7-扩散火焰解析

燃烧学7-扩散火焰火焰分类扩散火焰特点层流扩散火焰湍流扩散火焰第一节火焰分类一扩散燃烧与预混燃烧概念预混火焰在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰扩散火焰在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应燃料燃烧所需的时间τ=τm+τr燃料与空气混合时间τm流动特征时间燃烧反应时间τr化学反应时间Da=τm/τr扩散燃烧：τmτr,τ≈τm化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化学反应速度关系不大预混燃烧：τmτr,τ≈τr混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化学动力因素)，与混合过程关系不大动力-扩散燃烧燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关本生灯一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量总空气消耗系数：α=α1+α2（1）α1=0，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射提供，属于扩散燃烧；（2）α1≥1，从本生灯的底部供入的空气充足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于动力燃烧；（3）0α11,燃烧既有一次空气混合物的预混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动力-扩散燃烧。(a)α11，当管中混气为贫油时的动力火焰。此时混气中有足够氧气，不需要从外界获取氧气，故火焰光滑，随着α1增大，火焰变长(b)α1=1，化学恰当比下的动力火焰。此时温度高，火焰传播速度快，故火焰高度最短(c)α11，富油燃烧，此时混气燃料多而氧气少，故有剩余燃料。此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于α1=1的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩散获得外界氧气燃烧而形成，称为扩散火焰，内焰温度较高，外焰则较低(d)α1=0，管中供应的为纯油气。所需氧气全部从外界获得，故为纯扩散燃烧，火焰最长扩散火焰层流扩散火焰质量扩散以分子扩散形式实现湍流扩散火焰质量扩散以气团扩散形式实现扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数影响不大强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件第二节扩散火焰特点扩散火焰温度低扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解湍流扩散火焰的稳定性：火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始终“悬挂”在管口。当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄（推举和吹熄）推举：气流速度足够大时，射流火焰会被从管口推举起来，火焰根部与管口距离为推举高度，增大流速，推举高度增加，直至吹熄第三节层流扩散火焰2020/3/911射流火焰的物理描述Burke-Schumann简化理论描述2020/3/9121.射流火焰的物理描述层流射流的燃烧与等温射流类似：燃料一边沿着轴向流动一边快速向外扩散，同时氧化剂（如空气）迅速向内扩散。BurkeandSchumann(1928)给出了非预混火焰最早理论分析。Burke-SchumannFlame(BSF)是一种受限的层流气体非预混火焰！术语：ConfinedJetBSF实验台fromProf.J.Y.ChenUCBerkeleyUnderventilatedflame（欠通风火焰）2020/3/913(1)Burke-Schumann非预混火焰的两种情况过通风火焰过通风火焰欠通风火焰过通风火焰Peclet数对流/扩散过通风火焰氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总的氧化剂过量）。火焰靠近圆柱管的中心线上欠通风火焰燃料量超过化学计量值，（即燃料过量），火焰向外壁蔓延2020/3/915燃料一边沿着轴向流动一边快速向外扩散，同时氧化剂（如空气）迅速向内扩散。在流场中，燃料和氧化剂之比为化学当量比的点就构成了火焰表面。层流非预混火焰(特征一)：火焰表面定义过通风非预混火焰2020/3/916在这里需要注意的是，虽然燃料和氧化剂在火焰处都消耗了，但是产物的组成成分只和Φ的取值有关，因此当量比仍然有意义。产物在火焰表面形成后，就向着内外侧快速扩散。对于富氧燃烧，周围存在着过量的氧化剂，火焰长度Lf可以这样定义：unity.equals,ratio,eequivalencthewherepointsofLocussurfaceFlame火焰表面定义2020/3/917在整个火焰中，发生化学反应的区域通常来说是很窄的，就像图9.4中看到的一样，在到达火焰顶部以前，高温的反应区是一个环形的区域。这个区域可以通过一个简单的实验显示出来，即在本生灯的火焰前面垂直于轴线放置一个金属滤网，在火焰区对应的地方滤网就会受热而发光，就可以看到这种环形的结构。1),0(fLxr层流非预混火焰(特征二)：火焰长度定义2020/3/918在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考虑了。浮力的存在在加快气体流动的同时，也使火焰变窄。由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF/dr的增加，也增强了扩散作用。层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响2020/3/919在碳氢化合物的燃烧火焰中，由于经常会有碳黑存在，火焰就可能呈现为橙色或黄色。