第五章气体燃烧

火焰锋面在其法线方向上相对于气流的移动速度, 称 为火焰传播速度。其大小取决于可燃物的物理化学 性质和气流流动状况，根据流动状况可分为两种： 层流火焰传播速度──正常传播速度 Uce 湍流火焰传播速度──实际传播速度 Ut 实际燃烧过程一般都是在湍流状态下进行的, 火焰也 是在湍流气流中传播。但是层流中的火焰传播，反 映了可燃物的基本物理化学特性，它与湍流中的火 焰传播密切相关，因此，它是研究湍流火焰传播的 基础。
在传热学中，管内湍流换热的准则关系式是 Nu Pr2/3/Re Pr=0.038Re-1/4 或Nu=0.038Re3/4Pr1/3 质量交换的准则关系式是 Sh Sc2/3/ReSc=0.038Re-1/4 或Sh=0.038Re3/4Sc1/3 两个式子相比得:Nu/Sh=(Pr/Sc) 1/3 即(αL/ λ) / ( βL/D ) =[ ( υ /a ) / ( υ /D ) ]1/3 a = λ/Cp ρ 即α/ β= λ/D(D/ a) 1/3 = Cp ρ (a /D)(D/ a) 1/3 = Cp ρ (a /D ) 2/3 =CpρLe 2/3 即β= α/ CpρLe 2/3
这一薄层气体由于燃烧放热,温度升高,热量向相邻 一层未燃混合气传递,并使之着火燃烧。 此时可观察 到火焰锋面以一定的速度，由开口端向闭口端移动， 形成新的火焰锋面。新的燃烧着的一层气体又会使 相邻的一层气体得到加热而着火燃烧。这样一层一 层地加热、着火、燃烧，使水平管里的可燃混合气 全部燃尽。 在燃烧室内的实际燃烧过程，可燃物并非静止不动， 而是连续流动的，并要求火焰中心的位置稳定在燃 烧室内，这就要求火焰锋面固定而不移动，对这种 要求可以通过气流速度与火焰传播速度之间的平衡 来实现。
一. 分子扩散
分子扩散──依靠物体中微观粒子的随机运动而引起 的质量转移,例如静止流体中,质量传递的形式就是分 子扩散,分子扩散与导热现象类似: 导热──依靠物体中微观粒子的随机运动而引起的热 量转移. 相同点: 都是依靠物体中微观粒子随机运动而引起 的转移行为. 不同点：分子扩散是质量转移，导热是能量转移. 分子扩散的计算也与导热计算相类似。
同样地：我们用与传热学中推导层流边界层的动量 方程和能量方程的方法，也可以推导出层流边界 层的对流扩散方程： 对流扩散方程： uəC/ əx +υəC/ əy = Də2C/ ə2y 热量方程:uəT/ əx +υəT/ əy = aə2T/ ə2y 动量方程:uəu/ əx +υəu/ əy = υə2u/ ə2 y 三种形式又完全一致,这也说明三个系数D、a、 υ 之间必然有一定的内在联系,所以说,这些关系我们 可以用下列一些无量纲数来表示.
大家对能量输运及动量输运的现象已经熟悉, 我们这里主要介绍一下质量输运现象即传质 学的基本知识。显然,传质学是研究质量传递 规律的科学, 其基本原理就是一个系统当有两 种或多种组分组成,并存在有浓度差时,质量就 会自发地从高浓度区域传到低浓度区域, 从而 产生质量的输运现象。 质量传递──物质由高浓度向低浓度方向的转 移过程。 质量传递有两种基本形式： (1)分子扩散 (2)对流扩散
(1) υ /a=Pr(Prandtl)普朗特数, 它表明了动量输运与热 量输运相对难易的粗略量度,显然,当Pr=1时,υ=a,说明 二者难易程度相同,即表明速度分布与温度完全相同。 (2) υ / D=Sc (Schmidt)施米特数, 它表明动量输运与质 量输运相对难易的粗略量度,Sc数通常小于1, 即表明 一般情况下,质量输运比动量输运更容易。 (3) a / D=Le (Lewis) 刘易士数,它表明热量输运与质 量输运相对骓易的粗略量度。 在大多数系统中,Le≈1,说明温度分布与浓度分布基本 相同。
对可燃混合气体,其Le数略小于1 ,但通常在燃烧过程 分析中也近似取Le≈1,这是非常有用的。 另外:在传热学中,对流换热系数α可以用努谢尔特数 的形式表示出来. (4) Nu=f(Re,Pr)=αL/ λ (5)同样,在传质学中, 对流扩散的质交换系数β也可以 写成和α形式相类似的无量纲数形式,它应该是Re和 Sc的函数, 即 Sh=f(Re,Sc)=βL/D
什么是输运现象呢？在物理学中我们已经 了解到输运现象就是在气体未达到宏观平衡 时所表现出来的现象。 例如： (1)气体各部分密度(即浓度)不同,则在杂乱的 运动中,气体分子由较密部分进入较疏部分,因 而就输运了质量 ,使气体的密度渐趋均匀,这就 量气体的质量扩散现象。
(2)气体各部分温度不同, 则由于热运动分子 可以从较热部分移动到较冷部分,因而输运了 能量,使较冷部分获得热量,这就是气体的热 传导现象。 (3)如果气体各部分的整个速度彼此不同,于是 气体各部分之间就有相对运动, 气体分子在 杂乱的运动中可在较慢部分加快,同时使较快 部分减慢,这就造成了气体的内部摩擦作用 (或称粘性)。
对流扩散的基本计算公式与对流换热基本计算 公式 (牛顿冷却公式)相似.
