1、 層流火焰概念、結(jié)構(gòu)特征、傳播機理、傳播速度層流火焰概念、結(jié)構(gòu)特征、傳播機理、傳播速度計算，層計算，層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩亓骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩?，湍流火焰概念，湍流火焰概念 ，湍流火，湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚撗鎮(zhèn)鞑ダ碚撆c傳播速度，爆震燃燒理論。與傳播速度，爆震燃燒理論。 層流火焰結(jié)構(gòu)、傳播機理，湍流火焰?zhèn)鞑煞N理論層流火焰結(jié)構(gòu)、傳播機理，湍流火焰?zhèn)鞑煞N理論 層流火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)學(xué)模型建立與推導(dǎo)，湍流火焰?zhèn)鲗恿骰鹧鎮(zhèn)鞑サ臄?shù)學(xué)模型建立與推導(dǎo)，湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚摬ダ碚?燃料和氧或空氣預(yù)先混合成均勻的混燃料和氧或空氣預(yù)先混合成均勻的混合氣，此可燃混合氣稱為預(yù)混合氣，預(yù)混合氣合氣，此可燃混合氣稱為預(yù)混合氣，預(yù)混

2、合氣在燃燒器內(nèi)進(jìn)行著火、燃燒的過程稱為預(yù)混合在燃燒器內(nèi)進(jìn)行著火、燃燒的過程稱為預(yù)混合燃燒燃燒premixed combustion）。）。典型預(yù)混合燃燒裝置典型預(yù)混合燃燒裝置 某一局部區(qū)域首先著火,依靠火焰面的熱量使鄰近的預(yù)混合氣引燃，逐漸把燃燒擴展到整個混合氣范圍。 在它的前方是未燃的混合氣，而在它的后方是已燃的燃燒產(chǎn)物。 隨時間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向前擴展，呈現(xiàn)出火焰?zhèn)鞑?flame propagation)的現(xiàn)象。n 隨時間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向隨時間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向n 前擴展，所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。前擴展，所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。n 可燃?xì)怏w混合物的局部首先著火，著火部可燃

3、氣體混合物的局部首先著火，著火部n 分向未燃部分傳遞熱量和活性粒子，使之分向未燃部分傳遞熱量和活性粒子，使之n 相繼著火的過程稱為火焰?zhèn)鞑ァＯ嗬^著火的過程稱為火焰?zhèn)鞑?。預(yù)混合燃燒的關(guān)鍵、本章研究的核心預(yù)混合燃燒的關(guān)鍵、本章研究的核心 火焰火焰(flames)是在氣相狀態(tài)下發(fā)生的燃是在氣相狀態(tài)下發(fā)生的燃燒的外部表現(xiàn)。燒的外部表現(xiàn)。緩燃火焰緩燃火焰( (或稱正?；鹧婊蚍Q正?；鹧? ( 0.2-1m/s ) ( 0.2-1m/s )爆震火焰爆震火焰4. 34. 3） 預(yù)混火焰預(yù)混火焰 （第四章）（第四章）擴散火焰擴散火焰 （第五章）（第五章）移動火焰移動火焰駐定火焰駐定火焰 （見圖）（見圖）層流火焰

4、層流火焰 （4.14.1）湍流火焰湍流火焰 （4.24.2） 均相火焰均相火焰多相火焰異相火焰多相火焰異相火焰 ）(laminar flame） 預(yù)混可燃?xì)怏w流速不高層流狀態(tài)時預(yù)混可燃?xì)怏w流速不高層流狀態(tài)時的火焰?zhèn)鞑シQ為層流火焰?zhèn)鞑?。的火焰?zhèn)鞑シQ為層流火焰?zhèn)鞑ァ?層流火焰圖層流火焰圖 層流火焰前沿濃度和溫度變化層流火焰前沿濃度和溫度變化 層流火焰圖層流火焰圖 火焰外沿相對于未燃混合物在火焰表面法線火焰外沿相對于未燃混合物在火焰表面法線方向上的移動速度稱為火焰的法線速度，用方向上的移動速度稱為火焰的法線速度，用Un表表示，也稱為層流燃燒速度示，也稱為層流燃燒速度 ( laminar burnin

