《层流预混火焰传播》PPT课件

SL SL,ref (Tu / Tu,ref ) (P / Pref )
式 中Tu 350K;Tu,ref 298K; Pref 1atm以 及
0.25
空气
36
空气
37
空气
135
空气
250
1.8 5.0 3.28 10.1
0.23 0.54 0.021 0.141
氧气
1200
—
—
层流火焰传播速度计算公式
Metghalchi和Keck通过实验决定了各种燃料-空气 混合物在内燃机和燃气轮机中典型的温度和压力下的 层流火焰传播速度,给出如下经验公式:
由理想气体状态方程，
u / b (Pu / Pb )(Rb / Ru )(Tb / Tu ) ~ (Tb / Tu )
由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的 压力降与温度增加相比是很小的，因此
P uuu2 (Tb / Tu ) 1
碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在 15-40cm/s范围内。Tb / Tu 的典型值在5-7范围内，u 的典型值等于 110 3 g / cm3。因此 P 的典型值为：
Tb
1/ 2
(dT / dx)
xi
2HR RRdT
Ti
（6-6）
方程（6-6）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导 进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。
令在x=xi处，来自方程（6-5）和（6-6）的热通量相等，于是 Tb u Sucp (Ti Tu ) [2H R RRdT ]1/2 （6-7） Ti
9.55
*
105
(
kmol m3
)
1 0.75 s
P
101325
0.1997kg / m3
(Ru / Mr )T (8315 / 29)1770
RR
9.55 105 (0.1997)1.75 ( 0.0301)0.1( 0.1095)1.65
44
32
2.439kmol / s m3
2.439* 44 107.3kg / s m3
Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层 流火焰速度）有关。
dP / dv (m / A) 2 (u uu ) 2
uu ( Su ) 层流火焰速度= (1/ u ) (dP / dv)
由于缓燃Rayleigh线斜率比 爆震Rayleigh线斜率小得多， 所以缓燃速度比爆震速度小 得多。
uw f ,u (H R ) uc p (Tb Tu )
或
H R / uc（p Tb Tu）（1 / w f ,uu）
将以上关系式代入（6-8a）得：
火焰面控制体
1/ 2
从方程SL（6-28(bw）fD可,uT见u )，R火R焰速
度
（6-8b） SL 受到扩散输运（通过DT）和
反应动力学（通过RR）的影响。层流火焰传播速度与导温系
假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料的
平均质量分数分别为：
wf
1 2
(
w
f
,u
0)
0.06015 / 2
0.0301
1
wo2
[0.2331(1 2
w f ,u )
0]
0.1095
其中0.2331为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷-
空气混合物空燃比A/F为15.625。
化学反应速率：RR
uuuc p (dT / dx) d (dT / dx) / dx 0 （6-4）
假设 c p 常数 c p ，对方程（6-4）从冷边界到xi积分得：
(dT / dx) xi uuucp (Ti Tu )
（6-5）
气体冷边界条件: T Tu 以及 dT / dx 0
方程（6-5）的物理解释是：来自已燃气体的导热 通量对预热区未燃气体混合物进行“预热”，将其 温度从Tu提高到Ti。
反应区：
在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量 小，因而可以忽略对流项，能量方程（6-2）变成：
d( dT / dx ) / dx RR( H R )
将以上方程从 x xi (式中T Ti；dT / dx dT / dx
)
xi
到 x (式中T Ti ; dT / dx 0) 积分，得
§6.3 影响层流火焰传播速度的因素
决定层流火焰传播速度的主要因素是 混气的化学反应速率和热扩散系数。所 以凡是影响化学反应速率和热扩散系数 的物理化学参数均会影响层流火焰传播 速度。
化学参数的影响
(1) 混合比（混气成分）的影响 层流火焰传播速度随燃料—氧化剂配比而变化，主
要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合 物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传 播速度达到最大。
第六章 层流预混火焰 传播与稳定
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型
影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据)
火焰厚度 火焰稳定
§6.1 基本概念
一、预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧
燃（D扩烧i非f散f燃u预燃s料混i烧o所n～:需～）的时化扩 m间学散反速应度 r，进m行而很与rm快化燃，学燃料燃反烧与反烧应空应气的速时混快度间合慢关时τ主系r间要不τ取大m（（决。ττ于cp）hh）混合
综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传 播可能有同等重要的影响
一、层流火焰传播的热理论内容
p r
预热区 反应区
层流火焰传播的热理论内容
➢ 设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） ➢ 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 ➢ 如果新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当v0＝un时
对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：
连续方程
v 0v0 0un m
动量方程
p 常数
能量方程
0vnC p
dT dx
d ( dT ) RR( dx dx
H R ) （6.2）
混气本身热焓的变 化——对流项
传导的热流 ——扩散项
化学反应生热量
方程(6-2)中的边界条件如下：
x (未燃气体）
d C3H8 dt
k' C3 H8 0.1 O2 1.65
k'(T ) ( 1.75 w f )0.1( wO2 )1.65
Mr, f
Mr ,O2
式中 A
Ea / Ru
k'
4.836*109 exp(
15098 ) T
(
kmol m3
)
来自百度文库
1 0.75 s
4.836*109 exp( 15098) 1770
RR
可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计算DT和 RR 。在简化
理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（ / 2 x ），
选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：
T
11 2 ( 2 (Tb
Tu ) Tb ) 1770K
假设Tb Tad 2260K ,Tu 300K , 温度在火焰内随 x 轴成线性变化。
T Tu ,
x (平衡时已燃气体） T Tb ,
