2017北理工-lecture 8 射流扩散火焰
北理工爆轰物理学简答题总结
爆轰考点总结1.爆炸：爆炸的定义：可简单的定义为由能量极为迅速释放而产生的现象。
爆炸的特点：○1爆炸具有极大的能量释放速度、形成极高的能量密度，并迅速对外界介质做功形成冲击波的特点。
○2爆炸过程中，描述系统状态的物理量会在极短的时间内和极小的空间内发生急剧变化。
爆炸的分类：○1物理爆炸○2化学爆炸○3核爆炸2.炸药的定义及分类：定义：在适当外部激发能量作用下，可发生爆炸变化（速度极快且放出大量热和大量气体的化学反应），并对周围介质做功的化合物或混合物。
按应用分类：○1起爆药○2猛炸药○3发射药○4烟火剂按组成分类：○1单质炸药○2混合炸药3.爆轰、爆轰波、爆轰波阵面：爆轰是一伴有大量能量释放、带有一个以超声速运动的冲击波前沿的化学反应区沿炸药装药传播的流体动力学过程。
这种带有高速化学反应区的强冲击波称为爆轰波。
爆轰的前沿冲击波和放热反应区通称为爆轰波阵面。
1.炸药爆炸的基本特征：炸药爆炸是一种以高速进行的，能自动传播的化学反应过程，在此过程中放出大量的热、生成大量的气体产物，形成冲击波1）反应的放热性2）过程的高速度3）过程必须形成气体产物2.炸药的化学反应过程：根据反应速度快慢可分为热分解、燃烧和爆轰三种基本形式。
热分解是一种缓慢的化学变化，其特点是在整个物质内部展开，反应速度与环境温度有关。
燃烧、爆轰与热分解不同，它们不是在整个物质内发生的，而是在某一局部开始，并以化学反应波的形式按一定的速度一层一层地自行传播。
化学反应波的波阵面很窄，化学反应就是在这个很窄的波阵面内进行并完成的。
1.燃烧与爆轰的区别：（1）传播机理不同：燃烧是通过热传导、热辐射及燃烧气体产物的扩散作用传入未反应区的；爆轰则是借助冲击波对炸药的强烈冲击压缩作用进行的。
（2）波的速度不同：燃烧传播速度很小；爆轰的传播速度很大，一般数千米每秒。
（3）受外界的影响不同：燃烧受外界条件的影响很大；爆轰几乎不受外界条件的影响。
（4）产物质点运动方向不同：燃烧产物质点运动方向与燃烧波传播方向相反；爆轰产物质点运动方向与爆轰波传播方向相同。
热动燃烧学第06章 扩散火焰
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
第八章 扩散燃烧
8.2
高温壁面处
油滴的着火和燃烧
液滴和壁面碰撞，可能会出现两种情况：
壁温较低时，湿壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上 壁温较高时，比湿润碰撞，超过了雷登弗罗斯特温度，出现闪瞬蒸发， 液滴脱离壁面 此外，若液滴接触壁面时有一定的速度，则根据韦伯数的不同来定义， 它代表惯性力和表面张力之比。 l du2
火焰面内R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一对应的关系，因此T (1 R r ) c ( T T ) Q [( B 1 ) 1] 可有bOT推出 g 8-25b W 火焰面外rc<r<r∞,根据bFT的定义和火焰外没有燃料的特性， 即wF=0,推出 cg (Tc TW ) [Q H (wFW wFB )][(B 1)(1R r ) 1] HwFW 8-27 火焰面上，r=rc, cg (T TW） fwO (H Q wFR ) 8-28 cg (Tc TW ) 1 fwO wFR 成立的假设：
轴对称的空气雾化喷嘴上进行的 喷雾燃烧表明，整个火焰可大致 分为三个区域
最外侧的稳定火焰，可观察到火焰 群在闪光、熄灭 最内侧的A区有液滴存在 中间的B区几乎不存在液滴，只是 由A区供给的可燃气（主要是CO） 来燃烧 详细参数研究表明，并不是滴群中 每个油滴都被火焰包围，二是在接 近单纯蒸发的状态下汽化，燃料蒸 汽作为一个整体进行扩散燃烧，形 成喷雾火焰
设圆柱形自由射流的坐标如图所示，忽略体积力，假设物性 是常量且为定常流动的情况下，圆柱坐标系下的质量守恒方 程为： ru rv 0 x r
动量守恒方程： ru
u v u rv ( ) (r ) x r r r
组分守恒方程：ru wF rv wF ( DF D ) (r wF )
7-扩散火焰解析
(d)α1 =0，管 中供应的为 纯油气。所 需氧气全部 从外界获得， 故为纯扩散 燃烧，火焰 最长
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
扩散火焰
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散形式实现
扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状 态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数 影响不大 强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺 混条件
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“火焰面近似”(Flame-sheet approximation)
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在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间τchem远小于 流动特征时间 Τchem<< τtransport(或τdiffusion)
火焰结构由反应物和能量 的分子扩散决定（即扩散 过程是最慢的、控制反应 速度的过程），火焰可以 从分开燃料和氧化剂的表 面取一个薄层来模拟。
产物的质量分数为：
YPr 1 YF YOx
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能量守恒（火焰面的前、后）
c p dT (rvx c p dT ) (rvr c p dT ) (rD )0 x r r r
反应放热是边界条件，其中边界为火焰表面。
17
层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响
在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考 虑了。浮力的存在在加快气体流动的同时，也使火焰变窄 。
由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变 得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF / dr的增加，也 增强了扩散作用。
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在整个火焰中，发生化学反应的区域通常来说是很 窄的，就像图9.4中看到的一样，在到达火焰顶部 以前，高温的反应区是一个环形的区域。 这个区域可以通过一个简单的实验显示出来，即在 本生灯的火焰前面垂直于轴线放置一个金属滤网， 在火焰区对应的地方滤网就会受热而发光，就可以 看到这种环形的结构。
湍流燃烧模型
而分子导温
