第4章1可燃气体燃烧.

1第4章可燃气体的燃烧4.1预混气中火焰的传播理论4.2层流火焰传播速度及其传播机理4.3可燃气体爆炸4.4爆炸极限理论及计算4.5爆轰4.6气体爆炸的预防4.7湍流燃烧和扩散燃烧2可燃气体燃烧的形式扩散燃烧预混燃烧燃气氧气燃气+空(氧)气34.1预混气中火焰的传播理论预混气中火焰的传播分为两种形式缓燃（正常火焰传播）爆震（爆轰）缓燃（正常火焰传播）火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播传播速度一般不大于1～3m/s爆震（爆轰）火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。传播速度很高，常大于1000m/s，超音速4假定混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动忽略粘性力；其燃烧前后的定压比热容CP为常数；与管壁无摩擦、无热交换燃烧波的传播速度=流速u∞图4-1燃烧过程示意图---火焰驻定Pp,upρp,hpT∞p∞,u∞ρ∞,h∞T∞燃烧区一维定常流动的平面波---火焰驻定5连续方程：（质量平衡）PPuum动量方程：2)(upuupPPPP＝常数能量方程：2222uhuhPP＝常数状态方程：RTp或PPPPTRpTRp＝常数6TTchhTTchhpPpPP*,PPhhhQ2222uTcQuTcpPPp热量（焓）方程：Pp,upρp,hpT∞p∞,u∞ρ∞,h∞T∞燃烧区Ph*hPpPphhcTcTQ代入能量方程可得：7PPuum常数22upupPPP22222muuPP连续方程：（质量平衡）动量方程：22PPPmu22PPmmpp2222211PPPPuumpp22mu82222211PPPPuumpp瑞利（Rayleigh）直线横坐标：1/ρP纵坐标：pP斜率：-m2瑞利（Rayleigh）方程112PPmppp1/ρ（p∞，1/ρ∞）瑞利方程反应了在给定的初态（p∞，ρ∞）条件下，终态（pp，ρp）应满足的关系。92111122111PPPPpmp222222222221112222PPPPPPuuuuhmh211mppPP2222PPuuhh22222muuPP能量方程：10,,/,1ppvcppRTTcRRcQppppPPPP112111112pPpPPcTcTQppPpPphhcTcTQ111()2pPPPcTTppQ前式结论代入可得：整理可得：11QppppPPPP11211休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）休贡纽方程曲线横坐标：1/ρP纵坐标：pPp1/ρ休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）休贡纽方程反应了在给定初态p∞、ρ∞及反应热Q的条件下，终态pp、ρp的关系。122211ppuPP22111/PPupp21cRTp/1/11/12PPppM其中M为马赫数。2222211PPPPuumpp此外，由瑞利方程还可得：结合声速公式：13图4-2燃烧的状态图pA休贡纽曲线瑞利曲线（Ⅰ）Q1Q2Q2Q1BDECF上C-J点下C-J点（Ⅱ）（Ⅲ）GH（Ⅳ）1/ρA′/1/11/12PPppM14讨论：（p∞，1/ρ∞）是初态通过（p∞，1/ρ∞）点，将平面分成四个区域。过程的终态只能发生在Ⅰ、Ⅲ区，不可能发生在Ⅱ、Ⅳ区交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态。区域（Ⅰ）是爆震区，而区域（Ⅲ）是缓燃区。区域（Ⅰ），1/ρP1/ρ∞,pPp∞，即经过燃烧后气体压力增加、燃烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播（M∞1）。区域（Ⅲ），1/ρP1/ρ∞，pPp∞，即经过燃烧后气体压力减小或接近不变、气体密度减小、燃烧以亚音速进行（M∞1）。150.06～0.251.4～2.6ρP/ρ∞4～168～21TP/T∞0.98～0.97613～55PP/P∞4～60.4～0.7uP/u∞0.0001～0.035～10u∞/a∞正常火焰传播爆轰常见的比值大小比值气体中爆轰和正常火焰传播间定性差别16瑞利与休贡纽曲线分别相切于B、G两点。B点称为上恰普曼-乔给特（Chapman-Jouguet）点，简称C-J点，具有终点B的波称为C-J爆震波。AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震。EG段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波。大多数的燃烧过程是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义的将是EG段的弱缓燃波，而且是M∞≈0当Q＝0时，则休贡纽曲线通过初态（p∞，1/ρ∞）点，这就是普通的气体力学激波。