燃烧学 第六章

第六章层流预混火焰传播与稳定提纲:影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据)基本概念一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰稳定§6.1基本概念一、预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合扩散速度，而与化学反应速度关系不大。rmm扩散燃烧:（非预混～）Diffusion～rmr动力燃烧:（预混～）Premixed～混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化学反应速度（或化学动力因素），而与混合扩散过程关系不大。燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关。动力－扩散燃烧:燃烧燃料所需的时间mτ燃料与空气混合时间rm）（chτ燃烧反应时间rτ（）phτ二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）ndnt+dtt已燃气未燃气火焰前锋：向新鲜混气传播的火焰前沿（薄薄的化学反应发光区，厚度及参数变化梯度）。火焰传播速度：火焰前锋沿法线方向朝新鲜混气传播的速度（有相对速度的含义，是相对于未燃混气的速度）。方向：总是从已燃气指向未燃气。三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。(矢量形式)lLudnuSSdtppnuwu四、火焰结构层流预混火焰坐标系•通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1毫米左右的狭窄区域•此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧地变化(极大的浓度和温度梯度)。一维层流火焰结构大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火焰面划分为预热区δph和反应区δr22)()/(/uuuAmdvdP)(uuSu)/()/1(dvdPu层流火焰速度=由于缓燃Rayleigh线斜率比爆震Rayleigh线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小得多。Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层流火焰速度）有关。五、通过火焰的压降常数udxud0/)(0)/(/dxduudxdP1)/(1)/()()/(22buuuubuuubuuuuuuuuPuuuuuxxuuP)/(~)/)(/)(/(/ubububbubuTTTTRRPP对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，由理想气体状态方程，碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在15-40cm/s范围内。的典型值在5-7范围内，的典型值等于1)/(2ubuuTTuPubTT/u33/101cmgP2650.1~1/(10~10)PNmatm由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的压力降与温度增加相比是很小的，因此。因此的典型值为：因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。层流火焰特点火焰锋面很薄，通常只有0.01～0.1mm层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧过程层流火焰传播速度很低，通常在1m/s以下nppuwu绝对速度气流速度相对速度nu提纲:影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据)基本概念一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰稳定层流火焰传播的机理有三种理论：热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同等重要的影响§6.2一维层流预混火焰传播模型一、层流火焰传播的热理论内容pr反应区预热区设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维）假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直如果新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当v0＝un时（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋。将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等）——分区思想。火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。层流火焰传播的热理论内容二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）连续方程muvvn000动量方程常数p能量方程0()()npRdTddTvCRRHdxdxdxrl-=-D（6.2）对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：化学反应生热量传导的热流——扩散项混气本身热焓的变化——对流项(2-29)把火焰分成预热区和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。根据假设，在预热区中的能量方程为:根据分区近似解法，求Un：0/,(0/,(dxdTTTxdxdTTTxbu平衡时已燃气体）未燃气体）方程(6-2)中的边界条件如下：0/)/()/(dxdxdTddxdTcupuuppcc常数uTT0/dxdT假设，对方程（6-4）从冷边界到xi积分得：气体冷边界条件:以及预热区：在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：（6-4）)()/(uipuuiTTcuxdxdT（6-5）方程（6-5）的物理解释是：来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进行“预热”，将其温度从Tu提高到Ti。反应区：在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量小，因而可以忽略对流项，能量方程（6-2）变成：方程（6-6）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。