系数与分子
运动粘性成
正比，所以
ut / ul ( at / a )1/ 2
(lu / )1/ 2
( du / )1/ 2
Re1/ 2
小尺度强湍流：
ut ul Re
1/ 2
小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅
与可燃混气的物理化学性质有关（即与ul成正比），
而取样分析得到的却是它们的平均值。
• 瞬时值不共存，而平均值共存。
• 因为可能在空间的同一个点，燃料和氧化剂出现
在不同的瞬间，这里起关键作用的是湍流脉动。
• 因此，不可能在不考虑脉动的情况下去分析湍流
扩散火焰。
• 基于这种思想，斯波尔丁在1971年提出了计算
湍流扩散火焰的k-ω-g模型，后来演变成k-ε-g模
− ,
=
. − ,
5-1-3守恒量之间的线性关系
• 通常把满足于无源守恒方程的量称为守恒量，显
然f是一个守恒量。
• 化学元素的质量分数ma、不参与化学反应的物
质(例如不考虑氮的氧化反应体系中的氮气)的质
෨
量分数是守恒量，在一定条件下滞止焓ℎ也是个
守恒量。
• 在一定的条件下，守恒量之间存在着特别简单的
一、湍流火焰的特点
湍流特性参数：
湍流尺度 l ：
在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，
或湍流微团在消失前所经过的平均距离
若 l < （层流焰面厚度）为小
尺度湍流，反之为大尺度湍流
湍流强度 ：
流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。
u u
若 u’ > ul （层流火焰传播速度）
低马赫数射流火焰多维直接数值模拟
低马赫数射流火焰多维直接数值模拟
蒋勇;邱榕;宋崇林;姜蓬
【期刊名称】《燃烧科学与技术》
【年(卷),期】2008(014)001
【摘要】应用高精度类谱紧致Pad(e)格式,配合特征边界(NSCBC)技术,采用方程分裂的投射算法,并通过可变系数Poisson方程多重网格求解,使得散度约束条件获得满足,克服了模拟中虚假热膨胀问题,发展了针对低马赫数射流火焰的直接模拟程序.对2种典型的射流火焰问题进行了较为详细的计算,表明在零初始速度条件下,射流火焰具有Kelvin-Helmholtz涡旋结构,但与可变密度射流相比,后涡旋区域大尺度运动衰减较快.在平行流动初始条件下,射流火焰具有一致的射流不稳定控制频率,同时射流火焰本身具有绝对不稳定性特征.
【总页数】7页(P16-22)
【作者】蒋勇;邱榕;宋崇林;姜蓬
【作者单位】中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026;中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026;天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津,300072;中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026【正文语种】中文
【中图分类】TK16
【相关文献】
1.不同低环境压力下扩散射流火焰高度的实验研究 [J], 门庆民
2.马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟 [J], 董明
3.低马赫数射流噪声的数值计算研究 [J], 潘甫生;邓兆祥;赵海军;杨杰
4.三岔火焰及分层火焰的直接数值模拟分析 [J], 曾海翔; 王平; 余倩; 李伟超; 陈明敏
5.横射流预混燃烧的直接数值模拟研究 [J], 程梦真;王海鸥;罗坤;樊建人
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第六章气体射流与扩散燃烧
ms s 0.32 m0 d0
纯燃料质量 S面上的流体的 — 流量m (m ) 质量流量mS F 0 ＝ S面上净卷吸的 质量流量mA
湍流射流的扩散火焰长度
等温，常密度和湍流条件下，卷吸质量：
mA m ms m0 s 0.32 1 m0 m0 m0 d0
不等温条件下卷吸质量：
T T r f f x, r Tm T R
• 平面射流的无因次关系
C C y f f x, y Cm C b
T T y f f x, y Tm T b
圆形射流的守恒方程组及通解（1）
气体燃料
1 2
lT C 1 L0 d0
A 0 lT C 1 V d0 F
湍流射流的扩散火焰长度经验公式
• 谢米金和冈瑟经验公式
A 0 lT 11 1 V d0 F
lT 6 1 L0 d0
0 P
射流自模化段 射流过渡段
两个区间的过渡段，无因次参数与x/d0无关
射流主体段： 过渡段＋自模段 射流扩散混合边界层： 初始段的射流核心～射流外边界区域
圆形自由射流速度和流量的变化
• M-射流的极点
• X小，截面小，u分布陡峭 • X↑，u平均值↓
x=0.6m x=0.8m x=1.0m x=1.2m x=1.6m
C0 Ck Ck 1 1 1 C0 C0 1 1
•无量纲内部换热率φ2
2
C p (T T0 ) qC0
CpE qRC0
0
RT E
无量纲温度
燃烧理论第四讲火焰传播理论
精品资料
若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形成一平整的 火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播速度相平衡，火焰 面便驻定不动。这是流动可燃混合气稳定燃烧的必要条件。
精品资料
本生火焰(huǒyàn)示意图 1—内锥面；2—外锥面
如气体出口速度分布均匀，则可假定内锥为一几何正锥体，并 认为内锥焰面上各点的Sn均相等。这样，便可测得层流火焰传 播速度的平均值，且具有足够的准确性。
当混合气出流稳定时，按连续(liánxù)方程有
式中
F0——燃0烧F0器m 出 口0截n F面f 积；0Sn Ff
(2)激光测速法 激光测速的基本原理是利用光学多普勒效应。 当一束激光照射到流体中跟随一起运动的微粒上时，激光被运 动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光的频率相比较，就 会产生一个与微粒运动速度成正比的频率偏移。
精品资料
通过火焰内锥的流线分布(fēnbù)情况
层流(cénɡ liú)火焰传播速度沿燃 烧器截面的分布
第四章
火焰传播(chuánbō) 理论
精品资料
一、层流火焰传播(chuánbō)机理
在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源， 使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及生 成活性中心，使其相继着火燃烧。
