徐通模版燃烧学--第5章

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4Hale Waihona Puke 567 Barrere巴雷尔与Mestre梅斯特里提供的实验结果(下页 图)
1/3/7号钝体(上图) 吹熄特性曲线,回流区窄 钝体宽度相同，均为 5mm
非流线型增加，火焰稳定界限加宽
可能是由于非流线型程度增加，使回流区增大
最大的vB处于富燃料侧
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工程上稳定火焰的具体方法
2. 预混火焰的燃烧温度高，燃烧强烈，燃烧完全，无黑烟， 火焰呈透明状，无明显轮廓。也称为无焰燃烧。
3. 由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合，所以有回火的危
险，应严格控制预热温度。为了防止回火和爆炸，燃烧器
的燃烧功率不能太大。
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（三）部分预混式燃烧特征
1. 部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分空气在 喷出喷口前，在燃烧器中预先混合（一次空气系数一般为 0.5～0.6），在喷口外再和燃烧所需的其余二次空气逐步 混合并继续燃烧。
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（2）钝体稳燃 钝体稳燃是利用物体的几何形状造成低速区的典型。气体 绕过钝体时，钝体后部的反向压力梯度增大，能够形成较大 的回流区，可以反卷高温烟气成为热源，有利于稳定着火和 燃烧。 钝体头部为圆盘，流动阻力损失较大，圆柱体次之，弹头 状最小。钝体常用耐温耐磨的材料制成。
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7种型式的钝体如图所示
2. 它兼有扩散式燃烧和完全预混燃烧的特点，燃烧反应速 度很快，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。有时也称为 半无焰燃烧。
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wga
wga
wl
w wga wl
wga<wl w 0 wga>wl w 0 wga=wl w 0
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二、火焰传播速度
当火焰前沿在稳定不动的情况下，在火焰前沿某 点处的气体速度和火焰前沿移动的正常速度之间 有如下关系(余玄定律)：
（2）、大尺度弱湍流火焰
稳定情况下，有：
vT FT
vH FL
vT
vH
FL FT
只要求出FT/FL，就可求出vT
假设为锥体
FT


lT 2
FL
(lT )2 H 2 2
lT2

lT
2
(lT )2 (1 ( 2H )2 ) lT2
2
lT
lT2
4
1 (2H )2 lT
火焰的根部必须有一个固定点火源，且该点火源应具有足够 的能量。
火焰稳定的原理
稳定火焰的根本原理是稳定火焰传播速度， 使之与气流速度相匹配。
A点vH看成是vH不动的点火vH源
vH
vH
vH
A点看成是不动的点火源
一、流动速度分布规律
1. 管内任一截面上混合物的流动速度呈抛物线分布。 可燃气体混合物在燃烧器的管内作层流运动时，管内任一截 面上混合物的流动速度w分布规律：
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二、扩散式燃烧分类
按照气体燃料和空气供入燃烧室的不同方式，扩散式燃烧可以有以下三 种情况： 1. 自由射流扩散燃烧：气体燃料以射流形式由燃烧器喷入大空间的空 气中，形成自由射流火焰。 2. 同轴伴随流射流扩散燃烧：气体燃料和空气分别由环形喷管的内管 与外环管喷入燃烧室，形成同轴扩散射流。由于射流受到燃烧室容器壁 面的限制和周围空气流速的影响，为受限射流扩散火焰。 3. 逆向射流扩散燃烧：气体燃料和空气喷出的射流方向正好相反，形 成逆向喷流扩散火焰。
lT2
4
4
4
60
3.大尺度强紊流火焰
vH 由于微团尺寸和脉动速度均大于层流火焰传播速度，故此时不存在连续的火焰锋面
容积理论
(1) 容积理论认为，在大尺度强湍动下燃烧的气体微团中，并不存在把未燃 气体和已燃气体或燃烧产物截然分开的正常火焰锋面，燃烧反应也不是 仅仅发生在火焰锋面厚度之内。
(2) 在每个湍动的微团内部，一方面在进行不同成分和温度的物质的迅速混 合，同时也在进行快慢程度不同的反应。
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小股反向射流
旋转射流
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（5）大速差射流与双通道稳燃 煤粉气流由主喷口喷出，接近音速的高速气流从主气流喷 口周围的小孔喷出。高速气流卷吸中心煤粉射流中的空气和 细煤粉，回流区增大，改善了着火条件。 燃烧器有两个一次风通道，两股一次风以贴壁射流的形式 进入突扩段，所产生的高温烟气回流量与大速差射流产生的 回流量相当，因而有较强的稳燃作用。
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腰部风
大速差射流
局部结焦现象 磨损较大
双通道稳燃 减小了结焦的可能性
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（6）受限射流 突扩喷口稳燃：喷口截面突然扩张，在喷口外围形成旋涡，高温燃烧 产物回流至燃烧器喷口外缘附近，点燃刚喷出的可燃混合气。 内凹表面稳燃：燃烧室的壁面制造一定的凹槽，使该处形成回流区， 从而达到稳燃的目的。 罐式稳燃器：燃烧室内布置一个带有若干小孔的圆锥筒或圆柱筒。可 燃混合气由小孔进入罐内，罐顶则使罐内形成滞止区，产生高温烟气回 流，在该处将气体点燃，形成一种向外扩张的火焰面。
20
Re 3300
l
(wf
d
f
)d
1/ f
2
4.08 0.0085wf d f 0.016wab
—

