第5章预混火焰

1第5章预混火焰热科学和能源工程系林其钊2011年3月2•引言•回顾预混火焰与非预混火焰•燃烧系统常常有两种反应物组成——燃料和氧化剂，在化学反应能够进行之前，两种反应物必须在分子水平上进行混合，然而混合机制是影响燃烧的基本要素•由于混合的需要，也就是说至少一种反应物应该是气态或液态，因此他们的分子能够分散到另一种反应物之中•由于分子水平混合的重要性，燃烧系统的差别主要以在燃烧开始时反应物是混合好的或分开的•预混火焰—在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合•非预混火焰(或扩散火焰)—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对流运动使反应物分子在某一个区域相遇，接着进行燃烧反应3•非预混火焰也叫做扩散火焰，是因为反应物在分子水平的混合主要是依靠分子扩散过程进行的•注意的是：预混火焰中也存在扩散过程–预混火焰仍然需要将可燃预混合气扩散到反应区，将燃烧产物和热能从反应区输运出去–因为反应区是在不断消耗反应物，和不断产生燃烧产物和释放出燃烧产生的能量•根据流动状态，预混火焰又分为层流预混火焰和湍流预混火焰•实际的燃烧都发生在湍流中，但是层流预混火焰的研究结果，对于阐明燃烧中的基本现象，特别是反应动力学规律是很重要的•因此，本章将从层流预混火焰研究开始4•许多学者对这一问题进行了大量的研究：•Mallard(马兰特)，Le-Chatelier(利-恰及利耶)，Daniel(丹尼尔)，MиXEльcoH(米海尔松):–最早从事层流火焰传播速度的研究–最先得出燃烧速率正比于化学反应速率及导温系数的平方根•CeMeHoB(谢苗诺夫)、Zeldovich(泽尔多维奇)、фpaнқ-KameHeцикий(弗朗克-卡门涅茨)、Xиtpин(希特林)等–研究火焰传播理论•VonKarman(冯-卡门)、ToongT.Y.(董道义)、Spalding(斯泊尔汀)–完善了火焰传播理论5•本章的主要内容：•阐明层流燃烧的本质，弄清层流火焰传播的机理，影响火焰传播速度的主要因素及其实验方法•介绍几种分析燃烧问题的方法•对于燃烧问题，应善于观察现象，突出某些主要因素，合理地建立物理模型，并运用相应的数学方法建立数学模型•在燃烧问题的研究中，对于一个问题往往可以建立不同的模型或运用不同的分析方法，而达到大致相同的结论•从本章开始，我们将陆续介绍这些分析方法6•§5-1正常燃烧波与爆震波•由于所处的条件不同，可以有两种火焰传播形式，即正常燃烧和爆震•正常燃烧波:–火焰面背后气体密度减小，导致压力下降，产生膨胀波，火焰面以亚音速在混合气中移动。传播速度1~3m/s–传播过程是通过传热、传质发生的•爆震波:–随着燃烧过程进行，在混合气中产生冲击波，使压力、温度激烈升高，火焰面以极高的速度向前传播，通常大于每秒一千米–通过激波压缩，使混合气温度不断升高789•从化学流体力学的观点来阐明这一问题:•考察最简单的情况，即一维定常流动的平面波，假定:–混合气流动(或燃烧波的传播速度)是一维稳定流动；–忽略粘性力及体积力；–假定混合气为理想气体；–其燃烧前后的定压比热容cp为常数；–其分子量也保持不变；–反应区相对于管子的特征尺寸（如管径）是很小的；–与管壁无摩擦、无热交换。•在分析过程中，我们不是分析燃烧波在静止可燃混合气中的传播，而是把燃烧波驻定下来，让可燃混合气不断流向燃烧波。•这时燃烧波相对于无穷远处可燃混合气的流速u，就是燃烧波本身的传播速度(如图)10•根据以上假设，其守恒方程如下：•连续方程：–pup=u=m=常数（1）–下标“”表示燃烧波上游无穷远处可燃混合气参数–下标“p”表示燃烧波下游无穷远处燃烧产物参数•忽略粘性力与体积力，动量方程：–pp+pup2=p+u2=常数（2）•忽略粘性力丶体积力，无热交换，能量方程：–hp+0.5up2=h+0.5u2=常数（3）•状态方程：–p=RT或pp=pRpTpp=RT燃烧区T,u,p,c,,Tp,up,图层流火焰传播过程pp,cp,p,11图层流火焰传播过程燃烧区T,u,p,c,Tp,up,pp,cp,p12•对于比热容不变的情况，热量方程有•(4)•式中h*是参考温度T*时的焓(包括化学焓)•由式(3)、(4)得：(5)•式中(单位质量可燃混合气的反应热)•式(5)可以写为：(6)•由式(1)、(2)得：(7)2)(22*2uTchuTcppppp2222uTcQuTcppppppmpmp//22)()(****TTchhTTchhpppppQhhhpp)(*13•瑞利直线（Rayleigh）•瑞利直线Rayleigh方程:••(8)–在p~1/（或比容v=1/）图上–此方程是一条斜率为–m2的直线–称为瑞利（Rayleigh）线。–它反映了在给定的初态p、下–过程终态pp和p间应满足的关系。22222/1/1ppppuumpp1/p14•Hugoniot方程(9)•方程(4)\(6)\(8)得:•利用状态方程及(是比热比)•消去温度得：•该方程称雨贡纽（Hugoniot）方程•它在p~1/图上的曲线为雨贡纽曲线•反映了消去参量m之后，在给定初态p、及反应热Q的情况下，终态pp和p之间的关系。