浙大高等燃烧学火焰传播与稳定_程乐鸣_2013_9

书78页4点
Tanford等的扩散 理论
层流火焰数值求 解
层流火焰传播的基本方程
• 对象: 一维有化学反应定常层流流动 • 方程: u u S l 连续方程 动量方程 p Const 能量方程 扩散方程
d dT dT ( ) c P u Qw 0 dx dx dx
4. 火焰正常传播速度
– 8因素对火焰传播速度的影响，火焰传播界限，5种火 焰传播速度的测量方法
5. 可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧
– 了解概念
6. 火焰稳定的基本原理和方法
– 火焰稳定基本方法
火焰的定义
• 可以把火焰看作是发生在反应区内快速的但是自 持的化学反应. 只在某一方面描述火焰。
• 把缓燃波定义为靠燃烧维持的亚声速波是唯一严 谨的定义。 • 火焰一般可分为： 扩散火焰—边混合，边燃烧； 预混火焰—预先混合好
• 捷尔道维奇分区近似解法 • 火焰传播精确解法
• Tanford等的扩散理论
• 层流火焰数值求解
火焰正常传播理论
方法 简化近似析热理 论 捷尔道维奇分区 近似解法 火焰传播精确解 法 预热区
T T0 (TB T0 )e
0u0 c p
燃烧/反应区
u H u0 a t
影响规律

Tr
T0
wdT
分区近似解是精确求解 法的一个一次逼近值
Tanford等的扩散理论
• 原理： 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借 助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。 • 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散 速度，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
分析各因素对火焰 传播速度的影响，预测火焰传播速度的变化趋势
火焰传播的精确解法
• 由董道义所建立的精确解法，是对层流火 焰基本方程直接进行精确求解。（直接迭 代法） • 层流火焰传播方程为： dT d dT 0 Sl c p ( ) wq dx dx dx
uH 2 q s 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
火焰传播速度 up uH wn
•
火焰前沿移动速度uH (相对火焰)
n dn u H im 0 d
火焰前沿传播速度uP (相对静止容器)
可燃气体流动速度wn
如果火焰前沿移动方向和可燃混气的移动速度方向一 致，取正号，反之，取负号。（想象其过程） 火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在 其法线方向上的速度
1 t~ w
u H u0 ~
a tLeabharlann 小结• (1)火焰前沿移动的正常速度是与 其平均导热系数的平方根成正比 例，而与其定压比热 Cp 的平方根 成反比例，因此正常速度与气体 混合物的物理常数有关
u H u0 ~
a t
Tr TB u0 ( )w c p C0 TB T0
• (2)正常速度随着差值（TB-T0）的 减小而增加，因此如果将气体预 先加热后再送入燃烧室，则其正 常速度能得以提高。
第3章 火焰传播与稳定的理论
程乐鸣 87952802 lemingc@ 2013年9月29日-10月3日
第2章：燃料的着火理论
• • • • • 燃烧过程的热力爆燃理论 链锁爆燃理论 热力着火的自燃范围和感应周期 强迫着火的基本概念 朗威尔(Longwell)反应器理论
主要内容
第一节：（层流）火焰传播速度
• 燃烧试验：快速 • 火焰传播
– 速度 – 强度 – 延续性 – 控制性 – 传播形状
第一节：（层流）火焰传播速度
• 火焰传播的三种类型
– 正常火焰传播 (<30m/s) – 爆燃波 – 爆燃(>1000m/s)
稳定的火焰正常传播
• 第一种是正常火焰传播(小于30m/s) 由于火焰传 播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动 的导热方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿） 传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气 体燃料着火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。 • 第二种：爆炸波的传播：入口稳定，超过火焰震荡，熄火 • 第三种：爆燃 其火焰的传播速度超过了声速， 一般可达1000～4000m/s，爆燃主要是由于气体燃 料受冲击波的绝热压缩而引起的。
df s df s d ( D ) u w0 dx dx dx
层流火焰传播方程
d dT dT ( ) cP Sl Qw 0 dx dx dx
用于简化近似分析的热理论
• 原理：认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放 热及其向新鲜混气的热传导。 假设： • 温度为T0，密度0的未燃可燃气体混合物以速度u0进入燃 烧室，并且其初速度u0使可燃气体混合物维持层流流动工 况； • 如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止 不动，则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度。
u H u0 ~
a t
Tr TB u0 ( )w c p C0 TB T0
T0: 可燃混合气初温 TB: 着火温度 Tr: 产物温度
小 结(续)
• (5) 考虑到导温系数中的密度与压力成一次方关 系, 且火焰传播速度与压力有以下关系:
n2
u H u0 ~
p
则, 对于二次反应来说,火焰传播速度将与压力 无关. （不是二次反应？） • (6) 上述理论尚不能定量分析,且有较大缺陷。如 未燃混气初温与着火温度间的关系。