u'2
—
U
扩散燃烧不存在回火问题，稳定性问题：离焰、 吹熄、脱火
火焰稳定原理
要求燃烧设备中的火焰保持稳定，火焰锋面稳定在一定的位 置。
要保证火焰锋面稳定在某一位置的必要条件是：可燃物向前 流动的速度等于火焰锋面可燃物火焰传播的速度，这两个速 度方向相反，大小相等，因而火焰锋面就静止在其一位置上。
4
对于气体燃料的燃烧可分为扩散式燃烧，部分预混式燃烧 和完全预混式燃烧。
（a）完全预混火焰；（b）部分预混火焰；（c）扩散火焰
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wl
wga=wl
外焰 焰心 内焰
（二）完全预混式燃烧特征
1. 完全预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的全部空气在 燃烧器中已均匀混合，预混可燃气体的过量空气系数为 为 1.05~1.10，因此，燃烧过程只有着火燃烧一个阶段。燃烧 速度主要取决于化学反应速度。
2. 求取
（1）、小尺度湍流火焰
在2300≤Re≤6000范围内，湍流为小尺度的。此时只使火
焰前沿起了微弱的摺皱，燃烧速度的增长主要是由于前
沿内传热传质过程变成湍流性质，因此仍可采用层流火
焰传播理论来计算，只不过此时应用湍流参数来代替。
对层流参数而言，有：
小尺度紊流只是增强了物质的输
层流：
重叠，整个燃烧过程所需时间为
mix ch
燃料与空气的混合有分子扩散及湍流扩散两种方式，因此燃料与空
气混合的时间可写成
mix
1 1 1

燃烧中，根据 mix 和 ch
M T
大小，可以将多相燃烧分成三种燃烧控制
区域，即：动力燃烧控制区、扩散燃烧控制区和过渡燃烧控制区。
vT
vH1/2
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（1）值班火焰 在流速较高的预混可燃气流附近放置一个流速较低的稳定 的小型点火火焰，使主气流受到小火焰不间断的点燃，只要 小火焰的点火能量足够，主火焰就能够保持。
通过分离的缝管将少量燃料引到主燃 烧器边缘，使之先点燃产生小火焰， 然后用小火焰点燃主燃烧器，形成主 火焰。缺点：导致燃料泄露。
a
vH ~
运特性，从而使热量和活性粒子 的传输加速，而在其它方面则没
有什么影响.
湍流：
vT ~
a aT

