§6-1火焰速度和火焰結構一維層流火焰在預混燃料-氧化劑混合物中傳播是最簡單的燃燒現(xiàn)象之一，在此火焰中，化學動力學以及能量和組分擴散輸運起重要作用。通過守恒方程和狀態(tài)方程可以導出雖然守恒方程和狀態(tài)方程提供了緩燃的未燃氣體和已燃狀態(tài)之間的關系，但不能唯一確定層流火焰速度Su。為了確定Su，必須構的某些方面入手。如前所述，這些計算是針對等壓過程進行的。但是對一維緩燃的d(ρu)/dx=0?ρu=常數(shù)），dP/dx+ρu(du/dx)=0uu(ub?uu)/ρb)?1]ρu/ρb=(Pu/Pb)(Rb/Ru)(Tb由于反應物與產(chǎn)物的分子量近似相同，預期穿過火焰的壓力降與溫度增加相比是很小碳氫燃料與空氣混合物在大氣條件下的層流火焰速度典型值在15-40cm/s范圍內(nèi)。T“的典型值等于1§6-2一維層流預混火焰模型d[ρuη?ρD(dη/dx)]/dx=RRη=Y/[(υ'?υ)]η=sebsibl(T)η=Y/[(υ'?υ)]p(T)dT由于ρu=常數(shù)，可以用ρuuu=ρuSu代替方程（6-2）中的ρu，式中Su是我們要求解的層b,b,1kg燃料+fkgO2→(1+f)kg產(chǎn)物RR(kg/m3s)=Aρuelρ2exp(?Eov/RT數(shù)關系，方程（6-2）是非線性，非齊次常微分方程，如不作進一步簡化，就不能得到分析假設火焰由兩個區(qū)組成：預熱區(qū)，其中無反應，對流與擴散通量是平衡的；反應區(qū)，其中反應通過輸運是平衡的?；鹧娼Y構的物理圖可對于比熱為常數(shù)的理想氣體,ξ=Θcpg。反應速率曲線的一般形狀是當反應從反應物(ξ=0）到產(chǎn)物(ξ=1）時，減少的反應濃度和增長的溫度乘積的結果。在求解方程（6-2）圖6.4一維層流預混火焰在反應坐標中的結構ρuuucpT?λ(dT/dx)=constantconstant=ρuSucpTλ(dT/dx)xi=ρuuucp(Ti?Tu)（6-5）假設方程（6-2）中的dT/dx項比d(kdT/dx)/dx小得多，即能量的對流通量比擴散通量小。TTTd(λdT/dx)/dx=RR(?ΔHR)TTT?[d(λdT/dx)/dT](dT/dx)=RR(?ΔHR)或?(λdT/dx)d(λdT/dx)=RR(?ΔHR)λdT將以上方程從x=xi(式中T=Ti；dT/dx=dT/dxxi)到k(dT/dx)?Tb'?1/2?Tb'?1/2方程（6-6）的物理解釋如下：在反應區(qū)流出的，經(jīng)熱傳導進入預熱區(qū)的能量擴散通量TuupuρSc(Ti?T)=[?2ΔHRλTuupuiTi解方程（6-7可求出層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐u。注意到溫度對反應速率的影響比熱傳導強得多，因此可以把導熱系數(shù)λ從積分中移出，并用其平均值代替。bSu={(λ/ρucp)[?(2ΔHR)/(ρucp(Ti?Tu)][1/(Ti?Tu)∫RRdT']}1/2biTi記得λ/ρcp=a=熱擴散系數(shù)，假設當T〈Ti，RR=0，注意到對于典型的碳氫bbiTibbiTi流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L。f(?ΔHR)=cp(Tb?Tu)ρuYfo(?ΔHR)=ρucp(Tb?Tu)或foρu）?a?1/2SL=?2()RR?（6-9）foρu??SL=2YfuRR1/2應發(fā)生在火焰厚度的后半部分(δ/2<x<δ),因而我們選擇該反應區(qū)的平均溫度來計算Y02=?kG(T)ρ1.75()0.1()1.65== ρ=P(Ru/MW)T=0.1997kg/m3 1() 1() 將上述的a和RR的值代入層流火焰速度公式得：SL=2YfuRR1/2=21/2=0.425m/s=42.5cm/s實驗測得的以化學恰當比混合的丙烷-空氣混合物的層流火焰速度為38.9cms，但是 RR可通過積分求出，這樣得到的結果就會更準確?！?-3燃料-氧化劑混合物層流火焰?zhèn)鞑?shù)據(jù)6.8所示?？梢钥闯?，火焰速度隨壓力增加而下n/PSu=constantP(a+b?2)/2f(Tu,Tb)exp(?Eov/2RTb)（6-10）式中f(Tu,Tb)表示反應物密度和火焰速度與溫度的關系主要由exp(?Eov/2RTb)項決定。指數(shù)函數(shù)的性質是它隨溫度升高而混合物數(shù)據(jù)和Eov=35Kcal/mol歸一化。