层流非预混火焰(特征四)：碳烟Soot的产生2020/3/9202020/3/921如果有充分的时间碳烟就会在反应区的燃料侧生成并在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗由于燃料和火焰停留时间的不同，在燃料侧形成的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被完全氧化在这种情况下，soot就会冲出火焰而形成碳黑的“翼”，这部分从火焰中出来的碳黑就是我们通常说的说的烟。2020/3/922图9.6是一个乙烯火焰的照片，在图中可以看到焰舌的右边出现了碳黑翼。2020/3/923在层流喷射非预混火焰中，还有一个突出的特点，就是火焰长度和初始条件之间的关系。对于圆口火焰来说，火焰长度和初始速度以及管径都无关，但是和初始体积流量QF有关。再由于QF=veπR2，不同ve和R的组合也可以得到相同的火焰长度。层流非预混火焰(特征五)：火焰长度-流量的关联2020/3/924stoicFFfDYQL,832020/3/925由此可以看出，火焰长度确实是和体积流量成正比而且还和燃料的化学当量质量分数成反比。这就意味着如果燃料完全燃烧需要较少的空气，那么燃烧的火焰也就较短。2020/3/9262.简化理论描述最早的关于层流喷射扩散火焰的理论描述是Burke和Schumann[4]在1928年发表的。虽然做了很多假设，例如认为速度场在每个地方的分布都是恒定，并且平行于火焰轴，他们的理论也仅能够较为合理地对轴对称（如圆口）火焰的火焰长度进行求解。在此之后，其他的研究者对其理论进行扩展提炼，但一直保留着恒速这一假设。2020/3/9272-1基本假设1、流动为稳定的轴对称层流，燃料由半径为R的圆形喷嘴喷出，在静止的、无限大的、充满氧化剂的空间里燃烧。2、只有燃料、氧化剂和产物三种物质存在，火焰面内部只存在燃料和产物，火焰外部只存在氧化剂和产物。3、火焰表面，燃料和氧化剂按化学当量比进行反应。化学动力学速度无限快，意味着火焰只存在于一个无限薄的薄层里；这就是通常说的“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)。4、物质间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。5、热扩散率和质量扩散率相等，即路易斯数（Le=α/D）等于1。6、忽略辐射换热。7、只考虑径向的动量、热和物质扩散，而忽略轴向的各种扩散；8、火焰的轴线垂直向上。2020/3/928“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间τchem远小于流动特征时间Τchemτtransport(或τdiffusion)火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定（即扩散过程是最慢的、控制反应速度的过程），火焰可以从分开燃料和氧化剂的表面取一个薄层来模拟。火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。由于Τchemτtransport(或τdiffusion)故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为02020/3/9302-2基本守恒方程质量守恒轴向动量守恒这个方程适用于整个空间，即火焰面内部和外部都适用，并且在火焰薄片处保持连续。0)()(1xvrvrrxr111()(()()).xxxxrvrvvrvvrrxrrrrrg浮力影响2020/3/931物质守恒火焰片假设给出了火焰面内、外的产物质量产率()均为零这一条件，所有的化学反应现象都体现在边界条件里面，因此(7.20)可以写作：im111()()()0ixiriYrvYrvYrDrxrrrrrOxFYYY1Pr产物的质量分数为：2020/3/932能量守恒（火焰面的前、后）反应放热是边界条件，其中边界为火焰表面。0)()()(rdTcDrrdTcvrrdTcvrxpprpx2020/3/933附加关系和方程归结状态方程：TRPMWumix1)/(iimixMWYMW•5个方程：质量，动量，燃料，氧化剂和能量•5个未知的函数：•任务艰巨•未知的火焰面位置：引入守恒标量表示。),(),,(),,(),,(),,(xrYxrYxrTxrvxrvOxFxr2020/3/934守恒标量的概念这里我们只讨论其中的两个：一个是下面定义的混合物分数；一个是前面提到的混合物绝对焓。2020/3/935112FFOxmmfZmmmm源于燃料的质量混合物总质量混合分数：f,Z11kgvkgvkg燃料氧化剂产物在燃料中为1，在氧化剂中为0!!!Pr11FfYYv//1FAff2020/3/936FFFdYdYdmmdxdxdxDPrPrPrdYdYdmmdxdxdxDPrPrPr/1/111dYvdYvdmmdxdxdxvD11kgvkgvkg燃料氧化剂产物2020/3/9370dfddfmdxdxdxD0xrfrvfrvfrxrrrD2020/3/9380,refTifipThYhcdT守恒标量能量方程0dhddhmdxdxdxDxxdvddhdhmvdxdxdxdxD最原始式子0xrhrvhrvhrxrrrD2020/3/9392-3新建立的4个守恒方程a.混合物分数守恒方程(New)b.绝对焓守恒方程(New)c.连续性方程d.动量守恒方程2020/3/940(a)守恒标量的推导混合分数：f的边界条件0)()()(rfDrxfvrrfvrxrx)profileexithattop(0)0,(1)0,()oxidizerinfuelno(0),()symmetry(0),0(RrfRrfxfxrf•因为在火焰处f=fstoic，所以只要知道了f(r,x)的分布，也就能得到火焰的位置。2020/3/941(b)绝对焓守恒方程能量方程可以写为：和混合分数一样，h在火焰面也连续，其边界条件如下：0)()()(rhDrrhvrrhvrxrx.)0,()0,(,),(,0),0(OxFOxhRrhhRrhhxhxrh*********(,)0,(0,)0,(1,0)1(1,0)0.hxhxrhrhr如何构造2020/3/942(c-d)质量和动量守恒方程质量守恒