在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而 形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活 性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、 燃烧，形成一层新的火焰。反应依次(yīcì)往外扩张，形 成瞬时的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为层流火焰 传播速度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速 度)，简称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界 面即为火焰锋面，或称火焰面。
小尺度射流扩散火焰结构的实验研究
小尺度射流扩散火焰结构的实验研究甘云华;宋景东;杨泽亮;矫明伦;郑昊【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(039)003【摘要】以液体乙醇为燃料,采用内径为1.0mm的陶瓷管作为燃烧器,并通过在陶瓷管外放置内径为8.8mm的透明玻璃管形成受限空间,进行了受限射流扩散燃烧与自由射流扩散燃烧的对比实验研究,并对稳定燃烧情况下的火焰结构进行了光学可视化测量.结果表明:自由射流扩散火焰呈椭球状,受限射流扩散火焰呈圆锥状;在相同的乙醇流量下,受限射流扩散火焰的长度和宽度均小于自由射流扩散火焰;受限射流扩散燃烧时燃料和空气的混合效果要好于自由射流扩散燃烧,而且其火焰结构受浮升力的影响较大.%Comparative experiments between small-scale free jet diffusion combustion and the confined jet one were performed from a circular ceramic burner with the inner diameter of 1.0 mm, using liquid ethanol as the fuel. A transparent glass tube with an inner diameter of 8. 8 mm was put outside the ceramic tube to form a confined space.The structure of the flames in steady combustion was then measured with optical visualization method. The results indicate that the free jet diffusion flames are ellipsoidal while the confined ones are tapered, that the length and width of confined jet diffusion flames areboth less than those of free jet flames at the same ethanol flowrate, that the mi-xing of fuel and air in confined space is better than that in free space, and that the structure of confined jet diffusion flames is more sensitive to the buoyancy.【总页数】5页(P73-77)【作者】甘云华;宋景东;杨泽亮;矫明伦;郑昊【作者单位】华南理工大学,电力学院,广东广州,510640;东北电力大学,研究生部,吉林吉林,132012;华南理工大学,电力学院,广东广州,510640;华南理工大学,电力学院,广东广州,510640;华南理工大学,电力学院,广东广州,510640【正文语种】中文【中图分类】TK16【相关文献】1.基于一维全尺度湍流模型的氢气射流扩散火焰结构数值模拟 [J], 蒋勇;邱榕;董刚;周为2.微小尺度孔径受限冲击射流的强化换热实验研究 [J], 涂娟;王长宏;周孑民3.CO2管线泄漏扩散小尺度实验研究 [J], 刘振翼;周轶;黄平;孙瑞艳;王世刚;马晓红4.近壁射流在倾斜顶板上扩散特征的实验研究 [J], 樊耀耀; 孙桓五; 王瑞琪5.小尺度乙醇扩散火焰及管壁温度场的实验研究 [J], 杨泽亮;程静;甘云华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高等燃烧学讲义第9章(郑洪涛2学时)
第九章 层流扩散火焰—— 9.1 无反应的恒定密度层流射流——物理描述
• 式中，ρe和ve分别是燃料在源自嘴出口处的密度和速度。 • 图9.1的中间一幅图描述了气流核心区外中线上速度随着距 离的衰减趋势，右边的一幅图则描述了速度沿径向从中心 线处的最大值到射流边界处为零时的衰减趋势。 • 影响速度场的动量和影响燃料浓度场的组分的对流和扩散 具有相似性。质量分数YF(r, x)和速度vx(r, x)/ve也具有相似 的分布规律。 • 燃料在射流中心的浓度比较高，燃料分子会沿径向向外扩 散。而沿轴向的流动增加了扩散发生所需要的时间。 • 因此随着轴向距离x的增大，含有燃料的宽度渐增，中心线 的燃料浓度渐减。从喷嘴流入的燃料质量守恒，即
第九章 层流扩散火焰—— 9.2 射流火焰的物理描述
• 图9.6 是乙烯火焰的照片，在图中可以看到焰舌的右边出现 了碳烟翼。 • 层流射流扩散火焰的另一个突出的特点是火焰长度和初始 条件之间的关系。 • 对于圆口火焰来说，火焰长度和初始速度以及管径都无关， 而是和初始体积流量QF有关。 • 由于QF=veπR2，则不同ve和R的组合可以得到相同的火焰长 度，这一点的合理性可以从前面无反应层流射流的分析结 果(见例9.2) 中得到验证。 • 如果忽略反应放热，并将式(9. 16) 中的YF改为YF, stoic，则式 (9.16) 就可以作为火焰边界的粗略描述方程。 • 如果令r =0，则可以得到火焰长度为
• 其中，QF是燃料在喷口处的体积流量(QF=veπR2)。 • 上式由Sc=1(ν =Ɗ)可得到以射流雷诺数为参数的表达式为：
• 中心线的质量分数为 • 同前面的速度解一样，这个解只在距离喷嘴一定距离以外 才适用，这个范围的无量纲轴向距离和雷诺数的关系为
• 由于表达式是一样的，因此图9.2 也表示了中心线质量分数 的衰减曲线。
氢气甲烷扩散火焰特性试验研究_刘明玮
收稿日期：2017-09-14基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（201714000007Y ）作者简介：刘明玮（1991—），女，江苏江阴人，助教，硕士，毕业于英国谢菲尔德大学，环境与能源工程专业，主要研究方向：热能工程。
摘要：燃烧的基本特性如抬举高度、层流燃烧速度以及射流出口速度等与燃烧装置的设计有关。
对纯氢气火焰、氢气／甲烷、氢气／甲烷／CO 2扩散火焰的抬举高度和射流出口速度进行了实验研究，并对层流燃烧速度进行了分析。
研究认为，抬举高度随着射流出口速度的增加而线性增加。
层流燃烧速度随氢气体积分数的增加呈指数增长，特别当氢气体积分数＞40%以后，层流燃烧速度随氢气体积分数显著增加。
