层流扩散详细讲解

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层流扩散火焰结构
分子扩散进行得比较缓慢，其速度远低于燃烧的化学
反应速度，因此层流扩散燃烧的速度由氧的扩散速度决定。 燃烧反应只在燃料与氧气有效接触的火焰面上进行，
而燃烧的化学反应进行得很快，因此火焰焰面很薄。
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层流扩散火焰结构
图2-1 层流扩散火焰的结构示意图
1一外侧混合区（烟气＋空气）；2—内侧混合区（烟气＋燃气）； Cg—燃气浓度；Ccp—燃气产物浓度；
Qdx2 dx3dt Dm
c dx2 dx3dt x1
dx1
B′ D′ dx2
′ dx3
流出
流入
流出

Q c dx1dx2 dx3dt Dm dx1dx2 dx3dt x1 x1 x1
流入
分子扩散
2 分子扩散方程
x1方向：
c Dm dx1dx2 dx3 dt x1 x1
基本概念
③ 一次空气系数和二次空气系数 在燃烧器中预先和燃气混合的空气量与燃烧需要理 论空气之比叫一次空气系数。
Va V0
二次空气是指燃气在燃烧过程中依靠扩散作用从周
围获得的空气，二次空气占燃烧所需理论空气量的比例 叫二次空气系数。
1
基本概念
④ 扩散式燃烧 点燃前，燃气与空气不相接触（’＝0），燃烧所需的 氧气完全依靠扩散作用从周围大气获得，燃气与空气在接触 面处边混合边燃烧。 层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气进 入燃烧区；紊流状态下，则主要依靠紊流扩散作用来获得燃 烧所需的氧气；两种流态下的火焰结构有很大的差异。
x2方向：
c Dm dx1dx2 dx3dt x2 x2
dt时段内由于浓度c的变
控制体 化，控制体内扩散质的 增加量: c dx1dx2 dx3dt t
x3方向：
c Dm dx1dx2 dx3dt x3 x3
质量守恒定律
亦称为 Fick第二定律
梯度型经验公式
分子扩散
2 分子扩散方程
流出 A 流入 x3 B D C D x2 流入 x1 C′
x1方向：
流入 流出 流出 A′
Q Q dx 1 dx2 dx3 dt x 1 c c Dm D m dx1 dx2 dx3dt x1 x1 x1
扩散：流体中含有物质从含量多处 向含量少处传输的现象。
分子扩散
1 Fick定律
c Q Dm xi
Fick定律（分子扩散定律）
单位时间内通过单位面积的 溶解物质与溶质浓度在该面积法 线方向的梯度成比例。
Q为溶质在xi方向的单位通量； c为溶质浓度； Dm为分子扩散系数。 负号表示溶质扩散的方向与 浓度梯度方向相反，即是从 浓度高处向浓度低处扩散。
c cu1 cu2 cu3 c c c D D D m m m t x1 x2 x3 x1 x1 x2 x2 x3 x3
c cui 2c Dm 2 t xi xi
c dx1dx2 dx3dt t
分子扩散
层流扩散
x1方向：
c D m dx1dx2 dx3 dt x1 x1
x1方向：

cu1 dx1dx2 dx3dt x1 cu2 dx1dx2 dx3dt x2 cu3 dx1dx2 dx3dt x3
层流扩散
x2方向：
流出 dx1 B′ D C D x2 流入 x1 D′ 流出 A′ ′ dx3 流出
流入
流出
cdx1dx2 dx3 cu2dx1dx3dt
cu2 cu dx 2 2 dx1dx3 dt x 2
流入
流出

