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燃烧学6-层流预混火焰传播与稳定基本概念一维层流预混火焰传播模型影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据)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)燃烧燃烧燃料所需要的时间τ=τm+τrτm燃料与空气混合时间;τr燃料反应时间扩散燃烧(非预混)τmτr;τ≈τm化学反应进行很快,燃烧的快慢取决于混合扩散速度,与化学反应速度关系不大动力燃烧(预混)τmτr;τ≈τr混合过程进行很快,燃烧的快慢取决于化学反应速度(或化学动力因素),而与扩散过程关系不大动力-扩散燃烧:燃烧的快慢既与化学动力因素有关,也与混合过程有关二火焰传播速度(即移动速度,只有预混气才有此概念)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,具有一定厚度,存在参数变化梯度);火焰传播速度:火焰前锋沿法线向新鲜混气传播的速度(相对速度,即相对于未燃混气的速度);方向:从已燃气指向未燃气pppuwu三火焰传播类型:层流、湍流和爆震四火焰结构(1)通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01-0.1mm左右的狭窄区域;(2)此区域内,可燃混合气的温度和成分都有急剧的变化(浓度与温度梯度极大)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δr五通过火焰的压降对于稳态的一维燃烧波,质量守恒方程变为:d(ρu)/dx=0ρu=常数忽略粘性影响和体积力(浮力、重力),动量方程可以写作:dP/dx+ρu(du/dx)=0联立质量守恒方程与动量方程,估算通过火焰的压力降:]1)/[(]1)/[()()/(22buuuubuuubuuuuuuuuPuuuuuxxuuP由理想气体状态方程)/()/)(/)(/()/(ubububbubuTTTTRRPP由于反应物与产物的分子量近似相等,预期穿过火焰的压力降与温度降相比很小,因此]1)/[(2ubuuTTuP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,Tb/Tu的典型值在5-7范围内,ρu的典型值为1×10-3g/cm3。故ΔP典型值为:ΔP=0.1~1N/m2一般可以忽略通过火焰的压力降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的传播速度很低,通常在1m/s以下6.2一维层流预混火焰传播模型层流火焰传播机理的三种理论: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一层流火焰传播的热理论内容层流火焰传播的热理论内容(1)假设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播(一维)(2)假定火焰前锋为平面形状,并且与管轴线垂直(3)若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(4)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,在化学反应区内忽略混气本身焓的增加(即认为着火温度与绝热火焰温度近似相同)(5)火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导分区思想二层流火焰传播速度un的确定(运用热理论)一维带化学反应的定常层流流动的基本方程为:)26()()(0RpnbbuuDHRRdxdTdxddxdTcvpmvvv能量方程常数动量方程连续方程混气本身热焓的变化-对流项传导的热流-对流项化学反应生成量边界条件如下:0/,)(0/,)(dxdTTTxdxdTTTxbu平衡已燃气体未燃气体根据分区近似解法,求un:将火焰分成预热区和反应区,在预热区中忽略化学反应影响,而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项预热区:不考虑化学反应影响,RR=0,则能量方程变为:)56()()/(:)46(,)46(0/)/()/(upuuiipppuuTTcuxdxdTxccdxdxdTddxdTcui积分得到由冷边界到对方程常数气体冷边界条件为:T=Tu以及dT/dx=0方程(6-5)的物理意义为: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:能量的对流通量比扩散通量小(热理论假设),故可以忽略对流项,能量方程为:)(积分得到到将上式从6-62)/()0/;()//;()(/)/(2/1biiiTTRxbxiiRRRdTHdxdTdxdTTTxdxdTdxdTTTxxHRRdxdxdTd方程(6-6)的物理意义为: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令在x=xi处,来自方程(6-5)和(6-6)的热通量相等,于是RRRRdTTTaRRdTTTTTcHaSmolkcalRRTTacRRdTTTTTcHcSSRRdTHTTcSbibibibiTTuiTTuiuipuRuipTTuiuipuRpuuuTTRuipuu均反应速率可以看做是反应区中平上式中,)(则总的活化能数值大于对于典型的碳氢燃料的假设当热扩散系数令火焰传播速度求解该方程,得出层流]18-6]}1][)(2[{,/400,,]}1][)(2[{)76(]2[)(2/12/12/1由火焰前后总的能量平衡关系,得到:)86(]2[)86()/1()(/-)()()()(2/1,,,bRRwaSawTTcHTTcHwTTcmHmuufLuufubpuRubpuRufuubpRf得到:代入或可见火焰速度SL受到扩散输运和化学动力学的影响。