第三章气体燃料的燃烧

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火焰锋面向未燃气流方向的推进
。
层流火焰传播 第三节 层流火焰传播
层流火焰传播 火焰传播 湍流火焰传播 爆震
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一、层流火焰传播的概念
1、层流火焰传播速度
u0 u0 = u P ± u S
方向一致时取负号。
u P —— 火焰面移动的绝对速度
u S —— 未燃混合气体的绝对速度
u0 = u S
30
16
二、链锁自燃理论
链锁反应基本步骤： 链的激发→链的传递→链的中断 （反应中存在链载体）
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第二节 预混可燃气体的点燃理论
点燃
—— 用具有较高能量的外部热源去接触可燃 混合物，靠近外部热源的部分先行着火， 混合物，靠近外部热源的部分先行着火， 然后火焰传播到整个混合物中去。 然后火焰传播到整个混合物中去。
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三、影响层流火焰传播的因素
3、燃料/氧化剂混合比 燃料/ 化学计量比时， 混合比 = 化学计量比时， 4、燃料结构 饱和烃类（ 饱和烃类（烷）， 不饱和烃类， 不饱和烃类， 5、添加剂 惰性添加剂， 惰性添加剂，使 u0↓ 反应添加剂 碳原子数目） u 0 与 nc（碳原子数目）无关 最大。 u 0 最大。
Tf − T f = f 0 T f − T0
（3 ）
二、点燃热力理论
◆ 可燃气体的点燃是有一定条件的。 ◆ 维持热物体表面附近一薄层气体稳定
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氧化的极限状态，即为点燃的临界状态。
dT ( )w = 0 dx
（4 ）
（1）（3）（4）联立，可求解。 ）（3）（4 但分析解很难，只能求近似解。
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图3-17 温度不同的热物体点燃时的温度分布
v=−
dC dτ
qg = Q(−
dC ) dτ
dT Q =− dC ρC p
代入： 代入：
VQ (−
4
dC dT ) − ρC p V =0 dτ dτ
积分
1、绝热条件下的自燃过程
根据初始条件： 根据初始条件：
τ =0
T − T0 =
时,
T = T0
C = C0
Q (C 0 − C ) ρC P
反应结束： 反应结束：
惰性气体→使着火范围变窄 上限下降） 使着火范围变窄（ ◆ 惰性气体 使着火范围变窄（上限下降） 可燃极限介于两者之间。 ◆ 另一种可燃物质 → 可燃极限介于两者之间。
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掺入惰性气体可消除火灾
热容（比热） 热容（比热）和导热性能对着火和火焰传播的影响 高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播； 高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播； 高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。 高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。 良好的灭火剂都具有较高的 C / λ P 值（火焰传播困难）。 火焰传播困难）。
1、绝热条件下的自燃过程
8
绝热容器内反应过程中C 图3-3 绝热容器内反应过程中C与T随时间的变化
1、绝热条件下的自燃过程
9
图3-4 绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化
2、非绝热条件下的自燃过程
非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热 和放热综合作用的结果。 散热
即各组分扩散速度的总和不为0。 q = α S (T − T ) / V
火焰不动； u 0 > u S 回火；
u 0 < u S 吹熄。
一、层流火焰传播的概念
2、层流火焰传播速度的测定方法 肥皂泡法、圆管法、本生灯法。 肥皂泡法、圆管法、本生灯法。 3、本生灯法
u0 = u S
（法向分速度） 法向分速度） 测得
u 0 = w ⋅ COSθ
w和 θ
，可求
u 0。
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一、层流火焰传播的概念
度以后， 混合物的点燃浓度界限就不再扩大了， 这就称为饱和点火能下的可燃浓度界限，或简称 可燃极限。
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四、可燃界限
可
图3-25 可燃界限示意图
燃 界 限 示 意 图 图3-25
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五、影响可燃极限的因素
可燃极限↓ 1、压力 p↓→ 可燃极限↓ 2、流速 w↑→ 着火范围变窄 3、可燃混合物初温 T0↓→ 着火范围变小 4、掺入其它物质
nc↑→ u↓ 0
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四、层流火焰传播界限
