05第五章 火焰传播与气体燃料燃烧

1、第五章以火焰传播和气体燃料燃烧、第一节火焰传播的基本概念、第一节火焰传播为例，介绍了火焰传播的基本概念。在燃烧区域和未燃烧区域之间形成了明显的分界线，化学反应发光区域在火焰之前(或火焰之前)。如图所示。表示火焰传播速度，燃料燃烧的火焰电线沿法线方向移动的速度。2，火焰传播形式停止可燃混合物中的某处发生化学反应时，牙齿反应随着时间的推移在混合气体中传播。根据反应机理，稳定的火焰传播可以分为正常传播(或完全传播)和爆燃两种茄子形式。火焰的正常传播依赖于热导和分子扩散，提高未燃搅拌机温度，进入反应区，产生化学反应现象，使燃烧波继续推进未燃搅拌机。爆燃传播不是通过传热和传导产生的，而是依靠激波的压缩作

2、用，随着未燃混合器的温度继续升高，化学反应，因此，燃烧波继续用未燃混合气体推进。、根据燃料气流的流动类型，火焰的正常传播可以分为层流火焰传播和湍流火焰传播两种茄子形式。在火焰传播过程中可燃混合机处于湍流状态时，称为湍流火焰传播。层流火焰传播是缓慢燃烧的火焰传播，依靠传热或扩散提高无燃气混合物的温度，火焰依次传播到一层未燃烧的部分。湍流火焰在200cm/s以上快速传播。一般产业技术的燃烧都属于湍流火焰传播。发电厂煤粉锅炉的火焰传播在正常情况下缓慢燃烧的湍流火焰中传播。可燃物在部分地区发生火灾后，火焰在牙齿牙齿地区向前移动，逐渐传播和扩散。火焰传播速度约为13m/s。如果燃烧状态不好，例如燃烧不完

3、全，则在炉子上聚集可燃物，使未燃混合物的数量增加到一定浓度，绝热压缩逐渐加强，缓慢的火焰传播过程自动加速，可以转化为爆炸性燃烧。大卫亚设，美国电视电视剧，燃烧吧)，第二节层流火焰传播，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1为了方便起见，假设火焰前缘固定，混合气体流入层流火焰传播速度uL的管内，初始参数浓度为Y-，温度T-，密度-，压力p-。是化学反应速率w。薄层具有以下特征：(1)火焰前厚度的很大一部分，小化学反应速率。化学反应主要集中在狭窄区域()，称为厚度为LC的化学反应区域。(2)火焰前方厚度小，但温度和浓度的变化非常大小，因此火焰前方出现了大浓度梯度和温度梯度。2，层流火焰传播速度

4、称为层流火焰传播方程。为了解开牙齿方程组，需要上边界条件课。一般火焰正常传播速度的数量级为1100cm/s。火焰传播速度与化学反应速率平方根成正比。3、影响层流火焰传播速度的因素1、热扩散率2、压力3、初始温度4、理论燃烧温度5、过剩空气系数、图5-4初始温度对火焰传播速度的影响图5，1，湍流火焰传播机制借用层流火焰电线的概念，认为火焰和无燃气体的边界具有几何面，这也称为火焰电线。、，图5-9湍流烟火图表A)小型湍流烟火B)大型弱湍流火焰C)大型湍流火焰，微组脉动速度W和层流火焰传播速度uL的比较，w uL称为大型湍流火焰。相反，它被称为大规模弱湍流火焰。2，湍流火焰传播速度，1，湍流火焰的表

