4火焰传播与稳定

第3章火焰传播与稳定的理论程乐鸣[e-mail]2014年10月13日-10月15日主要内容1.火焰传播的基本方式–正常火焰传播与爆燃–火焰传播三种类型，火焰传播两种形式2.可燃气体的火焰正常传播–火焰前沿移动速度uH(相对火焰)，火焰前沿传播速度uP(相对静止容器)，可燃气体流动速度wn，本生灯测量可燃气体混合物速度方法和不足之处3.火焰正常传播理论–5种，特点比较4.火焰正常传播速度–8因素对火焰传播速度的影响，火焰传播界限，5种火焰传播速度的测量方法5.可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧–了解概念6.火焰稳定的基本原理和方法–火焰稳定基于的原理和基本方法火焰的定义•可以把火焰看作是发生在反应区内快速的但是自持的化学反应.只在某一方面描述火焰。•把缓燃波定义为靠燃烧维持的亚声速波是唯一严谨的定义。•火焰一般可分为：扩散火焰—边混合，边燃烧；预混火焰—预先混合好第一节：（层流）火焰传播速度•燃烧试验：快速•火焰传播–速度–强度–延续性–控制性–传播形状第一节：（层流）火焰传播速度•火焰传播的三种类型–正常火焰传播(30m/s)–爆燃波（震荡，不稳定）–爆燃(1000m/s爆炸波)稳定的火焰传播形式•第一种是正常火焰传播(小于30m/s)由于火焰传播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动的导热方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃料着火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。•爆炸波的传播（不稳定）：入口稳定，超过火焰震荡，熄火•第二种：爆燃其火焰的传播速度超过了声速，一般可达1000～4000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。稳定的火焰传播形式：两种，1,2可燃气体的火焰正常传播•由于火焰是一层很狭窄的燃烧区域，燃料的化学反应只在该区域内进行，在这种情况下，可近似地把它当作一个数学表面，这一表面把未燃的新鲜燃料和燃烧产物分开，而所有的火焰传播现象即为此表面的传播。火焰传播数学描述•(1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘性力和体积力，管壁为绝热；•(2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体，定压比热为常数，摩尔质量保持不变；•(3)燃烧波（化学反应波）是驻定的,预混可燃气体不断流向燃烧波，无穷远处预混气流速度就是燃烧波传播速度。火焰传播速度•ddnnimuH0nHpwuu如果火焰前沿移动方向和可燃混气的移动速度方向一致，取正号，反之，取负号。（想象其过程）火焰传播速度：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前沿移动速度uH(相对火焰)火焰前沿传播速度uP(相对静止容器)可燃气体流动速度wn举例：本生灯火焰传播速度•根据本生灯的锥形火焰来测量火焰传播速度•简单、可靠•可燃预混气体在本生灯的管子中保持运动本生灯的火焰前沿FVuwudsdHHcoscosF火焰前沿总面积本生灯的火焰内锥表面20202020rhrVurhrFH利用本生灯测量火焰传播速度本生灯测量火焰传播速度的缺陷（1）火焰前沿速度常数假设与实际不符；（2）火焰数学表面，实际存在薄加热层；（3）混合物含氧量，外界介质影响中心管壁火焰前沿非直角锥体气流出口速度与管直径有关，不应小于7-8cm混合程度未燃尽如何考虑？影响速度可燃气体和空气混合物在标准状态下的火焰前沿移动的正常速度值可燃气体正常速度,m/sH21.6CO0.30CH40.28C2H21.0C2H40.5与碳、氢、氧比例，化合价有关系么？规律？•（1）研究火焰正常传播的理论的目的，就是为了找到(层流)火焰前沿移动速度uH。•（2）与其影响参数如温度等的关系第二节：火焰正常传播的理论层流火焰传播速度的确定火焰正常传播理论•用于简化近似分析的热理论–火焰前沿移动速度受其他因素影响的定性结论•捷尔道维奇分区近似解法•火焰传播精确解法•Tanford等的扩散理论•层流火焰数值求解火焰正常传播理论方法预热区燃烧/反应区影响规律简化近似析热理论书78页4点捷尔道维奇分区近似解法火焰传播精确解法Tanford等的扩散理论层流火焰数值求解pcuBeTTTT00)(00tauuH0层流火焰传播的基本方程•对象:一维有化学反应定常层流流动•方程:连续方程动量方程能量方程扩散方程层流火焰传播方程lSuuConstp0)(QwdxdTScdxdTdxdlP0)(QwdxdTucdxdTdxdP0)(wdxdfudxdfDdxdss用于简化近似分析的热理论•原理：认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。假设：•温度为T0，密度0的未燃可燃气体混合物以速度u0进入燃烧室，并且其初速度u0使可燃气体混合物维持层流流动工况；•如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止不动，则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度。数学模型ddxdTdxcudTdxQwPxx()0TTTTeBucxp0000()ucCTTTTwprBB000()tauuH~0wt1~着火前混合物温度变化可燃混合物速度T0:可燃混合气初温TB:着火温度Tr:产物温度平均导温系数火焰静止小结•(1)火焰前沿移动的正常速度是与其平均导热系数的平方根成正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此正常速度与气体混合物的物理常数有关•(2)正常速度随着差值（TB-T0）的减小而增加，因此如果将气体预先加热后再送入燃烧室，则其正常速度能得以提高。