关键词：扩散火焰；抬举高度；层流燃烧速度；射流出口速度中图分类号：TK16文献标志码：A文章编号：1005－7676（2017）04－0050－04LIU Mingwei 1,ZHU Wenhui 2（1.Jiangsu Open University,Nanjing 210036,China;2.The City Vocational College of Jiangsu,Nanjing 210036,China）The basic combustion characteristics of the fuel such as liftoff height,laminar burning velocity and jet exit velocityare directly related to the designing of the combustion device.This paper explores liftoff height and jet exit velocity of H 2,H 2/CH 4and H 2/CH 4/CO 2diffusion flames experimentally.Besides,laminar burning velocity is also studied in detail.From the research,jet liftoff height increases linearly along with the increasing of jet exit velocity.In addition,laminar burning velocity increases exponentially corresponding to the increasing of hydrogen concentration.Especially after hydrogen concentration is over 40%,laminar burning velocity increases significantly along with hydrogen concentrationincreasing.diffusion flames;liftoff height,laminar burning velocity;jet exit velocity氢气／甲烷扩散火焰特性实验研究刘明玮1，竺文惠2（1.江苏开放大学，南京210036；2.江苏城市职业学院，南京210036）1实验设计1.1实验设备与流程实验中的燃料气体由氢气、甲烷和CO 2组成，通过调节三者的流量后在管道中混合，最终通过管道到达直径为2mm 的燃烧器，见图1。
工业燃烧室天然气湍流扩散火焰长度影响因素分析
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 S1 期工业燃烧室天然气湍流扩散火焰长度影响因素分析杨玉地1，李文韬2，钱永康1，惠军红1（1 北京航天动力研究所，北京 100076；2 北京航空航天大学宇航学院，北京 102206）摘要：通过1.3MW 级工业燃烧器实验验证商用CFD 软件计算天然气湍流扩散火焰长度的有效性。
以天然气（含有95%CH 4和5%N 2）为燃料，以直径为300mm 、长度为1200mm 的圆筒形燃烧室中、燃气孔径基本尺寸2mm 的同轴射流扩散火焰为研究对象。
采用数值计算的方法研究了燃气流量、喷孔孔径、助燃风特性等多种因素对火焰长度的影响规律。
研究结果表明：在天然气湍流扩散火焰中，当孔径不变燃气流量增加一倍，火焰长度由652mm 增加到782mm ，增长19.9%。
当燃气流量不变孔径增加一倍，652mm 增加到1012mm ，增长55.2%。
改变燃气孔径是控制湍流扩散火焰长度的有效手段；在一定氧含量范围内，与助燃风氧含量相比，湍流火焰长度对助燃风速度的变化更加敏感。
该研究对评估天然气燃烧装备性能和优化燃烧室设计具有重要的应用价值。
关键词：天然气；湍流扩散火焰长度；数值计算中图分类号：TQ038 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0267-09Analysis of influencing factors of natural gas turbulent diffusion flamelength in industrial combustion chamberYANG Yudi 1，LI Wentao 2，QIAN Yongkang 1，HUI Junhong 1(1 Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China; 2 School of Astronautics, Beihang University, Beijing102200, China)Abstract: Via experimental validation with a 1.3MW industrial burner, the commercial CFD software in calculating natural gas turbulent diffusion flame length was verified. A coaxial jet diffusion flame in a cylindrical combustion chamber (diameter of 300mm and length of 1200mm) with a diameter of 2mm gas nozzle was studied, using the natural gas containing 95%CH 4 and 5%N 2. The influences of gas flow, nozzle diameter, and combustion air characteristics on the flame length were studied by numerical simulation. The results indicated that in the natural gas turbulent diffusion flame when the gas flow rate was doubled with the gas nozzle diameter unchanged, the flame length increases from 652mm to 782mm, with an increase of 19.9%. When the gas flow rate was unchanged with the nozzle diameter doubled, the flame length increases from 652 mm to 1012 mm, an increase of 55.2%. Changing the gas nozzle diameter was an effective means to control the length of turbulent diffusion flame. Within a specific range of oxygen concentration, the turbulent flame length was more sensitive to the velocity than the oxygen concentration of combustion air. The analysis had important application value for evaluating the performance of natural gas combustion equipment and optimizing the combustion chamber design.Keywords: natural gas; turbulent diffusion flame length; numerical simulation研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0583收稿日期：2023-04-12；修改稿日期：2023-08-03。
