火焰传播速度

第五讲火焰传播与稳定的理论第一节：（层流）火焰传播速度•可以把火焰看作是发生在反应区内快速的但是自持的化学反应.只在某一方面描述火焰。•把缓燃波定义为靠燃烧维持的亚声速波是唯一严谨的定义。•火焰一般可分为：•扩散火焰—边混合，边燃烧；•预混火焰—预先混合好火焰的定义稳定的火焰正常传播•第一种是正常火焰传播(小于30m/s)。由于火焰传播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动的导热方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃料着火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。•第二种：爆燃，其火焰的传播速度超过了声速，一般可达1000～4000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。可燃气体的火焰正常传播•由于火焰是一层很狭窄的燃烧区域，燃料的化学反应只在该区域内进行，在这种情况下，可近似地把它当作一个数学表面，这一表面把未燃的新鲜燃料和燃烧产物分开，而所有的火焰传播现象即为此表面的传播。火焰传播速度•ddnnimuP0npLuuS其中up为火焰前沿法向移动的分速度；un为可燃混气在火焰前沿法向移动的分速度。如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致，取负号，反之，取正号。火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度UPUnnLpuSu感知速度up火焰传播数学描述•(1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘性力和体积力，管壁为绝热；•(2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体，定压比热为常数，摩尔质量保持不变；•(3)燃烧波（化学反应波）是驻定的,预混可燃气体不断流向燃烧波，无穷远处预混气流速度就是燃烧波传播速度。层流流动情况下的火焰速度可燃气体和空气混合物在20℃及1个大气压下的火焰前沿移动的正常速度值可燃气体正常速度,m/sH21.6CO0.30CH40.28C2H21.0C2H40.5•研究火焰正常传播的理论的目的，就是为了找到(层流)火焰速度SL。第二节：火焰正常传播的理论层流火焰传播的基本方程•对象:一维有化学反应定常层流流动•方程:连续方程动量方程能量方程扩散方程层流火焰传播方程lSuuConstp0)(QwdxdTScdxdTdxdlP0)(QwdxdTucdxdTdxdP0)(wdxdfudxdfDdxdss火焰正常扩张的理论•用于简化近似分析的热理论•捷尔道维奇等的分区近似解法•火焰传播的精确解法•Tanford等的扩散理论•层流火焰问题的数值求解方法用于简化近似分析的热理论•原理：认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。假设：•温度为T0，密度0的未燃可燃气体混合物以速度u0进入燃烧室，并且其初速度u0使可燃气体混合物维持层流流动工况；•如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止不动，则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度。00uSuLpTB数学模型0)(QwdxdTScdxdTdxdLxPxcuBpeTTTT00)(00ucCTTTTwprBB000()tauSl~0wt1~小结•(1)火焰前沿移动的正常速度是与其平均导热系数的平方根成正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此正常速度与气体混合物的物理常数有关•(2)正常速度随着达到反应时温度差值（TB-T0）的减小而增加，因此如果将气体预先加热后再送入燃烧室，则其正常速度能得以提高。ucCTTTTwprBB000()•(3)可燃气体混合物的热效应及化学反应速度亦显著地影响正常扩张速度，从第二点及公式可知，当可燃气体混合物的热效应及化学反应速度低的情况下，则正常速度数值亦小。•(4)可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当可燃混合物中的空气含量不足（α1）或过多时（α1）都会使燃烧温度Tr降低，因而亦降低正常速度。小结(续)ucCTTTTwprBB000()•(5)考虑到导温系数中的密度与压力成一次方关系,且火焰传播速度与压力有以下关系:则,对于二次反应来说,火焰传播速度将与压力无关.•上述理论尚不能定量分析,且有较大缺陷。如未燃混气初温与着火温度间的关系。小结(续)20~nlpus捷尔道维奇等的分区近似解法•同样，将火焰分为两个区域（预热区和反应区），但与前面的分析改进之处是将组分守恒方程与能量方程联立，而不是仅考虑能量方程，其基本假定是：•(1)压力不变•(2)反应过程中摩尔数不变•(3)物性参数Cp和λ为常数•(4)λ/cp=D，即Le=1•(5)火焰为一维稳定火焰结果rbrbTTbpTTbplwqdTTTcwqdTTTcs2022000)(22)(20220)(20TTcwqdTsrpTTlr)]11(exp[)()(!2000001TTRETTTTcqwBnSrnrrpsnl火焰传播的精确解法•由董道义所建立的精确解法，是对层流火焰基本方程直接进行精确求解。•层流火焰传播方程为：wqdxdTdxddxdTcSpl)(0rTTrpslwdTTTcqS020220)(2Tanford等的扩散理论•原理：认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。•对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的大小。•在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础上提出了火焰速度方程。