《5-燃烧学讲义.ppt

第五讲 火焰传播与稳定的理论 第一节：（层流）火焰传播速度 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 稳定的火焰正常传播 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。 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。 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。 火焰传播速度 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。 可燃气体和空气混合物在20℃及1个大气压下的火焰前沿移动的正常速度值 第二节：火焰正常传播的理论 研究火焰正常传播的理论的目的，就是为了找到(层流)火焰速度SL。  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 火焰正常扩张的理论 用于简化近似分析的热理论 捷尔道维奇等的分区近似解法 火焰传播的精确解法 Tanford等的扩散理论 层流火焰问题的数值求解方法 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 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)正常速度随着达到反应时温度差值（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。 (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) 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。 (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. 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。 捷尔道维奇等的分区近似解法 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 结 果 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。 层流火焰传播方程为： 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。 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。 层流火焰速度的表达式 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