牛顿冷却公式 q=α(Tf - Tw) 对流扩散公式 m=β(Cf - Cw) 式中: α──换热系数 m── m──扩散速度(质交换率) ( ) Cf──主流中平均浓度 Cw──邻近壁面处的浓度 β──质交换系数(传质系数)
可以看出,对流扩散的计算与对流换热计算一样, 都比较复杂,最后的关键问题都会归结到质交换系 数β上(对流换热系数α一样) 把诸多影响质量传递的 因素都反映到β上,使得只要确定出β的具体数值,用 此公式计算就不成问题,但大家知道,对某一具体情 况, 要想准确计算出换热系数α值是十分困难的,目 前,还主要靠模拟实验确定。β的情况与之类似,也主 要是靠模拟实验来确定,但也常常在已知α等参数情 况下,用相似理论来求出.
干湿球温度计就是一个同时发生热量,质量传递 的典型例子, 当湿球温度计上的水蒸气分压力( 即水 在湿球温度下的饱和蒸汽压)大于空气主流处的水蒸 气分压力时,湿球上的水分即向空气蒸发。由于蒸发 的水分携带着本身的潜热进入空气,所以出现了湿球 向空气传递热量的现象,即潜热交换现象。达到稳态 后,湿球和空气间无净热交换,即潜热交换量等于显热 交换量。 即水从湿球上蒸发带入空气的热量等于空气通过对 流换热传递给湿球的热量,即: αF(Tf-Tw)=mwFγ
三. 输运系数之间的关系
显然: 斐克定律与付立叶定律、牛顿内摩擦定律的形式 非常相似： 单位面积上传热量:付立叶定律 q=-λəT/ əy 单位面积上传递动量:牛顿内摩擦定律 τ= - µ əu/ əy 单位面积上传质量: 斐克定律 m=-D əC/ əy 形式完全一致,且输运系数D、a、υ在量纲上也完全 一样,由此可见, 在D、a、υ三个系数之间必然有一定 的内在联系。
★分子扩散的基本定律──斐克(Fick)定律 物质由于浓度不同而产生扩散, 扩散是由高 浓度向低浓度区的方向进行,沿着扩散方向, 即相等浓度面的法线方向,浓度由低逐渐变高, 每单位距离的浓度变化值称为 浓度梯度 əC/ əy , 因此可得分子扩散基本定律的数学表达式: m=-D əC/ əy
式中: m──某组分在y方向上的扩散速度(或称质交换 率). 单位时间通过单位面积的物质的交换量 Kg/m2.s D──某组分在组分B中的质扩散系数 m2/s 常见物质的D值可从有关手册中直接查到。 “－”──传质与浓度样度方向相反。 C──质量浓度 Kg/m3. y──扩散方向上的距离m.
因此，在燃烧设备中通常用控制某些物理因素来 调节燃烧速度，因为在燃烧设备中燃料和氧化剂的 浓度是足够大的，温度又很高，如果混合均匀，则 化学反应速度开始就会很大，但当化学反应速度很 高，而混合速度相对很慢时，则燃烧速度必然取决 于混合速度的大小，这样，就有许多物理因素： 混合气体的速度分布，流动情况。 分子扩散与对流扩散情况，紊流与局部扰动情况； 燃烧设备的形状尺寸以及系统由热量的分布等。 都对燃烧速度有很大影响，这就是我们为什么讨 论燃烧过程中输运现象的原因。
根据这几个准则数,可以导出β的公式: 当Le≈1时,即 a≈D时,就有 Pr = υ /a ≈ υ /D=Sc Nu=f(Re,Pr)≈f(Re,Sc)=Sh 即αL/ λ ≈ βL/D β≈ αD/ λ ≈ αa/ λ= α/ Cp ρ 这就是根据相似准则导出的α与β的关系式, 已知α可 由此准则关系数近似求出β。 这样就解决了用m=β(Cf-Cw)公式计算中的主要问题。 这是在α=D或Le=1的条件下导出的,既适用于层流,也 适用于湍流,当然,对Le≠1时,α与β之间存在着更为普遍 的关系式。
对Uce的影响因素主要是: 1.可燃物性质 由上解析式知:a,q,Vm增高， E下降 ，Uce升高 2.温度 燃烧温度T升高 ， Vm升高 ，Uce升高 T0(燃气初温)升高 ， T升高 3.压力 依实验分析,压力的影响关系为: Uce ∝ Pn n──Lewis压力指数 n≈-5～0.3
Lewis实验表明: (ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)当Uce<0.5 m/s时, n<0 所以当P增高 Uce下降 (2)当0.5<Uce<1 m/s时, n=0 所以Uce与P无关 (3)当Uce>1 m/s时, n>0 所以当P升高时 Uce升高
设有一平面火焰锋面，在一迎面而来的气流中，作 正常传播，火焰锋面恰与气流速度垂直，也就是说， 火焰锋面的移动速度与气流速度相平行，如图
当 u > v0 时,锋面向气流上游移动 当 u = v0 时,锋面稳定不动 当 u 〈v0 时,锋面向气流下游移动 因此,在生产条件下,为保持火焰锋面的位置固定不动, 就需要采取措施,使v0与u的大小相等,方向相反。
二. 对流扩散
对流扩散──当流体流动时, 质量的交换不仅依 靠分子扩散,而且依靠流体各部分之间的宏观 相对位置变化(质量的对流运动),这种分子扩散 与质量对流的联合作用称为对流扩散。对流扩 散与对流换热现象相类似。
对流扩散是分子扩散和质量对流联合作用的结果. 对流换热是导热和热量对流联合作用的结果.
第二节