移动扩散燃烧火焰的实验及数值模拟
移动扩散燃烧火焰的实验及数值模拟楼波;丁利;龙新峰;邱平;徐毅【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(041)004【摘要】在不同工况下对直线运动下的扩散燃烧火焰进行了实验,并运用Fluent 软件进行数值模拟对比分析.结果表明:火源自身的运动对燃烧火焰影响较大,风速为0 m/s时,火焰向火源运动的相反方向倾斜,火焰偏角随火源速度的增加而增大,当火源速度为0.36、0.44、0.55 m/s时,火焰偏角分别为36°、47°和60°;相对速度相同时,风作用和车运动下火焰向同一方向偏转,但火焰形态差异明显;由于绝对静止比相对静止的火焰散热快,故绝对静止火焰的燃烧温度更低;与绝对静止工况下的火焰相比,相对静止下的火焰形态发生偏移,方向与火源运动方向相反,且燃烧温度更高.由于内在影响和火焰形态都截然不同,故移动扩散燃烧火焰不能用相对运动的概念来简单分析.【总页数】6页(P58-62,70)【作者】楼波;丁利;龙新峰;邱平;徐毅【作者单位】华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640;华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640;华南理工大学化学与化工学院,广东广州510640;华南理工大学电力学院,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TK413.2【相关文献】1.旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰的数值模拟 [J], 王宗明;段希利;孙涛;仇性启2.梯度磁场推进扩散火焰燃烧的实验研究 [J], 阮晓东3.瓦斯燃烧器湍流扩散火焰数值模拟研究 [J], 王宗明;段希利;仇性启4.陶瓷管作燃烧器的乙醇扩散小火焰实验研究 [J], 杨泽亮;薛峰;甘云华5.多股射流瓦斯燃烧器湍流扩散火焰尺度的实验研究 [J], 段希利;王宗明;王丽娟;仇性启因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
2017北理工-lecture 8 射流扩散火焰
rvr rvx x
1 b rvx dr b x 0
现求解质量守恒方程
rvr r
0
(7)
对上式积分, 分别从r = 0到r = b; 从r = 0到r =b/2 得到：
• 质量守恒
流场内密度为常数 1 r vr vx 0 r r x
1 rvr vx 0 r r x
g v v v 1 vx vx x vx x x rvr vr vx r x x r r r r r r v v 1 vx vx x vr x μ:绝对粘性(absolute viscosity) N∙s/m2; r x r r r r 2 υ: 运动粘性(kinematic viscosity) m /s
=
• •
由于各守恒方程和边界条件（归一化后）都相同 所以它们的解形式也都相同，可写成如下形式
vx T T YOx YOx, YF F x, r v0 T0 T YOx, YF,0
• 由于动量/能量/组分方程相似性，解动量方程即可
19
• 层流自由射流的解
火焰前沿靠近燃料一侧燃料浓度比氧化剂浓度大很多在高温缺氧条件下将产生热分解生成固体碳在火焰前沿内固体碳呈明亮的淡黄色火焰有较高的辐射强度富燃料区域10扩散火焰随气流速度的变化沃尔实验层流火焰过渡区湍流火焰分裂长度开始破裂的位置不噪音增加火焰的高度包络线射流速度吹升曲线火焰顶部开始出现颤动皱折破裂过分增加射流速度火焰会脱离喷口直至吹熄湍流火焰高度只与出口直径成正比11高速射流与外界具有高流速差所产生的局部剪切力将促使射流边界形成涡旋涡旋在不同位置形成后会往下游卷逸
【清华大学 燃烧学】燃烧理论_9-层流扩散火焰
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假设
1、射流和周围流体的摩尔质量相等。有了这个假设， 加上理想气体性质，并设流场内压力和温度都是常 数，那么整个流场内流体的密度也就是常数。Q-2？
2、物质之间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。 3、动量和组分的扩散率都是常数，且相等，即施密特
数（Sc =γ/D）等于1。 4、只考虑物质的径向动量扩散，忽略轴向扩散。
Robert H. Goddard——现代火箭之父
B.S. Worcester Polytechnic Institute,1908
Ph.D, M.A., Clark University ,1912
1926年，在马萨诸塞州冰雪覆盖的草原上，戈达德 发射了人类历史上第一枚液体火箭(液氧和汽油)。火 箭长约3.4米，发射时重量为4.6公斤。飞行延续了约 2.5秒，最大高度为12.5米，飞行距离为56米。
• 乙烯射流从直径10毫米的圆管射入300 K，1 atm的静止空气中。设 初始射流速度为10 cm/s 和 1.0 cm/s，比较两种速度下喷射角以及 当射流中心线上的质量分数等于化学当量值时的高度。乙烯在300 K，1 atm下的粘度为102.3×10-7 N-s/m2.
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Momentum flow issuing from the nozzle, Je
or
•
2
其中
0
e(r和,x)vve 2x分(别r,为x)喷rd管r口燃料ev的e2密R度2 ,和速度。
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• 影响流场的是动量的对流和扩散，而影响燃料浓 度场的则是物质的对流和扩散，这两者具有一定 的类似性，因此燃料的质量分数Yf(r, x)和无量纲 速度vx(r, x) / ve也应该具有类似的分布规律。
直线运动火源扩散火焰投影灰度的分形特征