5、g velocity) ，用，用Sl 表示。表示。Bussen 燃燒燃燒嘴火焰嘴火焰 cosnUUcoslSUU未燃混合氣局部流速 對固定火焰，火焰面靜止不動，即對固定火焰，火焰面靜止不動，即up=0up=0，則，則Sl = u0 = Sl = u0 = us us 即：火焰?zhèn)鞑ニ俣染偷扔谖慈蓟旌蠚膺M(jìn)入火焰面的流即：火焰?zhèn)鞑ニ俣染偷扔谖慈蓟旌蠚膺M(jìn)入火焰面的流速，兩者大小相等方向相反。速，兩者大小相等方向相反。Slu0us混合氣流速混合氣流速up火焰面的移動速度火焰面的移動速度u0火焰面相對未燃混合氣的移動速度火焰面相對未燃混合氣的移動速度同方向）、反方向）、spspspspspuuuuuuuu

6、uuu(0可 燃 氣 體正 常 速 度 uH, m/sH21.6CO0.30CH40.28C2H21.0C2H40.5lconstllSmllDS在在LeLePrPrScSc1 1的條件下等價的條件下等價 （ 不同的混合氣用不變的不同的混合氣用不變的 l l ）層流火焰厚度正比于燃料空氣混合氣的質(zhì)擴散系數(shù)，反比于層流燃燒速度 。mDLepcPrmDScn取火焰面厚度為取火焰面厚度為x的氣體層為控制體。的氣體層為控制體。luuSconstpdTddTuCWQdxdxdxeqpMRT連續(xù)方程連續(xù)方程 ： （4-11） 能量方程：能量方程： （4-12） 組分?jǐn)U散方程：組分?jǐn)U散方程： （4-13）

7、狀態(tài)方程：狀態(tài)方程： （4-14） x TTiiCCx fTT0iC WdxdCDdxddxdCuii Zeldovich 熱理論模型 pdTddTuCdxdxdQxW220pd TdTu Cdxdx邊界條件：邊界條件：bTTx:00,:dxdTTTxpbbuCdTTTdx(4-16)積分：積分：0bPbTTuCdxdTdxdTpddTWQdxdxdTuCdx220d TWQdx邊界條件：邊界條件：0,:dxdTTTxfbTTx:0220d TWQdxddTwQdxdx dTdTwQddTdxdx 21()2dTwQddTdx 2fbTbTdTwQdTdx(4-19)0,:dxdTTTxfbT

8、Tx:0dTwQdxdTdxdTfbTTb22)(21)(212fbTbTdTwQdTdx(4-19)pbbuCdTTTdx(4-16)luuSconst2222TTCWQdTuSbTTlpfb122222!11expnnflnffpfETTn WQESETRTTCTT積分、化簡得積分、化簡得 ：2222TTCWQdTuSbTTlpfb2222TTCWQdTSfTTlpf122222!11expnnflnffpfETTn WQESETRTTCTT燃料燃料/ /氧配比的影響氧配比的影響燃料性質(zhì)的影響燃料性質(zhì)的影響壓力的影響壓力的影響混合氣初始溫度的影響混合氣初始溫度的影響添加劑的影響添加劑的影響

9、 ：惰性添加劑，反應(yīng)添加劑：惰性添加劑，反應(yīng)添加劑圖圖4-8 燃料配比對燃料配比對Sl的影響的影響1-氫氫 2-乙炔乙炔 3-一氧化碳一氧化碳4-乙烯乙烯 5-丙烷丙烷 6-甲烷甲烷 混合氣配比對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懞艽蟆?除氫氣和一氧化碳外，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幵?0.800.85范圍內(nèi)。 對大多數(shù)混合氣來說、最大火焰?zhèn)鞑ニ俣仁前l(fā)生在化學(xué)計量比條件下。22lpSC導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)，定壓比，定壓比熱容熱容Cp和密度和密度n 烷烴隨含碳量的增加，烷烴隨含碳量的增加，n 火焰?zhèn)鞑ニ俣然静蛔儭；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣然静蛔?。n 烯烴和炔烴含碳量越高，烯烴和炔烴含碳量越高，n 火焰?zhèn)鞑ニ俣仍叫』鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍叫∪剂匣?/p>

