火焰传播与稳定理论打印版.

火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播的基本方式可燃气体的火焰正常传播火焰正常传播的理论火焰正常传播速度可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧火焰稳定的基本原理和方法不稳定的火焰传播：振荡传播稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃正常火焰传播(小于30m/s)：燃烧产物以自由膨胀的方式向管外逸出，管内压力可认为是常数。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。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，而所有的火焰传播即为此表面的传播。火焰正常传播0HndnuimdPHnuuw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本生灯火焰移动速度cosHnVHHLSduPHnuuw火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿的表面上，其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。本生灯火焰移动速度2200VVHLqquSrhr本生灯测量的局限性火焰前沿各处的速度并不一致。火焰前沿锥体离喷嘴出口有一段距离，并且宽度略大，火焰速度与喷嘴直径有关，直径越小影响越大。可燃气体混合物中的含氧量影响火焰锥体的形状。火焰正常传播的理论•用于简化近似分析的热理论•泽利多维奇等的分区近似解法•火焰传播的精确解法•坦福特（Tanford）等的扩散理论用于简化近似分析的热理论•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。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反应区的温度分布•一元导热微分方程•介质的连续性方程•未反应区方程()0PxxddTdTcuQwdxdxdx00xxuu00()PddTdTcudxdxdx•进行一次积分可得•再次进行积分求解可得0000()pucxBTTTTe0:0,0:BdTxTTdxxTT000()()PdTcuTTdx燃烧区特征将TB至Tr之间的区域称为燃烧区。在整个燃烧区域中，其可燃气体混合物的化学反应速率是不同的。化学反应速率不仅与温度有关，还与可燃物的浓度有关。着火处附近，可燃物浓度最大，但温度较低。燃烧区末端，温度虽然很高，但可燃物浓度最低。反应速率最大的区域为略低于燃烧温度附近区域------反应区。近似假设在燃烧区域内的温度按直线规律升高000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT0rBxxTTdTdx0001rBpBTTucTT00wuc0000()()xPBdTcuTTdx假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。•火焰前沿移动的正常传播速度与气体混合物的物理常数有关。•火焰正常传播速度随着差值（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，则其火焰正常传播速度就能得以提高。000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT•火焰正常传播速度随着燃烧温度Tr的减小而减小，就说明燃烧区放出的热量不足以加热未燃的可燃混合物。•可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传播速度。•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偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦降低火焰正常传播速度。000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT火焰正常传播的理论•用于简化近似分析的热理论•泽利多维奇等的分区近似解法•火焰传播的精确解法•坦福特（Tanford）等的扩散理论泽利多维奇等的分区近似解法•火焰分为两个区域：预热区和反应区。•对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。00()0PddTdTcuqwdxdxdx00000()()()2()0()rbPbPbTbTddTdTdTcucuTTdxdxdxdxddTdTwqwqdTdxdxdx预热区：反应区：222002()rbTTHpbwqdTucTT0000bTTbrwqdTTTTT0222002()rTTHprwqdTucTTn此式对于整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种因素对火焰传播速度的影响，预测出火焰传播速度的变化趋势。0000rSpwTTwcq0010002!11()exp[()]()nsHnprrrwqTnEuBcTTTRTT0EnRTwkce火焰正常传播的理论•用于简化近似分析的热理论•泽利多维奇等的分区近似解法•火焰传播的精确解法•坦福特（Tanford）等的扩散理论火焰传播的精确解法•利用数值计算方法直接对层流火焰基本方程进行迭代求解。坦福特等的扩散理论•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。各种理论解法的比较影响火焰正常传播速度的主要因素-过量空气系数的影响可燃气体混合物最大的火焰正常传播速度发生在可燃物浓度比化学当量比例稍大的混合物中(即过量空气系数小于1)。最高燃烧温度也是偏向富燃料区的，火焰中自由基H，OH等浓度较大，链锁反应的链断裂率较少，因而反应速度较快。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；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。