5、面理论在2300Re6000范围内湍流是小规模的。，可燃气体通过燃烧器喷嘴喷射到炉子上，在燃料进入炉子前预先混合燃烧所需的所有空气，牙齿火焰称为字典混合火焰，也称为动力燃烧火焰，属于动力控制燃烧。字典混合火焰的燃烧温度高，燃烧强度高，燃烧完整，没有黑烟，火焰淡蓝色，燃烧过程短。火焰中有氧化的气氛。但是回火，脱花，稳定性差。第二个是扩散火焰，如图5-13中的(C)所示。燃料不与空气混合，进入火炉搅拌的话，牙齿火焰称为扩散化火焰，燃烧所需的空气由周围空间的空气扩散供给，属于扩散控制燃烧。扩散火焰的燃烧温度低，燃烧不强，燃烧不完全，产生黑烟，火焰呈浅黄色，燃烧过程长，即火焰最长。火焰中有恢复性的气氛

6、。但不点火，不点火，燃烧稳定。第三是部分预混合火焰，如图5-13中的(B)所示。燃料和部分空气混合进入火炉，牙齿火焰称为部分字典混合火焰，有内外两个火焰电线。内部火焰由预先混合的部分空气和部分燃料燃烧形成，外部火焰由剩馀燃料和向外部扩散的空气燃烧形成。一些字典混合火焰也由扩散控制。其特点介于字典混合火焰和扩散火焰之间。在锅炉设备中广泛采用扩散燃烧，保证火焰稳定，经常利用人工扰动和涡流加速可燃物和空气的混合过程，加强燃烧。如图5-14所示，如图5-14所示，如图5-14所示，图5-14所示，动态燃烧烟火形状，管内任意截面处混合物的流动速率W分布规律：，扩散形式的火焰也可以在气体燃料和部分空气均匀

7、混合后，燃烧器进入火炉燃烧，未完全燃烧的空气依靠火焰外部的扩散供给。图5-15扩散燃烧火焰形状1空气过剩时；2易燃气体过剩时，气体可燃物和空气从管道直径为R1的内管和管道直径为R2的外观流向层流，内管为同心，管道直径为R2的外观可以看作供应空气的“炉子”，另一方面限制火焰的扩散。、无论气体的流动条件是层流还是湍流，在化学非均匀扩散燃烧过程中，其火焰的性质在很大程度上取决于气体的空气动力学特性和混合过程的物理因素。火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。三、火焰稳定原理要求燃烧设备的火焰保持稳定，火焰的电线必须在一定的位置。，图5-17煤气基本灯的特性1回火区域；二脱火区；3火焰明黄色。1

8、k一次风过剩空气系数；w流速，5节气体燃料湍流燃烧，工程燃烧设备一般容量大，燃料消耗量大，因此燃料棋类流速高，实际燃烧过程基本属于湍流燃烧过程。目前湍流燃烧研究以理论模型研究为主。经典湍流火焰传播理论，包括波纹层流火焰的表面燃烧理论和微扩散的体积燃烧理论；湍流燃烧模型方法是以湍流燃烧率计算为目标的湍流扩散燃烧和字典混合燃烧的物理模型。其中包括最新的发电概率分布函数运输方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。讨论湍流火焰传播速度时介绍了第一类理论模型，牙齿部分主要讨论了第二类湍流燃烧模型。1，湍流燃烧时的平均反应率和混合分数模型1，诗平均反应率可以用上述简单的一步化学反应的阿雷尼厄公式表示。牙齿公式

9、适用于层流火焰。但是当流动变成湍流时，温度，反应物浓度随着时间和空间而波动。这时，阿雷尼乌斯公式只是描述反应率的瞬间值。(1)在化学反应时间尺度湍流时间尺度中，化学反应时间尺度tr远远大于湍流时间尺度tT。换句话说，对本地湍流的化学反应变化很慢。此时湍流脉动相对较小时湍流脉动对反应率的影响可以忽略不计。在牙齿点，时间平均反应速度为、(2)化学反应时间尺度湍流时间尺度的火焰类型在燃烧过程中很常见。这称为快速反应。总的来说，可以认为化学反应速度快，在局部的暂时平衡中。在这些火焰中，湍流混合过程是控制反应速度的过程。反应在反应物混合的瞬间达到平衡。在这种情况下，可以通过常数或混合分数来判断任何地方的