10、學(xué)結(jié)構(gòu)燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)（n反應(yīng)級數(shù)）122WnllWSSpn ，p， pmlSTm1.52之間之間 提高可燃物提高可燃物初始溫度初始溫度T可可以大大促進(jìn)化學(xué)以大大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度，因而反應(yīng)速度，因而增大增大Sl 值值惰性添加劑：降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮小可燃界限，如惰性添加劑：降低火焰?zhèn)鞑ニ俣龋s小可燃界限，如 CO2、N2等。等。反應(yīng)添加劑：加速鏈反應(yīng)過程而使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆俜磻?yīng)添加劑：加速鏈反應(yīng)過程而使火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆?增加，如氫。增加，如氫。( turbulent flames)的研究尚不成熟。的研究尚不成熟。而本節(jié)只是討論一些已被認(rèn)可的結(jié)論。而本節(jié)只是討論一些已被認(rèn)可的結(jié)論。(turbulen

11、t flames) 湍流火焰與層流火焰的區(qū)別湍流火焰與層流火焰的區(qū)別 湍流火焰與層流火焰的區(qū)別湍流火焰與層流火焰的區(qū)別 湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎竿牧骰鹧媲把赝牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣戎竿牧骰鹧媲把厝我惶幏ㄏ蛳鄬τ谖慈蓟旌蠚膺\動的速任一處法向相對于未燃混合氣運動的速度。度。湍流火焰前沿表面結(jié)構(gòu)示意湍流火焰前沿表面結(jié)構(gòu)示意(a) 弱湍流弱湍流 (b)強湍流強湍流 (a)(b)表示流場中速度脈動的程度。表示流場中速度脈動的程度。22213xyzuuuu流場中某一點總湍流強度：流場中某一點總湍流強度：瞬時速度瞬時速度u（ ）時均速度時均速度 （ ）脈動速度脈動速度 （ ） ,xyzuuuuzyxuuu,zyxuuu,

12、uuuuxxxuuuyyyuuuzzzuuu與湍流渦團(tuán)大小及其變化過程有直接關(guān)系。與湍流渦團(tuán)大小及其變化過程有直接關(guān)系。物理意義：渦團(tuán)在無規(guī)則運動中，保持自由前進(jìn)而不與其物理意義：渦團(tuán)在無規(guī)則運動中，保持自由前進(jìn)而不與其他渦團(tuán)碰撞的距離。或者說，流體渦團(tuán)在運動過程中消失他渦團(tuán)碰撞的距離?；蛘哒f，流體渦團(tuán)在運動過程中消失前運動的距離，也可以認(rèn)為是渦團(tuán)的一種平均自由程。前運動的距離，也可以認(rèn)為是渦團(tuán)的一種平均自由程。 Lagrange湍流尺度：湍流尺度： Euler湍流尺度：湍流尺度： TudRuL0102drRLrLu L L湍流混合長度湍流混合長度湍流擴散系數(shù)湍流擴散系數(shù) 認(rèn)為燃燒化學(xué)反應(yīng)本身

13、的速度非常高，認(rèn)為燃燒化學(xué)反應(yīng)本身的速度非常高，燃燒化學(xué)反應(yīng)只是在薄薄的一層火焰鋒面燃燒化學(xué)反應(yīng)只是在薄薄的一層火焰鋒面內(nèi)進(jìn)行。內(nèi)進(jìn)行。Wrinkled laminar flame湍流火焰湍流火焰小尺度湍流火焰小尺度湍流火焰（ ）大尺度湍流火焰大尺度湍流火焰（ ）llll強湍流火焰強湍流火焰（ ）弱湍流火焰弱湍流火焰（ ）（湍流尺度）（湍流強度）lSu lSu 未 燃 氣 瞬 時速度分布火焰面瞬時火焰?zhèn)鞑シ较蛭慈細(xì)馑矔r速度分布瞬時火焰面形狀層流火焰理論：層流火焰理論：動量傳遞、傳熱和傳質(zhì)三者相似，其輸運系數(shù)數(shù)值相等動量傳遞、傳熱和傳質(zhì)三者相似，其輸運系數(shù)數(shù)值相等故：故：lSDlSu l Red