直线运动火源扩散火焰投影灰度的分形特征楼波;田芳;汪烨【摘要】通过高速摄像仪获取加速度3.6、5.4、6.5 m/s2下的直线移动火源扩散火焰匀加速图像序列,经图像处理得到不同投影灰度的火焰图像结构图,再利用分形理论研究了其投影灰度下的分形特征.结果表明:速度和加速度的作用产生的切向作用力与燃烧产生的浮力的共同作用,会改变移动火焰的分形,比静止火焰更加复杂;不同投影灰度的分形维数在燃烧控制区随速度增大而增大,在过渡区随速度增大而减小,在横掠风控制区随速度变化趋于平稳;不同投影灰度的分形维数达到最大值和最小值对应的速度差别较大且加速度大时达到最大分形维数的时间短,火焰图像投影灰度的分形维数随灰度增加而减小,但在加速度和速度较大时影响减弱.【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(044)008【总页数】6页(P26-31)【关键词】移动火源;扩散火焰;投影灰度;分形特征【作者】楼波;田芳;汪烨【作者单位】华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室,广东广州510640;华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室,广东广州510640;华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TK16燃烧火焰锋面的复杂程度常可以用火焰图像的分形维数来表示，并可深入对火焰投影灰度结构进行定量分析[1- 2].胡毅等[3]分别使用数盒子法和像素点覆盖法计算容弹湍流预混火焰图像的分形维数，并用分形维数来反映其褶皱程度.Smallwood 等[4]对分形几何概念在确定湍流预混燃烧火焰燃烧速度的应用上进行了详细的实验调查，通过改变湍流强度、湍流长度以及当量比来确定6种不同的湍流火焰的分形维数.Yang等[5]通过高速纹影摄影法研究甲烷爆炸火焰的微观结构，结果表明火焰前表面和内流场具有明显的分形特性，分形维数可以很好地反映出火焰前表面和内反应的褶皱效果.Shim等[6]对氢-空气均匀湍流预混火焰传播进行直接数值模拟以研究不同雷诺数下火焰前缘结构和分形特性.这些研究主要针对于静止火源火焰表面、火焰前缘或者火焰外缘，通过改变外界条件来研究这些结构的变化特点及其分形维数.马为民等[7- 8]对CmHn(70%为丙烷)分别进行了射流预混火焰和射流扩散火焰的燃烧实验，研究火焰灰度分布与火焰细微结构的分形特征关系，结果表明湍流预混火焰的细微结构具有相似性，放大倍率增加时，不同灰度所对应的分形维数变化趋势相同，细微结构分形维数随灰度增大而增大.而这些学者主要针对于静止火源火焰灰度分布以研究火焰细微结构的分形特征.移动火源是指着火期间火源处于运动状态.火源的高速运动引起周围空气湍动，加剧燃烧化学反应，使火焰锋面结构更加复杂[9].目前对移动火源火焰锋面结构特征研究较少，前期笔者所在课题组对直线运动火源扩散火焰外形的分形结构特征和火焰二维温度场特征进行分析[10- 11]，但对完整图像的分形特征未曾进行深入研究.文中研究进一步利用移动火源燃烧实验平台得到火焰图像序列，并获取完整图像的投影灰度结构，并对其分形特征进行分析，以探讨移动火源扩散火焰的燃烧机理. 实验系统如图1所示.该系统由基于Matlab开发的火焰温度场处理与显示系统1、柯达Motion Corder Analyzer高速摄像仪主机2、彩色高速摄像头3、火焰图像观察器4、移动火源扩散火焰5以及柴油燃烧器6和小车7等组成.由砝码9通过定滑轮10和滑轮组8以及非弹性绳提供动力来牵引小车7，使其做匀加速直线运动.将柴油燃烧器6固定在小车7上，使用彩色高速摄像头3，通过调整其系统参数以及其与火焰的距离使移动火源图像清晰，并拍摄下移动火源的整个运动过程以获取移动火源扩散火焰的图像序列.通过调整砝码质量改变加速度，并根据图像的数量和位置确定移动火源的速率和加速度大小.在本次实验中，实验图像的拍摄帧数为500 帧/s，加速度大小分别为3.6、5.4和6.5 m/s2.试验系统所得的图像是火焰二维投影图，因此得到的灰度分布反映的是火焰在高速摄像头所在平面的垂直方向亮度的合值，所以文中称之为投影灰度.用下述方法得到火焰投影灰度结构图.2.1 火焰图像处理因序列图像量很大，从火焰区域图像序列中每间隔4张选取1张，一共选取25张，每两张时间间隔是0.01 s，图2所示为加速度a=3.6 m/s2、速度v=0.360 m/s时的火焰图像.首先采用均值滤波法[12]结合中值滤波法[13]对原火焰图像进行降噪处理，以消除噪声对火焰投影灰度结构的影响.然后将火焰彩色图像转化为灰度图像并得到其灰度值矩阵表，然后在Tecplot软件下选择投影灰度(G)60～220、间隔40作为阈值，以获取扩散火焰投影灰度结构图像.对图2图像处理之后得到火焰投影灰度分布如图3所示，从图中可以看出火焰中心处投影灰度值较高，火焰边缘处的投影灰度值较低.这是因为火焰灰度分布并不等价于显示火焰锋面的火焰结构，在火焰根部，随着火焰的移动，迎风面边缘火焰变暗、背风面边缘火焰变亮，燃烧依然发生在火焰边缘锋面处.灰度中最亮的部分在火焰的中上部，边缘锋面处的火焰因为上升而可能与中上部合为一体，符合火焰理论.图4为火焰不同投影灰度下的结构图像，投影灰度值较小的区域位于火焰边缘，投影灰度值较大的区域靠近火焰中心.2.2 分形维数计算有关曲线分形维数的计算方法有很多种，如小岛法(周长面积法)、计盒维数法、布朗随机场模型法等[14]，文中采用计盒维数法计算扩散火焰投影灰度结构的分形维数.将计算机处理后得到的火焰投影灰度结构二值化图像用正方形盒子划分为若干块，行数为r，将包含“1”的盒子总数记作N.在计算中，取值r=1,2,3,…,k，依次得到盒子总数N1，N2，N3，…，Nk，使用最小二乘法对(-lnr,lnN)进行直线拟合，斜率即为分形维数D.图5所示为速度v=0.360 m/s、投影灰度G=60时的拟合图，分形维数D=1.60.3.1 速度影响因素图6所示为移动火源扩散火焰在加速度a=3.6，5.4，6.5 m/s2条件下，不同投影灰度下火焰投影灰度结构的分形维数随速度变化的曲线.从图6可以看出，火焰投影灰度的分形维数随速度的变化可以分为3个阶段：(1)第1阶段，在火源移动速度较低(如a=6.5 m/s2时，v<0.4 m/s)时，火焰投影灰度的分形维数随速度的增大而增大，这种规律与之前静止火焰的分形维数随燃烧强度增加而增加的规律相同[8].这是因为火源移动速度较小时，火焰周围气体随速度增加，燃料与空气接触加剧，强化了燃烧化学反应，产生的浮力[15]起主要作用，燃烧加剧使火焰锋面产生更多的褶皱和扭曲.(2)第2阶段，随着火源移动速度提高(如a=6.5 m/s2时，0.4 m/s<v<0.8 m/s)，火焰投影灰度的分形维数随速度的增大而减小，这时虽然火焰锋面受到速度引起的湍动气流团的切向力挤压，使得火焰边缘形状更为复杂，但是内部灰度层次结构受到的切向力与燃烧反应浮力的扰动叠加，可能因为引起的扰动源的相位不一致，产生相互抵消作用，使得不同投影灰度层次结构形状波动随速度增加变小，分形维数减小，这与静止火焰的分形维数随燃烧强度增加而增加的规律相反.(3)第3阶段，在火源移动速度继续提高(如a=6.5 m/s2时，v>0.8 m/s)时，火焰投影灰度的分形维数随速度的增大首先有一个缓慢增加的趋势，因为这时移动火焰速度较大，切线剪切力很大.而燃烧受到气流高速流动的作用体现在两方面，一方面加强了气流与燃料的混合利于燃烧，另一方面强制对流增大了火焰的散热.