层流火焰速度的表达式iiiiiprlBDpkXCuS0,0)(170,0,OHOHOHOHHHHHprlBDpkBDpkXCS上述中17这一常数表明存在着一个与自由基浓度无关，仅与火焰有关的速度层流火焰问题的数值求解方法•虽然前面已经提供了几种层流火焰的近似和精确求解方法，然而，真正能够用解析方法研究的火焰现象仍然是很少的。•近年来，随着高速计算机的发展，大多数的层流燃烧现象就可借助于数值方法来研究。一方面可以解决用解析法暂时不能解决的问题，另一方面有助于通过与解析及实验结果的对比来检验微分方程及其数值解的正确性Herimerl和Coffee计算的燃烧速度与Streng和Grosse的试验值的比较臭氧的初始摩尔分数燃烧速度（cm/s）HeimerlStreng和Grossea比率1.004974741.050.753963331.190.502481931.280.2564521.230.2033241.38第三节影响火焰正常传播速度的主要因素•影响火焰正常传播速度的主要因素。•火焰传播界限。•火焰正常传播速度的测量•过量空气系数的影响。•燃料化学结构的影响。•添加剂的影响。•混合可燃物初始温度T0的影响。•火焰温度的影响。•压力的影响•惰性物质含量的影响。•热扩散系数和比热的影响。过量空气系数的影响•可燃气体混合物的火焰传播速度sL将随着过量空气系数α而改变。对于各种不同可燃气体混合物其最大的SLmax并非处于可燃气体混合物的过量空气系数α等于1的情况，即混合物按化学当量的比例来混合的成份。实验表明，其SLmax系发生在含可燃物浓度比化学当量的比例稍大的混合物中（即α1）燃料化学结构的影响•不同的燃料对火焰正常传播速度影响很大，从图中可以看出一个规律，燃料的分子量愈大，可燃性的范围就愈窄，图显示了三族燃料的最大火焰速度与其分子中的碳原子数的关系：对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大火焰速度（0.7m/s）几乎与分子中的碳原子数n无关；而对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其层流火焰速度却较大。当n增大到4时，Sl的值将陡降，而后，随n进一步增大而缓慢下降，直到n≥8时，就接近于饱和碳氢化合物的Sl值。添加剂的影响•采用添加剂的主要目的是提高着火温度及缓和过早着火和爆震的趋势，添加剂对火焰速度只有轻微的影响。但对潮湿一氧化碳所作的研究表明，只要添加少量的氢或含氢燃料，火焰速度就会明显提高。少量的CH4存在对CO的反应有着显著影响，并且用扩散理论讨论过这种现象。混合可燃物初始温度T0的影响•提高可燃物初始温度T0可以大大促进化学反应速度，因而增大Sl值。rRTEleS2mlTS0火焰温度的影响•图表示几种混合物的最大火焰速度与火焰温度的关系。Tr对Sl的影响显然是很强的。可以说Sl要取决于Tr。压力的影响•增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小燃烧设备的体积；另外一些高空飞行器的燃烧室又都在低压下工作。•因为火焰传播速度与化学反应速度有关，而压力的改变会影响化学反应速度的大小，因而亦就影响了Sl值。mlpS12npSl惰性物质含量的影响•惰性物质，一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质来影响火焰传播速度。大量实验证明，惰性物质的加入，将使火焰传播速度降低，可燃界限缩小，以及使最大的火焰传播速度值向燃料浓度较少的方向移动。火焰传播界限•可燃气体混合物中的可燃物含量过浓或过稀即使在容器的一处着火后，其火焰仍不能传播到整个容器，因而对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。•可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值称为下限，而高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。几种气体在与空气混合时的火焰传播浓度极限（在0.1MPa，20℃时)气体浓度下限%浓度上限%最高火焰传播速度所处浓度%速度（米/秒）α=1.0时的火焰传播速度（米/秒）氢H26.565.2422.671.60一氧化碳CO16.370.9430.420.30甲烷CH46.311.910.50.370.28乙炔C2H23.552.3101.351.0乙烯C2H44.014.070.630.5火焰正常传播速度的测量•圆柱管法•定容球法•肥皂泡法(定压法)•粒子示踪法•平面火焰燃烧器法火焰正常传播速度的测量火焰传播的理论只能是提供火焰传播速度的定性的结果,而火焰传播速度必须通过实验来确定。•测量火焰传播速度的基本方法,包括本生灯法、圆柱管法、定容球法、肥皂泡法、粒子示踪法和平面火焰燃烧器法等。•目前激光测试技术开始被应用到火焰的测量之中,由于用激光测试可以不破坏流场的结构,对测量与研究火焰传播速度提供了更精确而有效的实验方法。本生灯火焰传播速度•根据本生灯的锥形火焰来测量火焰传播速度的方法最为简单和可靠，在一般实验室用的本生灯中，预先把可燃气体的燃烧所需的空气混合好，并且使可燃气体混合物在本生灯的管子中保持运动圆柱管法•如果一内径大于猝熄距离(小于此临界直径就会发生猝熄)的水平玻璃管，如图所示。•在管1中,装满了均匀的可燃混合气体,点燃后火焰将沿管运动,并通过平衡容器2,使火焰在管内作匀速直线运动,从而得到一个稳定的火焰形状。因为火焰锋面是一个曲面,于是Ff,所示urSl。总的来说,由此法测得结果与本生灯测量的结果相近。定容球法•一个其内充满可燃气体直径通常为30cm的球形容器,在其中心处点火时,火焰就向四周传播,已燃气体的膨胀会使压力和温度由于绝热压缩而升高。温度升高又会使火焰速度自中心到球壁不断增加。如果在此方法中,同时记录已燃气体的球形域的尺寸和容器内的压力,则可求得Sl•上面所得的火焰速度假设了在火焰锋面后处于完全平衡态,并且没有热损失。实际上在一个很大容积中,火焰锋面后部达到平衡状态是有时滞的,因此会产生误差,所以用上面表达式计算所得的Sl值常常会小于真实值。肥皂泡法(定压法)•这种方法是将一些均匀可燃混合物吹进附近有一对电火花塞极的肥皂泡中,点火•如果反应区域中的平均有效温度不变,则反应机理不会随成分的改变而变化。•假定:•(1)球形火焰沿径向传播。•(2)压力保持不变。•(3)用照相法确定火焰锋面的发展过程。•此方法的一个明显不足是难于确定温度