根据分区近似解法，求Un：
dT / dx 0 dT / dx 0
把火焰分成预热区和反应区。在预热区 中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略 能量方程中温度的一阶导数项。
根据假设，在预热区中的能量方程为:
(2-29)
预热区：
在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：
对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：
d(u) / dx 0 u 常数
忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：
dP / dx u(du / dx) 0
应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，
P u(u / x)x uuu u uuu (ub uu )
P uuu2 (ub / uu ) 1 uuu2 (u / b ) 1
un
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度 火焰稳定
§6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播的机理有三种理论：
热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜 混气的热传导
扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是 控制层流火焰传播的主要因素
Tb
Su {(2HR ) / [ucp (Ti Tu )]DT [1 / (Ti Tu ) RRdT ]}1/2
Ti
（6-8a）
Tb
_____
式中 [1 / (Ti Tu ) RRdT ]可以看成是反应区中平均反应速率 RR
Ti
由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得
m f (H R ) mc p (Tb Tu )
数及反应速度的平方根成正比。也就是说, S是L 可燃混气的一 个物理化学常数。
例6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷-空 气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学反 应机理估计平均化学反应速率。
解：由简化的预混层流火焰理论可知：
1/ 2
SL
2
w
DT
f ,u u
四、火焰结构
• 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1 毫米左右的狭窄区域
• 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。
层流预混火焰坐标系
一维层流火焰结构
大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火 焰面划分为预热区δph和反应区δr
五、通过火焰的压降
解方程（6-7），可求出层流火焰传播速度 Su
Tb
Su {( / ucp )[(2HR ) / (ucp (Ti Tu )][1 / (Ti Tu ) RRdT ]}1/2
Ti
令 / cp DT 热扩散系数，假设当 T Ti， RR 0
对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol，
式中 RR 是平均化学反应速率。a是热扩散系数。热扩散系数
可表示为
DT
(T ) uC p (T )
把平均温度定义为整个火焰厚度内的平均温度，因为热传导
不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此
1 T 2 Tb Tu 1280K
DT
0.0809 1.16 1186
5.89 10 5 m2 / s
P 0.1 ~ 1N / m2 (106 ~ 105 atm)
因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。
层流火焰特点
绝对速度 气流速度
u p wp u n
相对速度
火焰锋面很薄，通常只有0.01～0.1mm 层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧 过程 层流火焰传播速度很低， 通常在1m/s以下
一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最 大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少， 反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难 以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中 传播。也就是说，火焰传播有浓度的上下限。
¤ 达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？
(2)混气性质的影响：
导温系数增加，活化能减少或火焰温度增 加时，火焰传播速度增大。
氧浓度增加，火焰传播速度增大。
几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传播 速度见下页。
燃料
汽油 煤油 甲烷CH4 乙炔C2H2 氢H2 氢H2
几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度
氧化剂 空气
SL （cm/s)
45
着火极限余气系数α
贫油
富油
1.6
将上述的DT和 RR 的值代入层流火焰速度公式得：
SL
[2(
DT
____
) RR]1/2
w f ,u u
[2* 5.89*10 5 *107.3]1/2 1 *1.16
0.425m / s
42.5cm / s
15.625 1
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度 火焰稳定
（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋。 ➢ 将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热
区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身 热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相 等）——分区思想。 ➢ 火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。
二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）
火焰前锋：向新鲜混气传播的火 焰前沿（薄薄的化学反应发光区， 厚度及参数变化梯度）。
火焰传播速度：火焰前锋沿法线
方向朝新鲜混气传播的速度（有
相对速度的含义，是相对于未燃
混气的速度）。ul
SL
Su
dn dt
方向：总是从已燃气指向未燃气。
up w p u n (矢量形式)
三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。
动力燃烧:
（预混～） Premixe d～
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。
动力－扩散燃烧: 燃烧的快慢既与化学动力因素有关，
也与混合过程有关。
二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）
n
未燃气
已燃气 dn
t t+dt