◆ 当
u0 降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火 降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火——淬熄。 淬熄。 淬熄
发生淬熄时的临界条件——火焰传播界限。 火焰传播界限。 ◆ 发生淬熄时的临界条件 火焰传播界限
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第四节
湍流火焰传播
一、流体的湍动参数
Le≈1
D≈a=
∴
d 2T Q d2 f − 2 = C P dx 2 dx
环境） f = f 0 （环境） 代入
积分， 积分，代入边界条件 将
C 0 Q = C P ρ 0 (T f − T0 ) ⇒
x = +∞
ρ0
T = T0
Q T f − T0 T f − T0 = = C0 CP f0
∴
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l 0
能量平衡 Vq g − [ ρC PV dT + αS (T − T0 )] = 0
dτ
即
q g − ql = ρC P
dT dτ
10
Tc——着火温度 Tc——着火温度 ——
图3-5 非绝热条件下的热量平衡
11
a点—稳定点；b点—平衡点，不稳定点；c点—不稳定点，着火临界点
2、非绝热条件下的自燃过程
◆
扩散方程
d df E ( Dρ ) = k 0 C n exp(− ) dx dx RT
反应物消耗量=扩散量 反应物消耗量 扩散量 物质平衡
（2 ）
◆
扩散方程乘Q 扩散方程乘Q，代入能量方程：
。
d 2T d df λ 2 = Q ( Dρ ) dx dx dx
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一、点燃特点
λ ρC P
一般情况下
图3-35
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二、层流火焰传播理论
层流火焰传播理论 ------- 控制火焰传播的主要机理
◆
热理论 ------- 从反应区到未燃区的热传导 扩散理论 ------- 链载体的逆向扩散 综合理论 ------- 热传导与活性粒子的扩散有同等影响
◆
◆
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二、层流火焰传播理论
※ 热理论： 热理论：
1．火焰锋面内几个参量的变化
（动量守恒： ρ f u f = ρ 0 u S = ρ 0 u 0 动量守恒：
uS = u0 ）
二、层流火焰传播理论
浓度与温度关系——由能量方程与扩散方程求得 浓度与温度关系 由能量方程与扩散方程求得
Tf − T f = f 0 T f − T0
（假定Le=1） 假定 ）
2、泽尔多维奇双区理论
◆
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一、点燃特点
热物体表面附近， 厚度： 热物体表面附近，取 dx 厚度：
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稳定的缓慢氧化状态下， 图3-16 稳定的缓慢氧化状态下，热物体附面层中的 温度场和浓度场
一、点燃特点
◆
能量方程
d 2T E λ 2 + Qk 0 C n exp(− )=0 RT dx
导热 = 反应放热量 热平衡
（1 ）
◆ ◆
δ p — 预热区厚度
δr
—反应区厚度。 反应区厚度。 反应区厚度
预热时间 反应时间
2 τ p = δ p / u0 = a / u0
τ r = ρ0 f 0 / v
v
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— 火焰锋面内平均反应速率， 见（3-83）式。 火焰锋面内平均反应速率， ）
三、影响层流火焰传播的因素
1、温度
◆ ◆
混合物初温 火焰温度
在一定的能源性质、形状及大小等条 件下，使一定的可燃混合物发生着火 所必须的能源与混合物的接触时间。
τ C ——
要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量： ◆ 要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量：或短时间提供 大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。 大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。 ◆ 可燃极限 —— 在一定的压力和温度下，点火能量加大到一定程
能量方程
d 2T dT λ 2 − ρuC P + Qv = 0 dx dx
预热区——忽略化学反应项 忽略化学反应项 预热区 反应区——忽略对流项 忽略对流项 反应区
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二、层流火焰传播理论
火 焰 传 播 的 热 理 论
图3-37
37
二、层流火焰传播理论
3、火焰锋面厚度和预热及反应时间
δn = δ p +δr
E ) RT
E a b )C A C B RT
kJ/(s·m3)
化学反应速度。 v — 化学反应速度。
3
1、绝热条件下的自燃过程
若
C A = CB = L = C
q g = Qk 0 exp(− exp(−
平衡式 将