差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩散性和燃料分子量有关。影响火焰正常传播速度的主要因素-燃料化学结构的影响•提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速率，从而增大火焰正常传播速度。影响火焰正常传播速度的主要因素-混合可燃物初始温度T0的影响•火焰温度对火焰传播速度具有极大影响。•超过2500°C自由基浓度大量增加起重要影响。影响火焰正常传播速度的主要因素-火焰温度的影响影响火焰正常传播速度的主要因素-热扩散率和比压定热容的影响热扩散率越大，则火焰传播速度越快。比压定热容越小，则火焰温度越高，相应火焰传播速度也越快。影响火焰正常传播速度的主要因素-惰性物质含量的影响惰性物质的加入将使火焰传播速度降低，并向燃料浓度较少的方向移动。•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。•2种燃料性质相差不大的混气互相混合时。。。•若添加剂能改变扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。影响火焰正常传播速度的主要因素-添加剂的影响火焰传播界限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，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.03~0.08m/s。火焰正常传播速度的测量•圆柱管法•定容球法•肥皂泡法•粒子示踪法•平面火焰燃烧器法可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧火焰的形状及其长短对于一定喷燃器形式而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中的混合方法：动力燃烧火焰：预先混合好的化学均匀可燃气体混合物的火焰。扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部分空气预先混合或者不预先混合的情况下，由喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。不同混合方法所表示的三种火焰形状化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧Z动力燃烧的火焰形状ROnu0rZr可燃气体混合物层流运动时任一截面上混合物的速度分布规律2021rR流出喷燃出口时的速度分布规律2021RrR求得火焰形状函数22cos()()Hudrwdrdz22HHwudzdru21HHwdzwudru•火焰形状300213RHwrzwwRrRuR•火炬着火区长度计算公式0023BRrHRLzwwu在喷管中心线上具有最大的正常传播速度火焰锥体内部可燃气体混合物得到预热在喷管中心轴线上所获得的活泼中心较其他部分多火焰中心线uH=w,火焰锥体的顶部成为圆形靠近管壁附近气流速度最小，但是散热量大导致传播速度降低可燃气体的扩散燃烧扩散火焰：将气体燃料和空气分别由喷燃器送入炉膛内进行燃烧。火焰的形状和表面积大小不再取决于火焰传播的速度，而是取决于气体燃料和空气之间的混合速度。在层流下，依靠分子热运动的分子扩散进行混合在湍流下，依靠微团扰动的湍流扩散部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧•扩散形式的火焰可以在气体燃料和部分空气均匀混合后由喷燃器送入炉膛内，支持能够完全燃烧的部分空气从火焰的外界依靠扩散来供给燃烧而形成的火焰。•一般将预先和气体燃料相混合好的那部分空气称为一次风；将由外界扩散入的那部分空气称为二次风经过一定的假设，扩散燃烧的火焰形状如下所示1ZOr1R2air2Rair1－空气过剩时2－气体可燃物过剩时气体可燃物层流工况下火焰长度22,BTTwRLD22VBqwRLDD当气流流动速度和喷燃器半径增大时，火焰长度增加当扩散系数增加时，则火焰长度减短湍流工况下火焰长度扩散燃烧的火焰核心的长度随气体速度和喷燃器管径增加而增加，但其增加程度比层流工况下小。不论气体的流动工况为层流或湍流，在化学非均匀的扩散燃烧过程中，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，而火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。火焰稳定的基本原理•要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就静止在某一位置上。•当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流动速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内传播，造成回火。•若流速过高，则会造成吹灭。火焰稳定的特征-火焰根部形状假想火焰根部形状为正锥形cossinHnsu不断将火焰前沿带离喷嘴火焰稳定的特征-火焰形状火焰根部呈现点火圆环对气流来说，靠近壁面速度趋于零。散热明显，温度较低，管壁附近链反应缓慢，从而火焰传播速度也较低。火焰顶部不成尖锥形，一般往往形成一个圆角，这样才能实现火焰的稳定火焰稳定的特征-火焰前沿位置动力火焰：稳定在的表面扩散火焰：稳定在过量空气系数为1的表面上uwcosH＝火焰稳定的基本方法-小型点火火焰把炽热气流射入高速的、冷的未燃混合气中。在两股气流的边界处进行强烈的热量和质量交换，使冷的未燃混合气温度提高。火焰稳定的基本方法-钝体气流绕流过钝体在其后缘形成了一个特殊的气流结构——旋涡对所组成的回流区。由于回流区中高紊流度和低流速的特征，就可以将其视为一个能使燃料与氧化剂(空气)在其中停留过程中进行充分的化学反应，由于回流区与主气流的热质交换，因而使燃烧过程得以持续和稳定。火焰稳定的基本方法-钝体煤粉颗粒的惯性远远大于空气的惯性，实现浓淡分离。在燃烧器出口处加装钝体，使煤粉气流在其后形成回流区，着火后的部分高温烟气经卷吸回流至钝体前方。在钝体附近同时形成了一个既有较高温度场，又有高扰动度，还有高煤粉浓度的三高区域。火焰稳定的基本方法-用反吹射流反吹射流的引入在燃烧器附近形成空气动力稳燃区形成高温中心回流区火焰稳定的基本方法-旋转射流由于旋转离心效应，在漩涡核心处产生明显负压区，形成强大的中心回流区