三分子反应支配，反应速度慢； 燃尽反应由CO+OH=CO2+H完成； 常压下可延伸至几毫米。,区域解释,2

5、020/6/22,12,可见辐射 快速反应区 空气过量，蓝色（CH*） 减少至小于化学计量比，蓝绿色（C2） 两种火焰中，OH发出可见光，CO+OCO2+hv发出荧光（弱） 更缺氧，碳烟黑体辐射（最大值位于红外区），可见光区从亮黄到暗橘色，取决于火焰温度。 如家用炉灶。 PS： 两色法：测试两种不同波长的光的辐射，可得测试火焰的温度和碳烟浓度分布,2020/6/22,13,介绍几种典型实验室火焰,本生灯 辐射加热燃烧器 绝热燃烧器与非绝热燃烧器,2020/6/22,14,本生灯（Bunsen Burner）火焰,2020/6/22,15,(a) 本生灯示意图；(b)层流火焰速度等于未燃气体流速

6、在火焰面法线分量,本生灯火焰速度,2020/6/22,16,纤维网燃烧器（陶瓷或金属） 多孔陶瓷泡沫燃烧器 开孔陶瓷片燃烧器,直接加热辐射燃烧器 产生均匀热流，效率很高,扁平层流火焰燃烧器,2020/6/22,17,实验室燃烧器类型,绝热平面火焰燃烧器 稳定扁平火焰条件苛刻 非绝热平面燃烧器 将火焰产生的热量散出去，降低火焰速度，利于产生稳定火焰,平面火焰,筛网,玻璃球,管束,燃料-空气 混合物,2020/6/22,18,例题,一个稳定燃烧的层流预混火焰，混合气可视为一维流动，其轴向速度 vu 与水平坐标x呈线性关系，如下图所示，试确定火焰形状以及火焰面与轴向所呈的局部角度。 假设火焰速度为0

7、.4 m/s, （化学当量比下甲烷空气预混火焰的速度）,2020/6/22,19,计算火焰面与轴向平面所呈的角度。 相似三角形,2020/6/22,20,根据未燃物速度分布 当x=0时,角度为 30; 当x=20时, 角度为 19.5 为了计算火焰位置，我们先在x-z平面上得到火焰面局部斜率(dz/dx)的表达式，然后对其求积分解出z(x),2020/6/22,21,计算结果,本例说明： 火焰的形状可以根据未燃气体的来流速度来计算,2020/6/22,22,层流预混火焰简化分析(基于Spalding的理论),Spalding理论：只陈述物理过程，不涉及复杂的数学。 与传热、传质、化学动力学、热

8、力学相结合 目标：找出影响层流火焰速度、火焰厚度的因素 主要过程: 物理描述(物理模型) 假设 守恒方程(数学模型) 求解(解析解或数值解) 结果分析,2020/6/22,假设,1. 一维， 等面积，稳定流。 2. 动能、势能、粘性力做功以及热辐射均忽略。 3. 忽略火焰面两侧微小的压力差，即压力恒定。 4. 热扩散和质扩散由傅立叶（Fourier）定律及费克（Fick）定律决定，假定是二元扩散。 5. 刘易斯（ Lewis ）数Le：热扩散率与质扩散率的比Le1，即 /cp=D，大大简化了能量方程。 6. 混合物的比热不随温度或组分变化，相当于假设所有组分的比热均为常数且相等。 7. 燃料与

9、氧化剂经一步放热反应生成燃烧产物。 8. 氧化剂为化学当量值或过量，即燃料完全氧化。,2020/6/22,24,火焰分析的控制体,2020/6/22,25,守恒定律,总质量守恒: 组分质量守恒,第i种组分在单位体积内的质量生成率,2020/6/22,26,简化的总包反应方程式： 1 kg 燃料+v kg 氧化剂(v+1) kg 产物 即, 组分质量守恒方程式： 燃料 氧化剂 产物,以下5页PPT（蓝色标题部分）为Shvab-Zeldovich简化能量守恒方程的推导，为插入内容。,燃烧学,27,关键：假设是刘易斯数Le(a/D)为1 首先，返回能量方程一维形式和热通量的通用形式 其中：,Shva

10、bZeldovich形式的能量守恒方程,一维形式，并根据菲克定律，有：,右边 第一项：传导引起的显焓变化； 第二项：组分扩散引起的绝对焓变化； 第三项：组分扩散引起的显焓变化。,再令D=const，即使用单一扩散系数来表征混合物,Le=1，即/D=1(= cp),根据绝对焓定义，将绝对焓写成标准生成焓和显焓的形式：,代入上式，得：,整理，得：,根据菲克定律和组分守恒方程，有：,将绝对焓写成标准生成焓和显焓的形式，代入，得,单位体积内对流引起显焓变化率,单位体积内扩散引起显焓变化率,单位体积内化学反应中化学反应引起生成焓变化率,动能项，通常很小，忽略,方程式左边组分质量通量消掉，焓变项消掉，此方

11、程为： Shvab-Zeldovich形式能量守恒方程一维形式,Shvab-Zeldovich形式能量守恒方程一维形式,能量守恒（Shvab-Zeldovich形式） 方程式右边： 又： Le1，即 =Dcp,hc: 燃料的燃烧热,2020/6/22,34,我们的任务：找到SL 上式中，哪项和SL有关？,整理，得：,求解,边界条件: 距离火焰无限远处：,2020/6/22,35,分析层流预混火焰时的假设温度分布,对x积分，消去dT/dx在x=0和x=处的不连续性，应用-+： 燃料消耗率只在区域内不等于0，积分限变为0 ，dx用dT表示：,2020/6/22,36,2020/6/22,37,定义平均反应速度： 简化结果： 含有 和的简单代数方程。需要再找一个方程才能求解。,2020/6/22,38