Rd(dT/dx)/dxRR(H)(//)iiixxxTTdTdxdTdx式中；(;/0)ixTTdTdx式中将以上方程从到积分得，biiTRxTdTdxHRRdT1/2(/)2（6-6）到积分，得可以看成是反应区中平均反应速率1/2()[2]biTuupiuRTScTTHRRdT令在x=xi处，来自方程（6-5）和（6-6）的热通量相等，于是（6-7）解方程（6-7），可求出层流火焰传播速度uS1/2{(/)[(2)/(()][1/()]}biTuupRupiuiuTScHcTTTTRRdT/pTcD0iTTRR，1/2{(2)/[()][1/()]}biTuRupiuTiuTSHcTTDTTRRdT令热扩散系数，假设当对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol，Ti略小于Tb，于是[1/()]biTiuTTTRRdT_____RR式中（6-8a））和从方程（6-8b）可见，火焰速度由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得,,()()()()/1/fRpbuufuRupbuRupbufuumHmcTTwHcTTHcTTw或（）（）将以上关系式代入（6-8a）得：1/2,2()TLfuuDSRRw（6-8b）火焰面控制体LSTD受到扩散输运（通过反应动力学（通过RR）的影响。层流火焰传播速度与导温系数及反应速度的平方根成正比。也就是说,是可燃混气的一个物理化学常数。LS和1/2,2TLfuuDSRRwTDRR/2xKTTTTbub1770))(21(21例6.1利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷-空气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学反应机理估计平均化学反应速率。可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计算理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：解：由简化的预混层流火焰理论可知：。在简化），温度在火焰内随2260,300,baduTTKTK===x假设轴成线性变化。,1(0)0.06015/20.03012ffuww=+==ofuww2,1[0.2331(1)0]0.10952=-+=[][][]220.11.6538'382'1.750.11.65,,()()()OfrfrOdCHRRkCHOdtwwkTMMr==-=-假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料的平均质量分数分别为：其中0.2331为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷-空气混合物空燃比A/F为15.625。化学反应速率：式中kmolkTmskmolms'90.753950.7531509814.836*10exp()()1509814.836*10exp()9.55*10()1770---=-==31013250.1997/(/)(8315/29)1770urPkgmRMTr===RRkmolsmkgsm51.750.11.65330.03010.10959.5510(0.1997)()()44322.439/2.439*44107.3/=-?=--=-=--/auERA将上述的和是平均化学反应速率。a是热扩散系数。热扩散系数式中RR可表示为()()TupTDCTlr=()112802buTTTK=+=520.08095.8910/1.161186TDms-==?´5____1/21/2,5.89*10*107.3[2()][2*]0.425/42.5/1*1.1615.6251TLfuuDSRRmscmswr-====+把平均温度定义为整个火焰厚度内的平均温度，因为热传导不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此TDRR的值代入层流火焰速度公式得：提纲:影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据)基本概念一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰稳定决定层流火焰传播速度的主要因素是混气的化学反应速率和热扩散系数。所以凡是影响化学反应速率和热扩散系数的物理化学参数均会影响层流火焰传播速度。§6.3影响层流火焰传播速度的因素化学参数的影响(1)混合比（混气成分）的影响层流火焰传播速度随燃料—氧化剂配比而变化，主要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传播速度达到最大。一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中传播。也就是说，火焰传播有浓度的上下限。¤达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？(2)混气性质的影响：导温系数增加，活化能减少或火焰温度增加时，火焰传播速度增大。氧浓度增加，火焰传播速度增大。几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传播速度见下页。几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度燃料氧化剂SL（cm/s)着火极限余气系数α贫油富油汽油空气451.60.25煤油空气361.80.23甲烷CH4空气375.00.54乙炔C2H2空气1353.280.021氢H2空气25010.10.141氢H2氧气1200——Metghalchi和Keck通过实验决定了各种燃料-空气混合物在内燃机和燃气轮机中典型的温度和压力下的层流火焰传播速度,给出如下经验公式:层流火焰传播速度计算公式以及式中atmPKTKTrefrefuu1;298;350,22,)(MMrefLBBS)/()/(,,refrefuurefLLPPTTSS式中系数,,与燃料类型有关,列于下表中。MB2BM式中的系数,MMB,2B式中温度和压力的指数是当量比的函数,可以表示为:,)1(22.016.0)1(8.018.2根据以上给出的公式和系数,我们能够计算出不同初温和初压下的层流火焰传播速度。氢-空气的层流火焰速度氢的最大火焰速度在稍富的混合物（Φ=1.1）处氢的最大火焰速度为280cm/sec甲烷-空气的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系烷烃最大火焰速度在稍富的混合物（Φ=1.1）烃-空气的层流火焰速度对于乙烯和乙炔，最大火焰速度分别为Φ=1.2和Φ=1.4处乙炔的最大火焰速度为160cm/sec丙烷-空气混合物