vH
1 aT a
实际工程中常为Re＞6000，而且湍流尺度常大于1mm，
因此工程火焰一般不能用上述分析进行解释
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2.大尺度弱紊流火焰
vH / w’
vH
由于微团脉动速度小于层流火焰传播速度，则微团不能冲破火焰锋面，但 由于微团尺寸大于层流火焰锋面厚度，所以火焰锋面受到扭曲
第五章 气体燃料燃烧
➢气体燃料的燃烧火焰类型 ➢气体燃料预混式燃烧 ➢气体燃料扩散式燃烧
热能与动力工程系
第一节 扩散火焰与预混火焰
➢燃烧方式与火焰结构 ➢预混火焰 ➢扩散火焰
热能与动力工程系
燃料燃烧所需的全部时间由二部分组成，即燃料与空气混合所需的
时间和燃料氧化的化学反应时间。若不考虑这两种过程在时间上的
w

w0
1
r2 R2

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三、工程湍流燃烧火焰稳定方法
工程上希望燃料和氧化剂保持稳定的化学反应及 放热量，以便于控制和工程应用。因此常要求燃 烧设备中火焰稳定在一定位置，即在一定位置着 火，按一定速度发生剧烈反应，并在一定位置燃 尽和离开燃烧室。
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工程上稳定火焰的方法可分为三类： •设置点火器，适时对主燃烧器提供点火能量。 •制造回流区，卷吸高温烟气，强化进入燃烧室的燃料传热， 满足着火条件稳定着火。 •改变燃烧区的散热条件，减小着火阶段火焰的散热损失，保 持火焰区的足够的温度，稳定火焰。 稳定火焰的根本原理是稳定火焰传播速度，使之与气流速 度相匹配。
wvLH w cos
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火焰的稳定性 三种现象：离焰 脱火（吹熄） 回火
一、扩散式燃烧主要特征
（1）气体燃料扩散式燃烧所需的空气将从火焰的外界依靠扩 散的方式来供给，故火焰的形状和火焰的表面积大小不再 是取决于火焰传播的速度，而是取决于气体燃料和空气之 间的混合速度；
（2）不同流动工况，混合过程不同：层流工况下，混合过程 是纯粹依靠分子热运动的分子扩散；而在湍流工况下，混 合过程主要依靠微团扰动的湍流扩散。
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湍流火焰传播理论
德国的邓克尔（1940）和苏联的谢尔金（1943）建立了 湍流火焰的皱折表面理论 。
萨曼菲尔德和谢京科夫建立了容积燃烧理论，用来代替 表面理论。
➢ 小尺度湍流火焰、大尺度弱湍流火焰可用湍流火焰的皱折 表面理论来解释。
➢ 大尺度强湍流火焰一般用容积燃烧理论来解释。
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1.小尺度的紊流火焰
工程上应用的火焰都是湍流火焰，气流速度和Re数比较 高，因此可以减少回火现象，而应主要防止脱火。稳定 火焰的核心方法：保持着火区局部高温。
包括:（1）值班火焰；（2）钝体稳燃；（3）小股反向 射流；（4）旋转射流；（5）大速差射流与双通道稳燃 ；（6）受限射流：1）突扩喷口稳燃；2） 内凹表面稳 燃；3） 罐式稳燃器。
(3) 不同微团运动与燃烧状态不一样，同一微团内部不同部位状态也不相同。 但不同微团间相互混杂。
(4) 每隔一定的平均周期，不同的气团就会因互相渗透混合而形成新的气体 微团。新的微团内部各部分也各有其均匀的成分、温度和速度。
(5) 各个微团进行程度不同的容积反应的结果，达到着火条件的微团即开始 着火燃烧。
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将微团的脉动速度w’与层流火焰传播速度vH比较，如果 w’＞ vH ，则称为大尺度强湍流火焰；反之，称为大尺度 弱湍流火焰。
在湍流火焰中，如同在湍流的流体中一样，有许多大小不同的微团在不规则地 运动。如果这些微团的平均尺寸小于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度就 称之为小尺度的湍流火焰；反之，称为大尺度的湍流火焰。
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（3）小股反向射流 采用小股高速反向射流喷入可燃主气流中，形成低速区， 原理上和钝体接近，但主气流的阻力损失较小，小股射流介 质可使用压缩空气，也可以使用蒸汽。 （4）旋转射流 利用旋转射流的离心作用，在燃烧室的喷口轴线附近形成 回流区, 它将高温烟气卷吸到火炬根部来加热燃料混合物， 达到稳燃效果