Vq g − ρC pV
E )C n RT
n=a+b+…
化学反应级数
dT =0 dτ
自燃的临界条件：
(q g ) C = (q l ) C
dq l ( )C = ( )C dT dT dq g
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3．自燃界限
——自燃温度 自燃温度， T0c——自燃温度，一般 T0c≈TC ⑴ 维持着火的燃料浓度限 一定p T↓或一定 或一定T p↓→着火范围变窄 ⑵ 一定p，T↓或一定T，p↓→着火范围变窄 一定p T↓↓或一定 或一定T p↓↓→任意浓度下 ⑶ 一定p，T↓↓或一定T，p↓↓→任意浓度下 不会着火 容器散热程度↑→ ↑→着火范围变窄 ⑷ 容器散热程度↑→着火范围变窄
C=0
T f − T0 =
T = Tf
Q C0 ρC P
（绝热火焰温度） 绝热火焰温度）
两式除
T − T0 C −C = 0 T f − T0 C0
微分
−
C 0 dT dC = dτ T f − T0 dτ
5
1、绝热条件下的自燃过程
图3-1 反应物浓度与温度的关系
6
1、绝热条件下的自燃过程
7
温度、浓度、 图3-2 温度、浓度、反应速率随时间的变化
炽热的石英球或铂金球 若球温 T
w
可能着火。 > TC ，可能着火。
2、平面火焰点火 3、电火花点火
火焰为无限大平板
点火能
◆
熄火距离
在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。 最小点火能 — 在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。
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四、可燃界限
◆ 可燃混合物着火 —— ◆ 临界点燃时间 温度、时间。 温度、时间。
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3．自燃界限
14
图3-11 一定压力下着火温度与成分的关系
3．自燃界限
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图3-12 一定温度下自燃的临界压力与成分的关系
着火延滞（感应） 4．着火延滞（感应）期
可燃混合物从初始温度T 可燃混合物从初始温度T0上升到 着火温度Tc所经历的时间。 着火温度Tc所经历的时间。 Tc所经历的时间
4．实际本生灯火焰
实 * 顶部呈圆头形： 顶部呈圆头形： 原因是热量与活性粒子扩散强烈； 管口边缘形成凸出部分： * 管口边缘形成凸出部分： 原因是热量损失与活性粒子碰壁销毁。 际 的 本 生 灯 火 焰
图3-34
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本 生 灯 火 焰 的 u0、w 分 布
1.u0分布 2.W分布 2.W分布 3.理想火焰 3.理想火焰 4.实际火焰 4.实际火焰
↑→ T0
T f ↑→
↑ u0
u0 ↑
～ u 0 ∝ T0m m =1.5～2 比
T0 影响大
2、压力
◆
u0 ∝ p
n −1 2
n — 总反应级数，当 n<2, 则 p↑→ 总反应级数，
（大多数碳氢燃料的燃烧n<2） 大多数碳氢燃料的燃烧 ）
u0 ↓
工程中， 燃烧强度↑ 工程中， p ↑→燃烧强度 （增压燃烧） 燃烧强度 增压燃烧） 原因： 燃料消耗量）随压力增大。 原因：火焰质量传播速度 u 0 ρ 0（燃料消耗量）随压力增大。
热着火
◆
着火的反应机理 化学链着火
自燃 — 自发的着火
◆ 着火方式
点燃 — 强迫着火
2
一、自燃热力理论
1、绝热条件下的自燃过程
a b v = kC A C B 质量作用定律 ：
阿累尼乌斯定律 ： k = k 0 exp(− 产热率 ： q g = Qv = Qk 0 exp(−
热值； Q — 热值；
◆
火焰锋面—— 已燃气体和未燃气体的分界面。 已燃气体和未燃气体的分界面。 火焰锋面
δn =
T f − T0 (dT / dx) max
最大温差/最大温度梯度 最大温差 最大温度梯度
◆
火焰锋面压力差
p0 − p f =
ρ f u2 f
2
−
2 ρ 0u S
2
=
2 ρ 02 u 0
2
(
1
ρf
−
1
ρ0
)
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第三章
气体燃料的燃烧
一、预混可燃气体的着火和自燃理论 二、预混可燃气体的点燃理论 三、层流火焰传播 四、湍流火焰传播 五、火焰的稳定 六、气体燃料火焰的类型和自由射流的基本特性 七、湍流流场数值计算简介
1
第一节 预混可燃气体的着火和自燃理论
（《高等燃烧学》中称“热力爆燃理论” ） 高等燃烧学》中称“热力爆燃理论”
二、点燃热力理论
◆
双区理论： 双区理论：
反应区 —— 反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。 反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。 不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。 导热区 —— 不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。
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三、点燃方法
1、热球点火