燃烧学9-非预混火焰.ppt

1、燃烧学9-非预混火焰,火焰分类 扩散火焰特点 层流扩散火焰结构 湍流扩散火焰,第一节 火焰分类,一 扩散燃烧与预混燃烧概念 预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 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的对流运动（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,燃料燃烧所需的时间= m+ r 燃料与空气混合时间m流动特征时间 燃烧反应时间r 化学反应时间 Da= m /r,扩散燃烧： m r, m 化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化学反应速度关系不大,预混燃烧： m r, r 混

2、合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化学动力因素)，与混合过程关系不大,动力-扩散燃烧 燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关,本生灯,一次空气消耗系数1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： = 1 + 2,（1） 1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） 1 1，从本生灯的底部供入的空气充足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于动力燃烧； （3） 01 1, 燃烧既有一次空气混合物的预混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动力-扩散燃烧。,(a) 1 1，当管中混气为贫

3、油时的动力火焰。此时混气中有足够氧气，不需要从外界获取氧气，故火焰光滑，随着1增大，火焰变长,(b)1 =1，化学恰当比下的动力火焰。此时温度高，火焰传播速度快，故火焰高度最短,(c)1 1，富油燃烧，此时混气燃料多而氧气少，故有剩余燃料。此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于1 =1的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩散获得外界氧气燃烧而形成，称为扩散火焰，内焰温度较高，外焰则较低,(d)1 =0，管中供应的为纯油气。所需氧气全部从外界获得，故为纯扩散燃烧，火焰最长,扩散火焰,层流扩散火焰 质量扩散以分子扩散形式实现,湍流扩散火焰 质量扩散以气团扩散形式实现,扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度

4、、流动状态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数影响不大 强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件,第二节 扩散火焰特点,扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解,湍流扩散火焰的稳定性： 火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始终“悬挂”在管口。 当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄,第三节 层流扩散火焰结构,过通风火焰 氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总的氧化剂过量）。火焰靠近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值，（即燃料过量），火焰向外壁蔓延,在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间chem远小于流动特征时间 chem

5、transport(或diffusion),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。,火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。 由于 chem transport(或diffusion) 故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0,层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在=1处形成火焰锋面 在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度达到最大值，然后向两侧扩散,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,

6、层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律,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,随着射流速度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此时火焰仍然保持层流,在增大射流速度，顶部开始出现颤动、皱折、破裂，表明端部出现湍流，由于湍流脉动，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短,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,第四节 湍流扩散火焰,扩散燃烧火焰长度的变化规律 （1

7、）层流扩散火焰区：火焰高度（长度）与气流速度成正比，（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，层流状火焰长度越短； （3）湍流火焰区：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，但是火焰有褶皱和噪音）,火焰高度,根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为： （1）自由射流湍流扩散火焰 （2）受限射流湍流扩散火焰 （3）同心射流湍流扩散火焰 （4）旋转射流湍流扩散火焰 （5）逆向射流湍流扩散火焰,相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长度和半径的经验公式 对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素： （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Frf （2）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1) （3）喷管内流体密度与环境气体密度之比e/ （4）初始射流直径di,甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因： （1）出口动