i
ki pi Di , 0 Bi
S l 17
Cr k H p H DH , 0 kOH pOH DOH , 0 ( ) Xp BH BOH
上述中17这一常数表明存在着一个与自由基浓度无关，仅与 火焰有关的速度
层流火焰问题的数值求解方法
• 虽然前面已经提供了几种层流火焰的近似和精确 求解方法，然而，真正能够用解析方法研究的火 焰现象仍然是很少的。
可燃气体的火焰正常传播
• 由于火焰是一层很 狭窄的燃烧区域， 燃料的化学反应只 在该区域内进行， 在这种情况下，可 近似地把它当作一 个数学表面，这一 表面把未燃的新鲜 燃料和燃烧产物分 开，而所有的火焰 传播现象即为此表 面的传播。
火焰传播数学描述
• (1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘 性力和体积力，管壁为绝热； • (2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体， 定压比热为常数，摩尔质量保持不变； • (3) 燃烧波（化学反应波）是驻定的 , 预混 可燃气体不断流向燃烧波，无穷远处预混 气流速度就是燃烧波传播速度。
化学反应速度与组分相关
结 果
2 T 2 sl wqdT 2 T 0 c p (Tb T0 ) 02 c 2 ( T T ) p b 0
r b

Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
Tr
uH
ws 0 q T0 n 2n! E 1 1 ( ) exp[ ( )] n 1 B 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
假
设
• 在扩散理论的发展过程中，还作了进一步的假设： 1）活性物质的活化能近似为零； 2）所有活化自由基的浓度呈指数分布： 3）整个燃烧区域的平均温度且不变； 4）燃烧区域内气体的质扩散系数均为常数； 5）组分方程的源项表达式呈一级反应； 6）直链反应。
层流火焰速度的表达式
S l u0 Cr Xp
捷尔道维奇等的分区近似解法 （泽利多维奇Zel’dovich）
• 同样，将火焰分为两个区域（预热区和反应 区），但与前面的分析改进之处是将组分守恒 方程与能量方程联立，而不是仅考虑能量方程， 其基本假定是： • (1)压力不变 • (2)反应过程中摩尔数不变 • (3)物性参数Cp和λ为常数 • (4)λ/cp=D，即Le=1 • (5)火焰为一维稳定火焰
举例：本生灯火焰传播速度
• 根据本生灯的锥形火焰 来测量火焰传播速度 • 简单、可靠 • 可燃预混气体在本生灯 的管子中保持运动
d ds cos u H w cos V uH F
F 火焰前沿总面积
本生灯的火焰前沿
利用本生灯测量火焰传播速度
F r0 h r
2
2 0
第三节 火焰正常传播
• 主要内容
–影响火焰正常传播速度的主要因素。 –火焰传播界限。 –火焰正常传播速度的测量。
影响火焰正常传播速度的主要因素
• • • • • • • • 过量空气系数 燃料化学结构 添加剂 混合可燃物初始温度T0 火焰温度 压力 惰性物质含量 热扩散系数和比热
基于理论公式分析，关注推导 过程中的假设等条件变化
• 近年来，随着高速计算机的发展，大多数的层流 燃烧现象就可借助于数值方法来研究。一方面可 以解决用解析法暂时不能解决的问题，另一方面 有助于通过与解析及实验结果的对比来检验微分 方程及其数值解的正确性
Herimerl和Coffee计算的燃烧速度与 Streng和Grosse的试验值的比较
臭氧的初始摩尔分数 1.00 0.75 0.50 0.25 0.20 燃烧速度（cm/s） Heimerl Streng 和 Grossea 497 474 396 333 248 193 64 52 33 24 比率 1.05 1.19 1.28 1.23 1.38
具体分析讨论得到规律。印象。
过量空气系数的影响
• 可燃气体混合物火焰传播 速度uH随着过量空气系数 α而改变 • 可燃气体混合物最大的 uHmax并非处于可燃气体混 合物的过量空气系数α等于 1的情况，即混合物按化学 当量的比例来混合的成份 • uHmax发生在含可燃物浓度 比化学当量的比例稍大的 混合物中（即α<1）