14、uu lReltSSRetlSS鄧克爾根據(jù)相似性，得到鄧克爾根據(jù)相似性，得到 ：鄧克爾：鄧克爾： ltltFFSS式中式中 Ft 和和 Fl 分別為火焰前沿皺折表面積和來流的幾何分別為火焰前沿皺折表面積和來流的幾何橫截面積即層流火焰面面積）橫截面積即層流火焰面面積） 即即:只要求出只要求出 即可求出即可求出ltltFFSS ltFFtS計算計算火焰前沿皺褶表面積火焰前沿皺褶表面積謝爾金謝爾金 : 假設(shè)湍流火焰表面是由無假設(shè)湍流火焰表面是由無 數(shù)錐形組成。數(shù)錐形組成。22222/1224dhddhdFFSSltltld /lhu tu l S222/llSulSlurh2/1lltSukSS故：

15、故：火焰前沿面積的計算：用錐體面積表示有一定的誤差，最火焰前沿面積的計算：用錐體面積表示有一定的誤差，最近開始應(yīng)用分形幾何學(xué)的方法近開始應(yīng)用分形幾何學(xué)的方法 。1tllSuCSS 撻蘭脫夫：撻蘭脫夫：出現(xiàn)小團(tuán)塊燃燒，燃燒既可能在未燃混合氣區(qū)，也可出現(xiàn)小團(tuán)塊燃燒，燃燒既可能在未燃混合氣區(qū)，也可能在已燃的燃燒產(chǎn)物區(qū)。能在已燃的燃燒產(chǎn)物區(qū)。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热Q于脈動速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ偻牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣热Q于脈動速度與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎?。度之比?燃燒化學(xué)反應(yīng)在火焰中各處表現(xiàn)都以不同燃燒化學(xué)反應(yīng)在火焰中各處表現(xiàn)都以不同速度進(jìn)行著。湍流輸運使不同成分的氣體在火速度進(jìn)行著。湍流輸運使不同成分的氣體在火焰

16、區(qū)內(nèi)燃燒同時進(jìn)行著摻混，燃燒與摻混造成焰區(qū)內(nèi)燃燒同時進(jìn)行著摻混，燃燒與摻混造成火焰?zhèn)鞑??；鹧鎮(zhèn)鞑?。強調(diào)：燃燒產(chǎn)物和可燃?xì)怏w強烈混合的一面。強調(diào)：燃燒產(chǎn)物和可燃?xì)怏w強烈混合的一面。撻蘭脫夫：撻蘭脫夫：相似性假定方程：相似性假定方程：1tllSuCSS ttlcSSSt小尺度湍流火焰小尺度湍流火焰 ll鄧克爾：鄧克爾： 謝爾金謝爾金 ：tlSS大尺度湍流火焰大尺度湍流火焰 ll大尺度弱湍流火焰大尺度弱湍流火焰 ： 大尺度強湍流火焰大尺度強湍流火焰 ： (Re6000)(Re6000)ttllSFSFRetS 21/tllSSk uS鄧克爾：鄧克爾：謝爾金：謝爾金：luSluS1tllSuCSS 撻

17、蘭脫夫：撻蘭脫夫：復(fù)合層流前沿理論容積燃燒理論ReltSS122222!11expnnflnffpfETTn WQESETRTTCTT(abnormal combustion) 討論下列問題：討論下列問題：1爆震燃燒與正常燃燒的區(qū)別？爆震燃燒與正常燃燒的區(qū)別？ 2沖擊波形成原理？沖擊波形成原理？（爆震燃燒：氣體燃料受（爆震燃燒：氣體燃料受 極迅速的絕熱極迅速的絕熱壓縮而引起。）壓縮而引起。）（爆震燃燒：（爆震燃燒：1000m/s）222TP、111TP、muuppconstupupppp222222uhuhppRTpppppTRpTRp)()(TTchhTTchhppppp能量方程忽略了粘性力，體積力及無熱量交換）：能量方程忽略了粘性力，體積力及無熱量交換）：狀態(tài)方程：狀態(tài)方程： 狀態(tài)的熱量方程狀態(tài)的熱量方