Qpppppppp11)(211ppppppppppppmmuuQTcTchh11)(2111112112222222221/RcpQpppppppp11)(211RT=p/15•马赫数•由Rayleigh直线可以得到:•或•音速•相除得：(10)•或对于产物一侧有:–式中M为马赫数2211ppuppppppu11)(122/2pRTc/1/1112ppppM1/1/112pppppM16•一旦混合气的初始状态（p,T）给定，则最终状态（pp,p）必须同时满足式（8）和式（9）。•所以在p~1/图上瑞利直线与雨贡纽曲线的交点，就是可能达到的状态。•两线同时画在p~1/图上（下页图）–瑞利直线(m不同时可得一组直线)–雨贡纽曲线(当Q不同时可得一组曲线)，•对图进行分析可得出以下一些重要结论171/PPA′A雨贡扭曲线瑞利曲线Q2Q1上C-J点下C-J点EFCD（III）HGB（IV）（II）Q1Q2P1/P图4-10燃烧状态图（I）18•a）(pp，1/p)平面分成四个区域(I、II、III、IV)•（p，1/）是初态，通过（p，1/）点分别作pp轴、1/p轴的平行线（即图中互相垂直的两条点划线），将（pp，1/p）平面分成四个区域（I、II、III、IV）•可以确定，过程的终态只能发生在（I）、（III）区，不可能发生在（II）、（IV）区•从式（8）可知，瑞利直线的斜率为负值，因此通过（p，1/）点的两条垂直直线，是瑞利直线的极限情况•这样一来，雨贡纽曲线的DE段（以虚线表示）是没有物理意义的，整个（II）、（IV）区也没有物理意义，说明终态不可能落在此两区内，而只能落在另外两区燃烧区T,u,p,c,,Tp,up,pp,cp,p,19•b）区域（I）是爆震区，区域（III）是缓燃区•交点A\B\C\D\E\F\G\H等是可能的终态•在（I）区中–1/p1/，ppp，即经过燃烧波后气体被压缩。–而且由式（10）可知，这时等式右边分子的值要比1大得多，而分母又小于1，这样等式右边的值肯定要比1.4大得多，若取γ=1.4，则必有M1成立–由此可见，这时燃烧波以超音速在混合气中传播•在（III）区中–1/p1/，ppp，即经过燃烧波后气体膨胀–同时由式（10）可知，这时等式右边的分子绝对值小于1，而其分母绝对值大于1，因此等式右边的值将小于1，这样有M1成立–所以这时燃烧波以亚音速在混合气中传播/1/1112ppppM燃烧区T,u,p,c,,Tp,up,pp,cp,p,20•c）C-J点与C-J爆震波•瑞利与雨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。–在绝大多数实验条件下，自发产生的都是C-J爆震波，但人工的超音速燃烧可以造成强爆震波。•EG段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波。–实验指出，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M0。•本章讨论的便是弱缓燃波燃烧区T,u,p,c,,Tp,up,pp,cp,p,21•d）普通的气体力学激波•当Q=0时•则雨贡纽曲线通过初态（p，1/）点•这就是普通的气体力学激波燃烧区T,u,p,c,Tp,up,pp,cp,p22•§5-2火焰传播速度•在着火燃烧前，气体燃料和空气（或氧气）已预先混合成均匀的混合气，此可燃混合气称为预混合气。•在充满预混合气的容器内，通常是在某一局部区域首先着火，接着形成一层相当薄的高温燃烧区，称为燃烧区或火焰面。•火焰面把临近的预混合气引燃，使燃烧逐渐扩展到整个混合气中。•这层高温燃烧区如同一个分界面，把燃烧完的已燃气体(燃烧产物)和尚未进行燃烧的未燃混合气分隔开来。•在它的前方是未燃的混合气，而在它的后方是已燃的燃烧产物。•随着时间推移，火焰面在预混合气中不断向前扩展，呈现出火焰传播的现象。uucos未燃混合气燃烧产物火焰面Sl图火焰传播速度示意图23•气体燃料和氧组成的可燃混合气在燃烧过程中不断流入火焰面，靠向进入火焰面的未燃混合气传入活性中心和热量使燃烧反应持续，火焰面才能继续存在和向前发展•火焰面进入未燃混合气的快慢，称为火焰传播速度。•在给定混合气状态及火焰表面积条件下，火焰传播速度的大小也就表示燃烧掉可燃混合气量的多少。•由于火焰面向未燃混合气的物质扩散和能量转移是沿表面法线方向进行的，所以火焰传播速度的方向就是朝向未燃混合气的火焰表面法线方向。•如图所示，在火焰表面取坐标系，未燃混合气以流速u朝向火焰面，u与火焰面法线方向的夹角为，则火焰传播速度就等于未燃混合气流速在火焰面法线方向的分量。即：–Sl=ucosuucos未燃混合气燃烧产物火焰面Sl图火焰传播速度示意图24•相对速度u0绝对速度up坐标速度us之间的关系:•单位时间内流入火焰面的未燃混合气质量等于：–m=uSlF（4-2）–式中u为未燃混合气的密度–F为火焰面表面积。•相对速度u0，绝对速度up，坐标速度us之间：–u0=upus（4-3）–us为未燃混合气沿火焰面法线方向的流速–up为火焰面的移动速度–而u0为火焰面相对未燃混合气的移动速度•当up与us方向相同时，式（4-3）取负号，反之取正号•由上面火焰传播速度的定义可知Sl=u0upusu025•对于固定火焰:–火焰面静止不动，即up=0，则us=u0=Sl。–这表明火焰传播速度在数值上就等于未燃混合气进入火焰面的流速，两者的方向是相反的。•对于封闭燃烧空间内的移动火焰：–虽然目测未燃混合气似乎不动，但由于燃烧产生的温度、压力变化，未燃混合气状态也会发生变化。–所观察到的火焰面移动速度包含了这些影响的结果。–所以火焰面移动速度up，