燃烧学-4.预混合气燃烧及火焰传播.ppt

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燃烧学-4.预混合气燃烧及火焰传播

第四章 预混合气燃烧及火焰传播 概述 一、预混合燃烧概念 定义 预混合气燃烧过程 火焰传播(flame propagating) 二.火焰及其特征和分类 火焰的定义 火焰的特征 具有发热、发光特征;—— 辐射现象 具有电离特性; 具有自行传播的特性。 火焰的分类 火焰自行传播 燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 火焰状态 流体力学特性 两种反应物初始物理状态 4.1 层流火焰传播 一、层流火焰结构与传播机理 火焰结构特点 火焰前沿厚度很薄,一般不超过1mm,只有十分之几毫米甚至百分之几毫米厚。 前沿的厚度很小,但温度和浓度的变化很大,因而在火焰前沿中出现了极大的浓度梯度及温度梯度。这就引起了火焰中强烈的扩散流和热流。 在火焰前沿厚度的很大一部分上,化学反应的速度很小,称为预热区,以 δd 表示。而化学反应主要集中在很窄的区域 δc 中进行,称其为化学反应区。 火焰前沿传播机理 火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动,取决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。 火焰传播的扩散理论 认为凡是燃烧都属于链式反应,在链式反应中借助于活性中心的作用,使混合气变为燃烧产物。火焰前沿在空间的移动是由于反应区中有活性中心向新鲜混气进行扩散而使反应连续进行。 二、层流火焰传播速度 定义 ——大小取决于反应速度、热量和活性中心的传 递速度。 数学表达式 静止坐标下的预混合气火焰传播速度分析 可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱下的火焰前沿移动的正常速度值 三、层流火焰厚度(δl) arweg和Maly : Chin: Law和Tseng : 四、预混层流火焰传播的数学模型 基本方程的建立 假设:假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿 管子传播,并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响,以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。 取火焰面厚度为△x的气体层为控制体。 基本方程: 边界条件 : 基本方程的简化求解 基本思想:控制火焰传播速度的主要过程是从反应区向预热 区的传热过程。在预热区中,忽略化学反应的影响,而在反 应区中则忽略对流传热的影响,按一维定常流来解。 预热区: 忽略化学反应的影响,能量方程作如下简化 : 反应区: 忽略对流传热项 ,能量方程作如下简化 : 五、层流火焰传播速度影响因素分析 燃料/氧配比的影响 燃料性质的影响 压力的影响 混合气初始温度的影响 添加剂的影响 4.2 湍流火焰传播 一、湍流火焰概述 湍流火焰的存在 在工业生产中,燃烧几乎总是发生在高速 、大管径、流动方向有突扩、有障碍 (柱体、球体、钝体等)的湍流场中,多数处于湍流状态。随着对湍流的研究进展,湍流火焰特性的研究也在不断前进,研究湍流对燃烧的影响,从而明了湍流燃烧及火焰传播机理。 目前湍流火焰 ( turbulent flames)的研究尚不成熟。而本节只是讨论一些已被认可的结论。 湍流火焰与层流火焰的区别 火焰表面形状:层流火焰表面光滑,燃烧状态平稳。湍流火焰表面被皱折变形,变粗变短; 火焰前沿厚度:层流火焰 前沿很薄(十分之几或百 分之几毫米),湍流火焰 前沿相当厚(几个毫米); 传播速度:湍流火焰传播 速度比层流火焰传播速度 大的多(是层流火焰传播 速度的好几倍); 火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运:层流火焰是通过热传导和分子扩散使火焰传播下去。而湍流火焰是靠流体的涡团运动来激发和强化,受流体运动状态所支配。 火焰的燃烧区域:湍流火 焰的燃烧不仅在火焰前沿 表面进行,还在前沿的背 后或燃烧区进行; 燃烧的激烈程度:湍流火 焰比层流火焰燃烧更激烈; 燃烧放热率:湍流火焰的 燃烧放热率比 层流火焰 的大的多。 湍流火焰传播速度的定义——St 二、湍流特性 湍流的基本特性:湍流中充满大小不等、高速旋转的流体微 团,或称涡团,在不断地做无规则的运动,使流体各点每瞬 时的速度、压力都在做随机的变化。 反映了湍流传质和传热的特性。 依照分子扩散与湍流扩散的相似性,可以认为, 流体层中体积基元(涡团)的无规则运动与分子的无

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