1、燃 燒 學(xué) 第七章,田江平 內(nèi)燃機(jī)研究所414 tianjp,開口系統(tǒng)的著火與熄火,可燃?xì)庠谌紵彝Ａ魰r(shí)間 停留時(shí)間長，則放熱速率曲線 qG上移，著火越容易； 為什么？ 若反應(yīng)速率一定，則時(shí)間越長， 放熱速率越大。如果開口系統(tǒng)的長度很短，或混合氣流速過大，則混合氣還沒來得急自燃或者完全燃燒就已經(jīng)流出了系統(tǒng)。 隨著停留時(shí)間的增加，安全區(qū)（B-C兩點(diǎn)之間為安全區(qū)）擴(kuò)大。熄火的可能性減小，燃燒穩(wěn)定性改善。,燃燒學(xué),2,開口系統(tǒng)的著火與熄火,熱值對(duì)著火熄火的影響 熱值影響放熱速率。熱值越大，放熱速率越大，臨界溫度越低; 熱值越大，安全區(qū)越大，燃燒穩(wěn)定性越好。 化學(xué)反應(yīng)速率w對(duì)著火熄火影響的作用與熱值相

2、同。,燃燒學(xué),3,開口系統(tǒng)的著火與熄火,系統(tǒng)散熱對(duì)著火熄火的影響 Stefan-Boltzmann定律，輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比。 則散熱速率式改變?yōu)椋?則原來的散熱速率直線變?yōu)榍€,燃燒學(xué),4,顯然，輻射散熱越大，著火越困難，且對(duì)應(yīng)的上穩(wěn)定點(diǎn)的放熱速率和溫度越低； 當(dāng)散熱增大到一定程度，系統(tǒng)熄火。,第七章,使用燃燒學(xué)導(dǎo)論-概念與應(yīng)用中第8章內(nèi)容。 PDF文件 原因：課本的公式推導(dǎo)過于復(fù)雜。本章做簡要介紹。,燃燒學(xué),5,第七章 層流預(yù)混火焰,燃燒學(xué),6,第六章研究了著火過程。著火以后，火焰在可燃混合氣中自行傳播 紅色：火焰鋒面 黃色：已燃產(chǎn)物 藍(lán)色：未燃混合氣,定義： 火焰：以亞音速，自維

3、持傳播的局部燃燒區(qū)域。 緩燃波：亞音速不連續(xù)燃燒波。依靠導(dǎo)熱使未燃混合氣升溫（或由于擴(kuò)散使活化中間產(chǎn)物輸運(yùn)到未燃混合氣）而引發(fā)反應(yīng)。速度：m/s量級(jí)。 爆震波：超音速燃燒波。依靠激波的壓縮作用使未燃混合氣升溫，傳播速度通常大于1000m/s。,2020/6/22,7,主要內(nèi)容,應(yīng)用: 煤氣爐灶、加熱爐、本生燈 主要內(nèi)容： 基本特征定性描述 簡化分析影響火焰速度和厚度的因素 完全分析火焰結(jié)構(gòu) 用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定當(dāng)量比、溫度、壓力、燃料特性對(duì)火焰速度和厚度的影響規(guī)律 火焰速度對(duì)火焰形狀；火焰穩(wěn)定性；吹熄（blow-off; blow-out）；回火的影響規(guī)律 討論可燃極限；著火；熄火現(xiàn)象（ extin

4、ction）,2020/6/22,8,應(yīng)用：爐灶與本生燈,燃燒學(xué),9,一維定常流動(dòng)火焰?zhèn)鞑?burned,unburned,flame,2020/6/22,10,快速化學(xué)反應(yīng)區(qū),緩慢反應(yīng),預(yù)混層流火焰結(jié)構(gòu),基于Friedman和Burke實(shí)驗(yàn)得出的溫度和放熱率圖,溫度測(cè)試：0.013熱電偶,2020/6/22,11,預(yù)熱區(qū)：基本不釋放熱量 反應(yīng)區(qū)： 快速反應(yīng)區(qū) 雙分子反應(yīng)，迅速，燃料分子消耗和中間產(chǎn)物生成，常壓下典型厚度小于1mm，溫度梯度和組分濃度梯度都很大（自維持驅(qū)動(dòng)力） 慢速反應(yīng)區(qū) 三分子反應(yīng)支配，反應(yīng)速度慢； 燃盡反應(yīng)由CO+OH=CO2+H完成； 常壓下可延伸至幾毫米。,區(qū)域解釋,2