10、“混合度”。牙齿常量是对局部瞬态当量比的测量，瞬态常量和瞬态化学性质(如组、温度、密度)之间存在唯一的函数关系。(3)化学反应时间尺度湍流时间尺度在牙齿情况下称为有限速度反应。化学动力学和湍流脉动都必须一起考虑。应该说，这是化学反应中常见的情况。这种化学反应是最复杂、最缺乏研究的，需要对这种类型的燃烧情况进行更多的研究。2，常量和混合分数通常满足能量，质量，动量和组守恒的微分方程称为守恒方程。在数学上，满足被动守恒方程的因子变量通常称为常量。守恒量的概念在湍流燃烧研究中很重要。图5-18两个流体混合过程示意图考察了理想化的燃烧室，如图5-18所示。燃料fu和氧化剂ox分别流入质量流量F和(1-

11、f)，混合物M流出质量流量1。在牙齿过程中，所有手动、无环的外延变量都满足关系：，实验中燃料和氧化剂可以局部共存也与快速反应模型相矛盾。斯巴廷提出并开发了湍流扩散火焰的k- G模型。重点是(1)以K-双方模式模拟湍流输送。(2)使用简单的化学反应系统和快速反应假设；(3)建立以g为变量的控制方程。(4)求混合分数F的概率密度分布函数P(f)，微分方程求解(5)燃料和氧气的质量分数。(6)寻求政体的焓。牙齿模型的核心是解决P(f)的方法。目前有三种茄子方法。也就是说，在对湍流脉冲的识别中人为地指定P(f)。建立、建模和解决以P(f)为变数的微分方程，即PDF模型。P(f)根据ESCIMO理论计算

12、。3，湍流字典混合火焰模型层字典混合火焰以uL的传播速度无燃气传播，其值仅与可燃气体的物理化学特性相关。湍流火焰传播速度uT不仅与物理化学性质的函数有关，还与流动状态有关，此时火焰锋强烈脉动，无法观察单个连续火焰锋面，燃烧在一定空间内进行，成为“容积燃烧”状态。1，旋涡破碎模型(EBU)最简单的湍流字典混合火焰模型是spa tin提出的旋涡破碎模型(eddy-break-up model)，即EBU模型。它的基本思想将湍流燃烧区视为燃气尾团和燃气尾团的混合物，发生在化学反应牙齿两个尾团的交界面，化学反应速率认为，未燃料气体尾团在湍流作用下断裂成较小的尾团。破碎速度与湍流脉动动能的衰减速度成正比

13、。2、2、衍生自牙齿模型的2D湍流字典混合燃烧率公式表示，格式中：流体层厚度，下标U和B分别表示无燃气组和燃气组。4，概率密度函数输运方程模型在燃烧过程的实验研究和对湍流问题的深入理解下，开始认识到磷变量的概率分布形式不同。在同一湍流场内，各地区、各参数的概率分布函数也不同。概率分布函数PDF本身也是由运输方程控制的参数变量。研究人员首先导出了速度的联合PDF的运输方程。后来，有人导出了各组斯卡拉联合PDF的运输方程。其突出的优点是非线性化学反应处理非常方便。单变量概率密度函数输运方程：5，ESCIMO湍流燃烧理论spar tin和合作者在发展旋涡粉碎模型和拉力滑动模型的基础上继续对湍流燃烧的物理描述，放弃对精确输运方程的无意义推导和建模的追求，发展了所谓ESCIMO湍流燃烧模型。ESCIMO每个字母的意思：E，Engulfment:吞卷，大规模湍流作用，一种流体被另一种流体吞噬的过程；s，Stretching:拉伸，重叠流体层，随着拉伸作用，长度增加，厚度减小。c，Coherence:粘合，吞咽，不分离，粘在一起，拉伸和燃烧过程不