这时横向的气流速度扰动稍占主动，分形维数随速度的增大略有增加，但大致平稳.再继续增加时，燃烧减弱直到吹熄，分形维数随速度的增大而缓慢减小.3.2 加速度影响因素加速度对火焰投影灰度的分形维数也有影响，其变化规律如下：(1)不同火焰投影灰度的分形维数达到最大值和最小值对应的速度差别较大.图6中，加速度a=3.6 m/s2时分形维数达到最大值时的速度为0.3 m/s而达到最小值时的速度为0.5 4 m/s，加速度a=5.4 m/s2时对应的速度分别在0.35 m/s附近和0.86 m/s，加速度为6.5 m/s2时对应的速度分别在0.4 m/s附近和0.85 m/s.加速度大，横向气流剪切力大，气流与燃料混合作用显著，燃烧加强，即加速度大时可以在更短时间内达到分形维数在最大值和最小值时对应的速度值.(2)速度较小时，投影灰度的分形维数随灰度增加而减少，这在加速度小时更加明显.速度小时，火焰浮力对扰动和火焰褶皱起主要作用，投影灰度大区域在火焰内层，而燃烧在外层与空气接触区域，内层并不是燃烧的主要区域，投影灰度大的内层的分形维数小.加速度大时，因为惯性力增大，加剧气流与燃料的混合，气流更容易深入到火焰内层，使燃烧也深入到火焰内层，使得分形维数随投影灰度的变化减弱.(3)随着速度增加，分形维数随投影灰度的变化减弱.在速度大于0.5 m/s以后，投影灰度的分形维数随灰度变化不大，尤其是加速度较大的情况下,加速度会使气流产生惯性力，与水平气流速度差产生的剪切力共同作用，加强了横向气流的作用，加速度大惯性力也大，影响程度大，可以在较短时间内显现出来，所以各种加速度下速度大于0.5 m/s后，投影灰度的分形维数随灰度的变化不大，特别是加速度较大的情况更加明显.可见，移动火焰由于受到速度和加速度的作用产生切向作用力，与燃烧产生的浮力共同作用引起火焰分形发生变化.在低速时候，因火焰扰动是浮力起主要作用，与静止的燃烧火焰的湍动相类似，而高速和加速情况下比静止火焰更加复杂.3.3 移动火源扩散火焰的动量通量比在横向风作用下扩散火焰的速度和温度的变化与横掠风速和燃料出口速度的动量通量比R有很大关系，前人在横掠风速研究中证明过这一点[16- 18].定义R如下：.其中，ρj、uj分别为燃料密度与出口速度，ρw、uw分别为横掠风密度和速度.对于移动火源扩散火焰，燃料出口速度不变，uj=0.272 4 m/s，火源的移动速度可以看做横掠风速uw.如加速度a=3.6 m/s2时，计算速度从0.036 m/s到0.900m/s范围的移动火源扩散火焰的动量通量比R，得到R与速度v的关系曲线，如图7所示.由图7可以看出，火焰的动量通量比R随着横掠风速v的增加先急速下降，然后下降趋势变缓.Huang等[19]根据R的大小将受侧风影响的火焰分类，同样，结合移动火焰的形态变化，将移动火焰分为3类.当R>3，即0m/s<v<0.180 m/s时，燃料出口的动量占主导地位，为燃料控制区；当0.5<R<3，即0.180 m/s<v<0.432 m/s时，为过渡区；当R<0.5，即0.432m/s<v<0.900 m/s时，横掠风对火焰的作用力变大，为横掠风控制区.投影灰度间接反映了火焰温度，对照图6(c)中加速度a=6.5 m/s2时火焰投影灰度的分形维数随速度的变化规律可以看出，火焰投影灰度的分形维数在燃料控制区随速度增大而增大，在过渡区随速度增大而减小，横掠风控制区随速度变化趋于平稳.通过分形维数研究匀加速直线运动火源扩散火焰投影灰度结构特征，得出以下结论：(1)移动火焰由于受到速度和加速度的作用产生切向作用力，与燃烧产生的浮力共同作用引起火焰分形发生变化，比静止火焰更加复杂；(2)受移动火源速度的影响，移动火源扩散火焰投影灰度的分形维数可分3个阶段，在燃烧控制区随速度增大而增大，过渡区随速度增大而减小，横掠风控制区随速度变化趋于平稳；(3)匀加速直线运动下的移动火源扩散火焰投影灰度的分形维数受加速度影响较大：加速度大时，可以在更短时间内达到分形维数在最大值和最小值时对应的速度值，投影灰度的分形维数随灰度增加而减小，但在加速度和速度较大时影响减弱.【相关文献】[1] MANDELBROT B B.The fractal geometry of nature [M].San Francisco：Freeman，1982.[2] CHEN Yung-cheng，MANSOUR Mohy S.Geometric interpretation of fractal parameters measured in turbulent premixed Bunsen flames [J].Experimental Thermaland Fluid Science，2003，27(4):409- 416.[3] 胡毅,廖世勇,蒋德明.湍流预混火焰的分形特性 [J].内燃机工程，2004，25(1)：1- 3.HU Yi,LIAO Shi-yong,JIANG De-ming.Fractal nature of turbulent premixed flame[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2004,25(1):1- 3.[4] SMALLWOOD G J，GULDER 00 L,SNELLING D R，et al.Characterization of flame front surfaces in turbulent premixed methane/air combustion [J].Combustion & 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Jian-hong,LIN Zhen-guan,et al.Fractal structure characteristic of the diffusion flame of moving fire on linear motion [J].Journal of University of Science & Technology of China,2013,43(8):679- 686.[11] 楼波，许建红.直线运动火源扩散火焰二维温度场特征 [J].华中科技大学学报，2014，42(8):90- 94.LOU Bo,XU Jian-hong.Characteristics in two-dimensional temperature field of a movingfire diffusion flame with rectilinear motion [J].Journal of Huazhong University of Science & Technology(Natural Scicence Edition),2014,42(8):90- 94.[12] 颜兵，王金鹤，赵静.基于均值滤波和小波变换的图像去噪技术研究 [J].计算机技术与发展，2011，21(2):51- 53.YAN Bing,WANG Jin-he,ZHAO Jing.Research of image de-noising technology based on mean filtering and wavelet transformation [J].Computer Technology &Development,2011,21(2):51- 53.[13] CHANG R N，MU Xiao-Min，YANG S Y，et al.Adaptive weighted average filtering algorithm based on medium value [J].Computer Engineering & Design,2008,29(16)：4257- 4259.[14] 董远，胡光锐.图像分形维数计算技术 [J].计算机应用与软件，2001，18(6):61- 64.DONG Yuan,HU Guang-rui.Technology of counting 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低压下射流扩散火焰的燃烧特性与图像特征