5、020/6/22,12,可見輻射 快速反應(yīng)區(qū) 空氣過量，藍(lán)色（CH*） 減少至小于化學(xué)計(jì)量比，藍(lán)綠色（C2） 兩種火焰中，OH發(fā)出可見光，CO+OCO2+hv發(fā)出熒光（弱） 更缺氧，碳煙黑體輻射（最大值位于紅外區(qū)），可見光區(qū)從亮黃到暗橘色，取決于火焰溫度。 如家用爐灶。 PS： 兩色法：測(cè)試兩種不同波長的光的輻射，可得測(cè)試火焰的溫度和碳煙濃度分布,2020/6/22,13,介紹幾種典型實(shí)驗(yàn)室火焰,本生燈 輻射加熱燃燒器 絕熱燃燒器與非絕熱燃燒器,2020/6/22,14,本生燈（Bunsen Burner）火焰,2020/6/22,15,(a) 本生燈示意圖；(b)層流火焰速度等于未燃?xì)怏w流速

6、在火焰面法線分量,本生燈火焰速度,2020/6/22,16,纖維網(wǎng)燃燒器（陶瓷或金屬） 多孔陶瓷泡沫燃燒器 開孔陶瓷片燃燒器,直接加熱輻射燃燒器 產(chǎn)生均勻熱流，效率很高,扁平層流火焰燃燒器,2020/6/22,17,實(shí)驗(yàn)室燃燒器類型,絕熱平面火焰燃燒器 穩(wěn)定扁平火焰條件苛刻 非絕熱平面燃燒器 將火焰產(chǎn)生的熱量散出去，降低火焰速度，利于產(chǎn)生穩(wěn)定火焰,平面火焰,篩網(wǎng),玻璃球,管束,燃料-空氣 混合物,2020/6/22,18,例題,一個(gè)穩(wěn)定燃燒的層流預(yù)混火焰，混合氣可視為一維流動(dòng)，其軸向速度 vu 與水平坐標(biāo)x呈線性關(guān)系，如下圖所示，試確定火焰形狀以及火焰面與軸向所呈的局部角度。 假設(shè)火焰速度為0

7、.4 m/s, （化學(xué)當(dāng)量比下甲烷空氣預(yù)混火焰的速度）,2020/6/22,19,計(jì)算火焰面與軸向平面所呈的角度。 相似三角形,2020/6/22,20,根據(jù)未燃物速度分布 當(dāng)x=0時(shí),角度為 30; 當(dāng)x=20時(shí), 角度為 19.5 為了計(jì)算火焰位置，我們先在x-z平面上得到火焰面局部斜率(dz/dx)的表達(dá)式，然后對(duì)其求積分解出z(x),2020/6/22,21,計(jì)算結(jié)果,本例說明： 火焰的形狀可以根據(jù)未燃?xì)怏w的來流速度來計(jì)算,2020/6/22,22,層流預(yù)混火焰簡化分析(基于Spalding的理論),Spalding理論：只陳述物理過程，不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)。 與傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)、熱