由圖可見，實驗數(shù)據(jù)與用簡單模型計算結果非常符Metghalchi和Keck[5]通過實驗決定了各種燃料-空SL=SL,ref(Tu/Tu,ref)γ(P/Pref)β(1?2.1Ydil)式中系數(shù)BM，B2，ΦM與燃料類型有關，列于表6.1中表6.1公式(6-11)中的系數(shù)ΦM,BM,B2ΦMBM（cm/s）2B（cm/s）2式中溫度和壓力的指數(shù)γ,β是當量比的函數(shù)，可以表示為：例6.2現(xiàn)有當量比F=0.8的汽油-空氣混合物，試比較其在下列三種情況下的層流火焰速1．在參考條件下，即T=298K,P=1atm；BMB2MMSL,ref=27.58-78.38(0.8-1.13)2SL,ref=19.05cmsSL(Tu,P)=SL,ref(Tu/Tu,ref)γ(P/Pref)β由于廢氣回流的稀釋，使層流火焰速度減低(1-2.1Ydi焰厚度和火焰?zhèn)鞑ニ俣仁窍嗷ヂ?lián)系的?；鹧嫠俣群突鹧婧穸戎g的定性關系可以從xi處的δf≈(k/ρucp)(1/Su)=a/Su（6-13）系，所以簡單模型建議火焰厚度與火焰速度成反比。對于甲烷-空氣混合物在大氣壓下的火預熱區(qū)厚度δph之比如下式所示：T)/Eov程（6-126-13）得δr/δph≈(R/Tb2)/Eov(Tb?Tu)≡1/β式中β稱為澤列道維奇（Zeldovich）數(shù)。它是以對層流火焰理論作出很大貢獻的原蘇聯(lián)科變大。碳氫燃料-空氣火焰的典型β值為8-10的量級。當β很大時，δr<<δph，表示與預熱fδ∝P?(a+b)/2（6-16）f表示所觀察的甲烷-空氣混合物的總的反應級數(shù)nn?22?0.25?14n?22?0.25?14SL0.25atm=1.41SL1atm=42cm/sfδ~αSL~~p?n2~p?0.75fδf0.25atm=δf1atm?0.75=2.828f1atmδf0.25atm=5.6mm*§6-5層流預混火焰?zhèn)鞑ピ敿毞治?cλA+∑ρYkVkcpk+∑khkMk=0 cppk=組分k的定壓比熱；λ=混合物熱傳導率=λ(T)；Yk=組分）； ∑k,jjkf,j=ATnexp(?Ej/RT)此外，每種組分的傳輸特性（熱傳導和熱擴散系數(shù)）也必須給出。各種組分的傳輸系1混合物的熱傳導率λ可用確定，1kkkkkkkkk 1kXkdxλTk1dTkXTdxk二元擴散系數(shù)Djk表示j以外的所有組分j雖然我們要求穩(wěn)態(tài)火焰?zhèn)鞑栴}的解，但是我們可以很方便地解一個瞬態(tài)方程組來獲∑ρYkVkcpk+∑khkMk=0數(shù)值求解的過程需要一個方程的近似解作為初始值進行迭代。初始值可以很不精確，§6-6層流預混火焰的穩(wěn)定傳播模型發(fā)展的層流流動，本生燈出口的氣流速度分布為熟知SL=Ucosα氣流速度大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，且氣流在火焰法向的分速度等于該處的層流火焰速度火gf~(SL/dp)~(SL/δf)~(S/a)(6-23)）；和a/SL成正比，a是熱擴散率）。方程(6-23)中所示的gf對SL的相關性可從?N2混合物的gf隨SL的變化圖6.16看出來。&體積流量Q由下式給出433=因為gf∝S，我們可預期gf與當量比Φ的關系類似于SL和Φ的關系，如下圖所示。時表明回火速度梯度與壓力有關，因為SL和α與壓力有關，gf∝P(a+b)?1度進一步增大時，火焰穩(wěn)定的條件（當?shù)鼗鹧嫠俣?當?shù)亓黧w速度）度梯度之間的關系不如對回火那么明顯。圖6.1速度梯度比在惰性環(huán)境（如N2或Ar）中的預混火焰的吹熄速度梯度大?？諝饩砦材軐?lt;<gfg<<UR,所以穩(wěn)定的火焰對U和R都有限制。除了回火和熄火的限制以外，對層流 critcritv對一個給定的化學當量比，這些對燃燒器參數(shù)的限制可以用U?d圖表示。對于給定的當時（對應于吹熄線和臨界雷諾數(shù)線的交點），速度比（turndown）≡最大流速/最小流速=gb/gf=constant。當速度比（turndown）為常數(shù)時，對應于虛線處的燃燒器直徑能給少一半（即0.5cm那么最大回流比?gf(1atm)gf(0.25atm)SLδf0.2cm~gf*§6-7層流預混火焰對拉伸的響應在很多情況下層流預混火焰是在非均勻速度場），0f因為U||=Usinc，=cosα,所以k=[cosc(sinc+coscctnc)]=f(,c)s.n)(▽.n)s上式的第一項涉及流速的切向分量u||，它表示了沿火焰面的流動非均勻性對拉伸的貢獻；Le≡αmix/Di）