层流火焰传播速度与导热系数以及反应速率的平方根成正比。即SL是可燃混气的物理化学常数例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解:由简化的预混层流火焰理论可知:2/1,]2[RRwaSuufL计算层流火焰速度的关键就是计算平均热扩散系数与平均化学反应速率。而简化理论中,假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分(δ/2xδ),因此选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率:KTTTTbub1770])(21[21在计算中假设未燃物温度Tu=300K,反应区燃烧产物温度Tb与绝热火焰温度相同,为2260K,同时假设温度在火焰内随x轴呈线性变化假设燃气中没有氧气或者燃料,可以得出氧气和燃料的平均质量分数分别为:1095.0]0)1(*2331.0[5.00301.05.0*06015.0)0(5.0,,2ufouff为空气中氧的质量分数,化学恰当比的丙烷-空气混合物空燃比A/F=15.625而化学反应速率为:FrOrOFrfMMwMwTkOHCkdtHCdRR,65.1,1.0,75.165.121.08383][][)(][][][22)/(3.10744*)321095.0(*)440301.0(*)1997.0(*10*55.9/1997.01770*)29/8135(101325)/(1)(10*55.9)177015098exp(10*836.41))(15098exp(10*836.4365.11.075.15375.035975.039mskgRRmkgTMRPsmkmolsmkmolTkru热扩散系数为smaTTTbu/10*89.51186*16.10809.02/)(25故在计算时应注意到平均温度针对于整个火焰厚度而言,这是因为热传导不仅发生在反应区,而且在预热区也是存在的,故)()(TcTapu代入公式,即可求得层流火焰温度SL6.3影响层流火焰传播速度的因素决定层流火焰传播速度的主要因素为混气的化学反应速率和热扩散系数影响化学反应速率和热扩散系数的物理化学参数影响层流火焰传播速度化学参数的影响(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。对碳氢化合物燃料,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火焰速度也最大,在很贫或者很富的燃气中,由于燃料或者氧化剂太少,反应生成热太少,而实际燃烧设备不可能绝热,固难以维持火焰传播必需的热量积累,火焰在其中不能传播。火焰传播有浓度的上下限(2)混气性质的影响导温系数增加,活化能减少或者火焰温度增加时,火焰传播速度增大。氧浓度增加,火焰传播速度增大层流火焰传播速度计算公式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,公式如下:22,,,,)(1;298;350)/()/(MMrefLrefrefuurefrefuurefLLBBSatmPKTKTPPTTSS其中指数γ、β为当量比ф的函数,表示为:γ=2.18-0.8(ф-1)β=-0.16+0.22(ф-1)惰性物质或添加剂的影响: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(热扩散系数)来(明显)影响火焰传播速度大量实验表明:惰性物质的加入会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小的方向移动当氧化剂中氧的摩尔浓度增加时,火焰速度增加,随着氧化剂中氧的摩尔分数增加,反应速率随之增大物理参数的影响:(1)压力的影响2/1,]2[/)/exp()(RRwaSRTpRTEwkRRuufLnuu2/)2(2/1022)()/exp()(nmpunuuLpTTcRTEwQkS一般碳氢燃料燃烧反应级数为1.5-2,故)25.00(/1pun压力对火焰传播速度影响较小一级反应:P增大,层流火焰传播速度下降二级反应:与压力无关(2)初始温度的影响:)25.1(0CTuCn初温增加理论燃烧温度Tm升高火焰传播速度un增加(3)火焰温度的影响:火焰温度增加按照指数规律影响火焰传播速度,un主要受火焰温度影响淬熄距离当管径或者容器尺寸小于某一个临界值时,由于火焰单位容积散热量太大,生热量不足,火焰不能传播,该临界管径称作淬熄距离dq淬熄距离与火焰传播速度和压力成反比6.4火焰厚度火焰中温度和浓度梯度决定于火焰厚度,这些梯度支持火焰的传播过程火焰厚度与火焰传播速度相互联系,其定性关系可以由拐点(Xi)处得能量平衡得到)136(/)/1)(/(,,)(/)()/(uupubiuiuufubiSaScfTTTTpcSTTxdxdT则对于大的活化能热扩散系数a与化学恰当比呈弱函数关系,火焰厚度与火焰速度呈反比。火焰速度与当量比具有一定的函数关系反应区厚度与预热区厚度之比为:δr/δph≈(Tb-Ti)/(Tb-Tu)(6-14)与预热区相比,反应区很薄,则火焰厚度δr≈δph)166(11111221212nnnnLfpppppSa其中n表示总的反应级数(6-16)说明火焰厚度随着压力降低而增加。对于预混层流火焰结构的大多数实验研究都是在低压下进行的(低于0.1atm),故火焰足够厚,具有很好的分辨率(1)火焰厚度主要取决于其Su与a值(2)火焰厚度很薄在火焰厚度内完成传热\扩散\化学反应过程火焰厚度内温度\浓度的温差很大,有很大的温度梯度与浓度梯度,这可以保证:a.热量很快从化学反应区中传出b.快速扩散迅速供给反应区反应物c.保证火焰以一定的速度传播uupufSaSc/)/1)(/(
本文标题:6-层流预混火焰传播与稳定
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