A 流入
x3
cu2 dx1dx2 dx3dt x2
的燃烧，呈现出明亮的淡黄色的火焰。
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扩散火焰的多相过程
图4-1 层流扩散火焰中气体浓度 A一反应区的外表面；B一反应区的内表面；CO2—氧气浓度曲线 Cg—燃气浓度曲线； t—温度曲线； ta—燃气开始热分解的 温度；δ ch—反应区的厚度；δ a—热分解区的厚度
Thank You!
流出 A dx1 B′ D
流出 A′ ′ dx3 D′ 流出
C D x2 流入
x1 分子扩散 层流扩散 流入 流出
C′ 流入
dx2
cdx1dx2dx3 cu1dx2dx3dt
cu1 cu dx 1 1 dx2 dx3 dt x 1
x1方向：
流入
流出

cu1 dx1dx2 dx3dt x1
1
基本概念
② 扩散燃烧和预混燃烧
扩散燃烧: m r
m
化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合扩 散速度，而与化学反应速度关系不大。 预混燃烧:
m r
r
混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化学反应 速度（或化学动力因素），而与混合扩散过程关系不大。
1
c c c c D D D m m m t x1 x1 x2 x2 x3 x3
c 2c Dm 2 t xi
（i=1， 2， 3）
层流扩散
流入 流速分布均匀的层流 x3 B
层流扩散
层流扩散动力学
层流扩散火焰
一、层流扩散动力学
引 言
离散（弥散） 紊流扩散
紊流时，流体微 团不以时均流速 运行，而以脉动 流速扩散，即由 于涡流和脉动运 动，使扩散大为 加快。 剪切流动中，由 于时均流速分布 的不均匀，引起 含有物质散开的 现象。
层流扩散 分子扩散
在静止流体中或 流速分布均匀的 层流中，流体微 团以宏观速度运 行，以分子无规 则运动扩散。 层流时，流体微 团以时均流速运 行 ，亦称移流传 输、随流传输或 对流传输。3 cu3dx1dx2 dt
cu3 cu dx 3 3 dx1dx2 dt x 3
C′ 流入
dx2
流出 流入
x3方向：
流出

cu3 dx1dx2 dx3dt x3
层流扩散
层流中，dt时段内由于浓度c的变化，控制 体内扩散质的增加量:
x2方向：
c D m dx1dx2 dx3dt x2 x2 c D m dx1dx2 dx3dt x3 x3
x2方向：

x3方向：
x3方向：

层流扩散
c c cu1 c cu2 c cu3 D D D m m m t x1 x1 x1 x2 x2 x2 x3 x3 x3
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层流扩散火焰结构
火焰锥顶与喷口之间的距离称为火焰长度或火焰高度。 对于层流扩散火焰，其火焰高度与燃气流量成正比，
而与气体的扩散系数成反比
vd L D
v — 燃气流速；
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式中 L — 层流扩散火焰高（长）度；
d — 燃气出口直径； D — 气体的扩散系数。
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层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡
图3-1 层流火焰向紊流火焰的过渡 1-火焰长度终端曲线，2-层流火焰终端曲线
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扩散火焰的多相过程
一般说来，燃气火焰是不发光的透明火焰。但实际中， 会发现扩散火焰往往呈现出明亮的淡黄色。这不是气体燃
料本身燃烧形成的，而是由于燃料气在高温缺氧的环境下
发生热分解而产生的固体碳的颗粒燃烧造成的。碳氢化合 物进行扩散燃烧时，可能出现两个不同的燃烧区域：一个 是真正的扩散火焰，它是从燃烧器出口向上伸展的一个很 薄的反应层，不发光；另一个是光焰区，其中有固体碳粒
层流扩散项
分子扩散项
二、层流扩散火焰
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基本概念 层流扩散火焰结构 层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡 扩散火焰的多相过程
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3
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1
基本概念
① 燃料燃烧的时间 燃料燃烧所需要的全部时间通常由两部分构成，即 氧化剂和燃料之间发生物理性接触所需要的时间τm和进 行化学反应所需要的时间τr。 扩散式燃烧 燃料的燃烧 预混式燃烧 完全预混式燃烧 部分预混式燃烧