火焰传播和火焰稳定性

研究的问题层流火焰传播速度湍流火焰传播速度影响火焰传播的因素火焰稳定性问题。火焰分类预混合火焰锥体按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰移移动火焰基本概念层流火焰——火焰面通过热传导和分子扩散把热量和活性中心提供给临近尚未燃烧的预混气体薄层，使火焰传播下去。湍流火焰——火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运是依靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动状态支配。层流火焰湍流火焰按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰火焰前沿（前锋、波前）已燃气新鲜混气火焰前沿•已燃的区域和未燃的区域之间形成的分界线•特征尺寸极薄，可看成几何面•发光的火焰层，化学反应区火焰的传播速度已燃气未燃气ndn火焰的传播速度：火焰前锋沿其法线方向相对于新鲜混合气移动的速度。平面火焰的传播方式正常火焰传播速度（缓焰波）预混气火焰前锋燃烧产物爆震波火焰前锋多个火焰中心电点火不正常火焰传播（爆震波）层流火焰传播理论层流火焰传播理论分为：热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区向预热区的热量交换的传热过程。扩散理论:火焰传播过程取决于活性中心浓度的扩散过程。实际中两种机制同时起作用。火焰结构及其特征pcCf,0T0TiTm火焰前锋驻定u0=uLTm,Cf,00up,Tmpi+x-xw火焰结构及参数分布示意图Cf0→0火焰结构及其特征火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反应区前沿厚度很小，但温度梯度和浓度梯度很大，存在强烈的热传导和物质扩散火焰前沿在预混气中移动，是由于反应区放出热量不断向新鲜混合气传递及新鲜混合气不断向反应区中扩散。燃烧前沿的导热微分方程对于绝热条件，火焰面的边界条件为能量微分方程为：WQdxdTdxddxdTCupL00,,0,,0dxdTTTxdxdTTTxm层流火焰传播速度uL表达式（1）在预热区：反应速度W近似为零积分后：dxdTdxddxdTCupL000TTCudxdTipLp•泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解边界条件：iTTxdxdTTTx,0,,p0层流火焰传播速度uL表达式（2）•在反应区：反应区温度升高所消耗的能量近似为零积分后：边界条件：ipmTTxdxdTTTx,;0,,022WQdxTdmiTTCWQdTdxdT2WQdxdTdxddxdTCupL0层流火焰传播速度uL表达式（2）拐点处：00TTCudxdTipLp则求得传播速度为：CPdxdTdxdT202202TTCWQdTuiPTTLmimiTTCWQdTdxdT2层流火焰传播速度uL表达式（3）因为预热区反应速度很小因为反应区温度变化不大:火焰传播速度为：层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关iTTWdT00mimTTTTWdTWdT000TTTTmiWQTTWdTQTTWQdTmmiTTmTTi00002202TTCWQumPL在固定火焰、稳定燃烧条件下：导入热量获得热焓量ATTQLmD/0)(00TTCAuQmPLh火焰传播速度WauLPCa0tAQtmCQpLLu宏观角度分析：选定燃料的火焰速度计算公式往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验公式：22refL,)(MMBBu参考温度下：式中：)1(22.016.0)1(8.018.2Ydil2：稀释剂的浓度：当量比；数；：由燃料类型确定的常、、MMBBatmPKTrefref1298、参考状态指：)1.21(//dilrefrefrefL,YPPTTuuL时：KT350燃料(cm/s)(cm/s)甲醇丙烷异辛烷RMFD-3031.11.081.131.1336.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34MMB2B例题：针对下述几种工况，对汽油－空气混合物在下的层流火焰速度进行比较：（1）参考状态：（2）典型的电火化点火的条件，即：（3）条件与（2）相当，但有15％的废气回流量。8.0atmPKT38.18,685atmPKTrefref1298、影响火焰传播速度的因素燃料、氧化剂性质及其混合比压力初始温度添加剂燃料、氧化剂性质及其混合比影响燃料种类—火焰传播速度不同是由于燃料的热物理性质和化学反应性质不同造成。甲烷乙烷丙烷丁烷乙烯氢气CO人工煤气0.43～0.450.4870.4720.4530.793.45-3.570.175-0.191.0常用燃料层流时的火焰传播速度（α=1）燃料浓度的影响•火焰传播只发生在一定浓度界限内,燃料气过贫或过富，火焰都无法传播。在火焰传播浓度界限之外，传播速度等于零。•两者都在化学恰当比浓度XFS附近达到最大火焰传播速度。•氢气预混气比一氧化碳预混气的火焰传播浓度界限要窄得多。280H2/空气CO/O202040608010004080120160200240XfuL压力的影响压力对火焰传播速度的影响取决于反应的压力指数（n-2)/2压力指数对uL的影响2/10WuLnpW20nLpu0p22npuL20nLpu0-0.30.3201001000(n-2)/2uL2n2n初始温度的影响初始温度提高•实验结果mLTu0m=1.5~2•经验公式20213011045.0TTuuLLcm/s•预热到着火的时间缩短•燃烧反应带温度提高•反应速度加快•气体导热系数增加•气体密度减小。