ucCTTTTwprBB000()tauuH~0T0:可燃混合气初温TB:着火温度Tr:产物温度•(3)可燃气体混合物的热效应及化学反应速度亦显著地影响正常扩张速度，从第二点及公式可知，当可燃气体混合物的热效应及化学反应速度低的情况下，则正常速度数值亦小。•(4)由以上的分析可知可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当可燃混合物中的空气含量不足（α1）或过多时（α1）都会使燃烧温度Tr降低，因而亦降低正常速度。tauuH~0小结(续)ucCTTTTwprBB000()T0:可燃混合气初温TB:着火温度Tr:产物温度•(5)考虑到导温系数中的密度与压力成一次方关系,且火焰传播速度与压力有以下关系:则,对于二次反应来说,火焰传播速度将与压力无关.（不是二次反应？）•(6)上述理论尚不能定量分析,且有较大缺陷。如未燃混气初温与着火温度间的关系。小结(续)20~nHpuu捷尔道维奇等的分区近似解法（泽利多维奇Zel’dovich）•同样，将火焰分为两个区域（预热区和反应区），但与前面的分析改进之处是将组分守恒方程与能量方程联立，而不是仅考虑能量方程，其基本假定是：•(1)压力不变•(2)反应过程中摩尔数不变•(3)物性参数Cp和λ为常数•(4)λ/cp=D，即Le=1•(5)火焰为一维稳定火焰化学反应速度与组分相关结果rbrbTTbpTTbplwqdTTTcwqdTTTcs2022000)(22)(20220)(20TTcwqdTurpTTHr)]11(exp[)()(!2000001TTRETTTTcqwBnurnrrpsnH分析各因素对火焰传播速度的影响，预测火焰传播速度的变化趋势火焰传播的精确解法•由董道义所建立的精确解法，是对层流火焰基本方程直接进行精确求解。（直接迭代法）•层流火焰传播方程为：wqdxdTdxddxdTcSpl)(0rTTrpsHwdTTTcqu020220)(2分区近似解是精确求解法的一个一次逼近值Tanford等的扩散理论•原理：认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。•对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的大小。（扩散过程是控制过程）•在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础上提出了火焰速度方程。假设•在扩散理论的发展过程中，还作了进一步的假设：1）活性物质的活化能近似为零；2）所有活化自由基的浓度呈指数分布：3）整个燃烧区域的平均温度且不变；4）燃烧区域内气体的质扩散系数均为常数；5）组分方程的源项表达式呈一级反应；6）直链反应。层流火焰速度的表达式iiiiiprlBDpkXCuS0,0)(170,0,OHOHOHOHHHHHprlBDpkBDpkXCS上述中17这一常数表明存在着一个与自由基浓度无关，仅与火焰有关的速度层流火焰问题的数值求解方法•虽然前面已经提供了几种层流火焰的近似和精确求解方法，然而，真正能够用解析方法研究的火焰现象仍然是很少的。•近年来，随着高速计算机的发展，大多数的层流燃烧现象就可借助于数值方法来研究。一方面可以解决用解析法暂时不能解决的问题，另一方面有助于通过与解析及实验结果的对比来检验微分方程及其数值解的正确性Herimerl和Coffee计算的燃烧速度与Streng和Grosse的试验值的比较臭氧的初始摩尔分数燃烧速度（cm/s）HeimerlStreng和Grossea比率1.004974741.050.753963331.190.502481931.280.2564521.230.2033241.38求得：速度/组分分布/温度分布火焰正常传播理论方法预热区燃烧/反应区影响规律简化近似析热理论书78页4点捷尔道维奇分区近似解法火焰传播精确解法Tanford等的扩散理论层流火焰数值求解pcuBeTTTT00)(00tauuH0第三节火焰正常传播•主要内容–影响火焰正常传播速度的主要因素。–火焰传播界限。–火焰正常传播速度的测量。•过量空气系数•燃料化学结构•添加剂•混合可燃物初始温度T0•火焰温度•压力•惰性物质含量•热扩散系数和比热影响火焰正常传播速度的主要因素基于理论公式分析，关注推导过程中的假设等条件变化具体分析讨论得到规律。印象。看图：看影响，看趋势，看形状，看数字过量空气系数的影响•可燃气体混合物火焰传播速度uH随着过量空气系数α而改变•可燃气体混合物最大的uHmax并非处于可燃气体混合物的过量空气系数α等于1的情况，即混合物按化学当量的比例来混合的成份•uHmax发生在含可燃物浓度比化学当量的比例稍大的混合物中（即α1）任何燃料都存在一个最大的uHmax燃料化学结构的影响–显著影响•燃料分子量愈大，可燃性的范围就愈窄•右图:三族燃料的最大火焰速度与其分子中的碳原子数的关系：–对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大火焰速度（0.7m/s）几乎与分子中的碳原子数n无关；–对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其层流火焰速度却较大。当n增大到4时，uH的值将陡降，而后，随n进一步增大而缓慢下降，直到n≥8时，就接近于饱和碳氢化合物的uH值。添加剂的影响•采用添加剂的主要目的是提高着火温度及缓和过早着火和爆震的趋势•添加剂对火焰速度只有轻微的影响•对潮湿一氧化碳所作的研究表明，只要添加少量的氢或含氢燃料，火焰速度就会明显提高。少量的CH4存在对CO的反应有着显著影响•混合气体的火焰传播速度影响度20%左右Uh=U1+(1-)U2??混合可燃物初始温度T0的影响•可燃物初始温度T0提高可以大大促进化学反应速度，uH值增大rHRTEeu2mHTu0预热，Tr变化不大，但uH增加火焰温度的影响•Tr对uH影响很强的•uH主要取决于Tr•当Tr超过2500K时，火焰温度的影响不符合热力理论了。理解反应易于进行。H原子浓度的增加对增大火焰传播速度的作用显著。这个浓度怎么测量？压力的影响•增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小燃烧设备的体积；一些高空飞行器燃烧室都在低压下工作•压力