8、力學(xué)相結(jié)合 目標(biāo)：找出影響層流火焰速度、火焰厚度的因素 主要過程: 物理描述(物理模型) 假設(shè) 守恒方程(數(shù)學(xué)模型) 求解(解析解或數(shù)值解) 結(jié)果分析,2020/6/22,假設(shè),1. 一維， 等面積，穩(wěn)定流。 2. 動(dòng)能、勢(shì)能、粘性力做功以及熱輻射均忽略。 3. 忽略火焰面兩側(cè)微小的壓力差，即壓力恒定。 4. 熱擴(kuò)散和質(zhì)擴(kuò)散由傅立葉（Fourier）定律及費(fèi)克（Fick）定律決定，假定是二元擴(kuò)散。 5. 劉易斯（ Lewis ）數(shù)Le：熱擴(kuò)散率與質(zhì)擴(kuò)散率的比Le1，即 /cp=D，大大簡化了能量方程。 6. 混合物的比熱不隨溫度或組分變化，相當(dāng)于假設(shè)所有組分的比熱均為常數(shù)且相等。 7. 燃料與

9、氧化劑經(jīng)一步放熱反應(yīng)生成燃燒產(chǎn)物。 8. 氧化劑為化學(xué)當(dāng)量值或過量，即燃料完全氧化。,2020/6/22,24,火焰分析的控制體,2020/6/22,25,守恒定律,總質(zhì)量守恒: 組分質(zhì)量守恒,第i種組分在單位體積內(nèi)的質(zhì)量生成率,2020/6/22,26,簡化的總包反應(yīng)方程式： 1 kg 燃料+v kg 氧化劑(v+1) kg 產(chǎn)物 即, 組分質(zhì)量守恒方程式： 燃料 氧化劑 產(chǎn)物,以下5頁P(yáng)PT（藍(lán)色標(biāo)題部分）為Shvab-Zeldovich簡化能量守恒方程的推導(dǎo)，為插入內(nèi)容。,燃燒學(xué),27,關(guān)鍵：假設(shè)是劉易斯數(shù)Le(a/D)為1 首先，返回能量方程一維形式和熱通量的通用形式 其中：,Shva

10、bZeldovich形式的能量守恒方程,一維形式，并根據(jù)菲克定律，有：,右邊 第一項(xiàng)：傳導(dǎo)引起的顯焓變化； 第二項(xiàng)：組分?jǐn)U散引起的絕對(duì)焓變化； 第三項(xiàng)：組分?jǐn)U散引起的顯焓變化。,再令D=const，即使用單一擴(kuò)散系數(shù)來表征混合物,Le=1，即/D=1(= cp),根據(jù)絕對(duì)焓定義，將絕對(duì)焓寫成標(biāo)準(zhǔn)生成焓和顯焓的形式：,代入上式，得：,整理，得：,根據(jù)菲克定律和組分守恒方程，有：,將絕對(duì)焓寫成標(biāo)準(zhǔn)生成焓和顯焓的形式，代入，得,單位體積內(nèi)對(duì)流引起顯焓變化率,單位體積內(nèi)擴(kuò)散引起顯焓變化率,單位體積內(nèi)化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)反應(yīng)引起生成焓變化率,動(dòng)能項(xiàng)，通常很小，忽略,方程式左邊組分質(zhì)量通量消掉，焓變項(xiàng)消掉，此方

11、程為： Shvab-Zeldovich形式能量守恒方程一維形式,Shvab-Zeldovich形式能量守恒方程一維形式,能量守恒（Shvab-Zeldovich形式） 方程式右邊： 又： Le1，即 =Dcp,hc: 燃料的燃燒熱,2020/6/22,34,我們的任務(wù)：找到SL 上式中，哪項(xiàng)和SL有關(guān)？,整理，得：,求解,邊界條件: 距離火焰無限遠(yuǎn)處：,2020/6/22,35,分析層流預(yù)混火焰時(shí)的假設(shè)溫度分布,對(duì)x積分，消去dT/dx在x=0和x=處的不連續(xù)性，應(yīng)用-+： 燃料消耗率只在區(qū)域內(nèi)不等于0，積分限變?yōu)? ，dx用dT表示：,2020/6/22,36,2020/6/22,37,定義平均反應(yīng)速度： 簡化結(jié)果： 含有 和的簡單代數(shù)方程。需要再找一個(gè)方程才能求解。,2020/6/22,38