火焰传播速度增大添加剂的影响活性添加剂（H2）—火焰传播界限和火焰传播速度随活性添加剂浓度改变而发生明显变化。惰性添加剂（CO2、N2、He）—火焰传播速度减小，火焰传播界限缩小，火焰传播极限向燃料浓度减小方向偏移。催化剂（铂、钯、铯）—加入混合气中对火焰传播速度有明显的影响。加入H2对CO预混气uL的影响加入CH4对CO预混气uL的影响活性添加剂H2CO%01001000040800250uLXfCH4CO%1000010004070060uLXf惰性添加剂0.81.400.5uL(m/s)当量比0.81.400.5uL(m/s)当量比加入N2对甲烷uL的影响加入CO2对甲烷uL的影响0%N250%N258.8%N20%CO225%CO232.1%CO2催化剂的影响CO/空气反应中加入水蒸汽：干CO/空气：潮湿CO/空气：m/s40~20Lum/s106LuLu，，浓度活性中心W)OHH,(层流火焰传播速度的测量方法肥皂泡法球弹法平面火焰法本生灯法测定方法分类•移动火焰测定法•驻定火焰测定法测定方法：肥皂泡法实际火焰传播速度公式：ddrauL1其中fdDa03缺点：•并非所有混气适用•受水分影响•实现困难移动火焰测量法球弹法火焰传播速度ddpkprrRddruL2333优点•可测定不同压力下、温度下的以及高压情况下的火焰传播速度•只适用火焰传播速度快的混合气移动火焰测量法平面火焰法驻定火焰测量法使用专门的火焰烧嘴火焰传播速度等于气流速度测量的结果准确适用于火焰传播速度较低的预混气体。网格平面火焰整流网预混气惰性气体本生灯法平均的层流火焰传播速度：sinuuL或者22RHRVuL•驻定火焰测定法RHLu湍流火焰传播不同燃烧速率时湍流火焰表面窄缝燃烧湍流火焰表面层流火焰和湍流火焰的不同层流火焰湍流火焰外观清晰，火焰层薄外观模糊，火焰层厚长度较长长度较短火焰稳定，表面光滑火焰抖动，呈毛刷状燃烧时较安静燃烧时有噪声流动面积小，粘度系数大流动面积大，粘度系数小湍流火焰传播特点：层流火焰湍流火焰•湍流使火焰面变弯曲，增大反应面积•湍流加剧了热和活性中心的输运速率，增大燃烧速率•湍流缩短混合时间，提高燃烧速率•湍流燃烧，燃烧加强，反应率增大预混气火焰传播速度的实验结果·Re2300,实验图形1LTuu，层流状态•2300Re6000,21ReLTuu，小尺度湍流火焰•6000Re18000,BAuuLT0Re，大尺度湍流火焰1）邓克尔实验0481216Re20X10012345uT/uLRe对火焰传播速度的影响小尺度大尺度返回3)达郎托夫经验公式预混气火焰传播速度的实验结果2）博林杰—威廉姆斯经验公式24.0026.0Re18.0duuLT3.0~4.07.0~6.0')()(3.5LLTuuuu3.0~4.07.0~6.0')()(3.5'LTLuuuuu时，预混气火焰传播速度的实验结果)',()Re,(0uufuufuLTLT湍流火焰传播经验公式总结：湍流火焰传播速度影响因素：混合气性质、浓度、初温、初压，流动状态湍流火焰传播速度：混合气的物理化学性质流动状态（Re）湍流火焰传播理论皱折表面理论湍流脉动——火焰面皱褶变形——燃烧反应表面积增大——燃烧速度增大——湍流火焰传播速度增大实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。容积扩散理论。湍流混合强度决定了火焰传播速度。实质：湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。皱折表面理论层流及湍流火焰前锋示意图：1）小尺度湍流火焰传播速度模型21ReluuuLT)(Ll湍流火焰传播速度：))/((ca混合气的物理化学性质流动状态（Re）层流：auL湍流：TTauaauuTLT))/((caTT'lu湍流扩散系数（涡粘性系数）：Re'duluaaT21ReluuuLT邓克尔用本生灯湍流火焰实验证实了此式。皱折表面理论模型2）大尺度弱湍流火焰传播速度模型aluaauuLT'12'1LLTLTuuAAuu进一步发展的小尺度湍流火焰传播速度模型LLuul',皱折表面理论模型3）大尺度强湍流火焰传播速度模型DLTuuu12LDluu1'2LLTluuu4）达朗托夫假定气团l0火焰速度uM=uL+u’气团尺寸减小l火焰速度变为uLLLuul',皱折表面理论模型0'lluuuddlLMLLTuuCuuu''1ln火焰向气团内部的传播速度：3.0~4.07.0~6.0')()(3.5LLTuuuu与实验结论相吻合。容积扩散理论微团多个新的微团强湍流脉动作用整体燃烧与其他微团结合边混合边反应达到着火条件没达到着火条件湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。湍流混合强度决定了火焰传播速度。湍流两种燃烧模型判据表面燃烧模型——保持了层流火焰前锋的基本结构，燃烧表面积增大。解释弱湍流。容积燃烧模型——混合气微团受到脉动的冲击，表面燃烧已不存在，而是微团整体的反应。解释强湍流。判据K定义：湍流脉动特征时间火焰前锋燃烧特征时间mCCmLLttttuluK11'//大尺度弱湍流：:),(1'LLuulK皱褶表面理论起主要作用大尺度强湍流：：),(1'LLuulK容积燃烧理论起主要作用大尺度较强湍流：）（LLuulK',1两个理论都可以用火焰的稳定性火焰稳定概念：没吹熄（脱火），没回火；火焰区位置和体积稳定。主要内容：火焰稳定的条件稳定火焰的方法一维平面火焰稳定的条件w0=uL,火焰驻定点火w0uLuLuLw0w0uL,产生回火w0uL,产生吹熄（脱火）火焰稳定条件uLw0本生灯口层流火焰稳定机理本生灯火焰特点：外凸边缘火焰穿透距离（熄火距离）径向火焰传播速度不同wn0最大，uL0最大wnr最小，uLr最小wn0uL0wnruLr圆顶凸缘wn0uL0wnruLr圆顶凸缘本