174.2层流火焰传播速度及其传播机理火焰传播速度的定义火焰前沿（前锋、波前）一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿（锋面）实验证明，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至百分之几毫米，分析问题中可将其看作一“几何面”（锋面）18火焰锋面的特点火焰前沿可分为两部分：预热区和化学反应区火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散19图4-3稳定的平面火焰锋面结构δ（火焰焰锋宽度）δPδCSLTCC→C0T→T0ooaaT=f1（x）C=f2（x）W=f3（x）活化中心W新鲜混合气已燃气体x火焰前锋的宽度极小，但出现极大的温度梯度dT/dx和浓度梯度dC/dx，因而火焰中有强烈的热流和扩散流热流的方向从高温火焰向低温新鲜混合气，而扩散流的方向则从高浓度向低浓度，新鲜混合气的分子、燃烧产物分子、游离基均扩散反应区预热区20火焰位移速度及火焰法向传播速度火焰位移速度是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。位移速度为：火焰法向传播速度是指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。火焰法向传播速度S1为当气流速度wn＝0时，S1＝u，这时所观察到的火焰移动的速度就是火焰传播速度wn为气流速度w在火焰锋面法向上的分量dtdnunwuS121火焰传播机理火焰传播的热理论：火焰能在混合气体中传播是由于火焰中化学放出的热量传播到新鲜冷混合气体，使得混合气体温度升高，化学反应加速的结果。火焰传播的扩散理论扩散理论认为，凡是燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混合气体中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混合气体中扩散，使得新鲜冷混合气体发生链式反应的结果。（本节主要讨论火焰传播的热理论）22层流火焰传播速度—马兰特简化分析物理模型马兰特简化分析的基本思想：若由Ⅱ区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播δCTmTiT∞x图4-4火焰前沿中的温度分布（Ⅰ）预热区（Ⅱ）反应区23设反应区II中温度分布为线性分布：cimTTdxdT热平衡方程式为：cimipTTFKTTGc因为：lSFuFGcimiplTTKTTcS或者：ciimcipimlTTTTaTTcTTKS式中：pcKa所以：（导温系数）24ssiimlfWTTTTaS该式表明：层流火焰传播速度Sl与导温系数a及化学反应速度Ws的平方根成正比mRTEnsnossefKWpcKaTTcefKTTKSipRTEnnosilm2sslclcWfSS则：代入上式可得：又：所以：设：为化学反应时间，为初始质量浓度，为初始相对浓度为反应速率csfsW251222nnnlPPS对于二级反应，火焰传播速度Sl将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了这个结论。应该指出：该理论尚不完善，例如未燃混合气体的初始温度T∞就等于着火温度Ti的话，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。根据关系可得：P26影响燃烧速度的因素燃料/氧化剂比值的影响燃料结构的影响压力的影响混合物初始温度的影响火焰温度的影响惰性添加剂的影响活性添加剂的影响27图4-5混合物成分对燃烧速度的影响图4-6燃料百分数对燃烧速度的影响环己烷024681012102030405060乙烷乙醚苯戊烷丙稀丙酮甲烷乙烯二硫化碳空气中燃料体积分数％u0/cm.s-1（1）燃料/氧化剂比值的影响TTcefKTTKSipRTEnnosilm2u0/cm.s-10204060801004080120160200240280CO/O2H2/air燃料体积分数％28实验研究发现：可燃气与空气的存在一个最佳的比值，在此最佳比值的条件下，火焰传播速度最快，否则会下降。理论上这个比值为“化学当量比”，即空气过量系数α=1但实际情况时并非等于1，而是有所差别。火焰传播速度存在一个浓度极限的问题，混合气体中如果可燃气体太少或太多，火焰均不能燃烧，可燃气体只有在一定浓度范围内才能传播。29（2）燃料结构的影响图4-7饱和碳氢化合物及非饱和碳氢化合物1234123456碳原子数炔属烃烯属烃烷属烃u0/丙烷的u0max7图4-8压力对燃烧速度的影响201001000-0.3-0.2-0.100.10.20.3u0/cm.s-1u0＝pn中的n值（3）压力的影响30（4）混合物初始温度的影响0100Ts增加燃料％u0/cm.s-1图4-9来流温度对燃烧速度的影响C2H4/air20040010020030040050060070080120160Ts/Ku0/cm.s-1C3H8/airCH4/air图4-10来流温度对燃烧速度的影响31（5）火焰温度的影响121620242804080120160200Tf/100℃C8H18/N2O/N2CS2,C8H18/O2/N2氮化合物，硝酸盐，乙醇，乙醚碳氢化合物/O2/N2H2/O2/N2图4-11火焰温度对燃烧速度的影响32（6）惰性添加剂的影响u00燃料％增加惰性气体图4-12添加剂对燃烧速度的影响CH4/O2CO/O22004006008001000020406080100被惰性气体置换的O2％图4-13惰性组分对燃烧速度的影响置换用的N2惰性气体CO2H2/O2u0/cm.s-133（7）活性添加剂的影响在CO/air火焰中增加少量的H2后由于链反应效应可使燃烧速度大为增加。u0/cm.s-150100150200250H2CO100080206040406020800100020406080空气中的燃料量％图4-14H2＋CO混合剂在空气中燃烧的速度344.3可燃气体爆炸4.3.1预混气爆炸的温度计算以乙醚为例说