低压下射流扩散火焰的燃烧特性与图像特征低压火灾是近年来火灾科学领域研究的新热点。
常见的低压环境如高海拔地区和高空飞行器舱内环境等,因其一旦发生火灾,扑灭与救援比常压环境更为困难,且其火灾安全问题涉及到重大的政治经济价值,受到了国家的高度重视。
因此,开展针对低压环境火灾特性的研究工作刻不容缓,提出适用于低压火灾防治的技术,保障低压环境下人员财产问题是目前亟待解决的问题。
而火灾探测作为火灾发生早期甚至极早期的重要防治手段,也需要依据低压火灾行为的变化规律发展适用于低压火灾的探测算法与技术。
低压环境下,火灾探测特征参量如烟、光、声、温、色等的变化规律异于常压环境,这些变化使得传统的常压探测算法并不完全适用于低压火灾,容易造成漏报和误报,引起火灾防治和救援的延滞,造成巨大的人员财产损失。
常见的固体、液体火灾行为包括热解、挥发、气相燃烧等过程,低压对各个分过程均存在不同程度影响,影响关系错综关联、难以解耦,无法深入、定量地揭示低压对燃烧行为的影响机制。
因此,采用燃烧过程相对单纯、可控性好的气体燃料,利用可连续变压的低压舱模拟环境,获取多低气压环境对多工况气体燃烧多参量的影响规律,从而系统、全面、定量地揭示低压下气体射流扩散火焰的燃烧行为与图像特征。
因此,本文从火灾动力学、燃烧学的角度出发,研究低压环境(45～100kPa)浮力驱动、动量驱动下的气体射流扩散火焰的燃烧特性和图像特征,揭示低压对燃烧流场、火焰温度、火焰辐射、火焰高度、抬升高度、脉动频率和振荡强度等特征参量的影响规律,建立低压下射流扩散燃烧火焰特性、图像特征与气压的理论关系,为深入认识低压对火灾燃烧细观行为的影响规律、为低压火灾防治技术提供理论与技术支撑。
实验研究方面,本文设计研制了适用于QR0-12步入式环境低气压试验舱内实验的气体射流扩散燃烧多参量实验平台,主要包括燃烧系统、精确流量控制与配气系统、彩色图像监控采集系统、热电偶测温、高速纹影测量及热辐射通量测量等部分。
典型木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性研究
收稿日期:2021-05-19;修改日期:2021-07-08基金项目:国家自然科学基金项目(52074202);中央高校基本科研业务费专项资金(2021I V A 204)作者简介:苏洁(1994-),女,新疆昌吉,中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院助教,研究方向为固体燃料层流扩散火焰碳黑生成特性㊂通讯作者:牛奕,男,副教授,E -m a i l :n i u yi @m a i l .u s t c .e d u .c n第31卷第1期2022年3月火 灾 科 学F I R ES A F E T YS C I E N C EV o l .31,N o .1M a r .2022文章编号:1004-5309(2022)-0001-07D O I :10.3969/j.i s s n .1004-5309.2022.01.01典型木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性研究苏 洁1,牛 奕2*(1.中国石油大学(北京)克拉玛依校区工学院,克拉玛依,834000;2.武汉理工大学安全科学与应急管理学院,武汉,430070)摘要:为了对木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性进行研究,搭建了基于消光法原理的轴对称层流火焰碳黑浓度测量平台,选用马尾松针㊁柚木以及红橡木三种典型木材燃料粉碎成针状试样,并堆成直径3.5c m 堆垛,利用酒精引燃后可获得稳定的层流扩散火焰,同时通过电热丝辅助加热延长稳定燃烧㊂通过对三种典型木材燃料层流燃烧过程的质量损失和火焰碳黑浓度的测量和对比分析,结果显示三种燃料中马尾松针碳黑生成能力最大,这说明木材的碳黑生成能力可能与其碳元素和氧元素的含量有关㊂关键词:消光法;木材;层流扩散火焰;碳黑浓度中图分类号:T K 16;X 915.5 文献标识码:A0 引言碳黑是火灾中烟气的主要成分,是碳氢类燃料燃烧不完全的产物,其主要成分是碳,是火灾中热辐射的主要来源[1];碳黑的比表面积较大,常常吸附有各种有毒的重金属元素㊁二噁英类以及多环芳香烃类(P A H s)等有机污染物[2];同时,碳黑颗粒对感烟探测器的响应㊁火场能见度以及有毒气体的生成[3]也具有重要影响,因此研究固体碳氢燃料的碳黑生成及氧化规律对建立火灾预警监测机制和火灾危险评估研究具有重大意义㊂国内外[4-6]对于碳氢燃料火焰中碳黑的研究工作主要集中在气液燃料层流扩散火焰的实验测量[7]以及数值模拟[8]方面㊂由于固体可燃物的燃烧过程十分复杂㊁热解成分多样,对建筑火灾主要的可燃物 固体碳氢燃料[8]的碳黑浓度分布及生成机理研究较少㊂G u o 等[9]和K a i l a s a n a t h a n 等[10]分别选取了三种森林燃料,将其破碎筛选后进行燃烧实验,得到了非稳定态的轴对称非预混层流扩散火焰,并对火焰的温度分布㊁质量损失速率以及燃料热解的气体成分进行了测量,结果表明燃料的质量损失速率及热解气体成分对火焰热动力学参数有重要影响㊂M u ño z -F e u c h t 等[11]将1.5g 干枯马尾松针破碎并堆放成圆柱形堆垛,用无水乙醇引燃形成层流火焰,然后对马尾松针堆垛火中的碳黑浓度分布进行了实验研究,结果发现燃烧主要分为两个阶段:酒精燃烧的湍流阶段和马尾松针稳定燃烧的层流扩散火焰阶段㊂本文选取家居装饰中常用的三种木材(马尾松针㊁柚木㊁红橡木),通过激光消光法原理分别测量其层流扩散火焰的碳黑浓度以及相应的燃烧速率,从而对这三种木材燃料的碳黑生成特性进行分析㊂1 实验原理及设备1.1 消光法原理消光法是一种基于路径积分或视线的技术[7],其原理是:当一束光通过火焰时,火焰中碳黑颗粒的存在会导致入射光衰减,其衰减的程度可以用B e e r -L a m b e r t 定律描述:τ=II 0=e x p -ʏL0κλd l(1)式中,τ为透射率,I 为透射光强度,I 0为入射光强度,L 为光通过火焰的距离,κλ为碳黑对波长为λ的光的吸收系数㊂根据瑞利散射理论[12,13],当碳颗粒直径远小于激光波长,散射作用可忽略不计,碳黑颗粒消光系数与浓度的关系为:κλ=6πE (m )f v λ(2)式中,f v 为碳黑的体积分数,λ为光的波长,E (m )为碳黑的折射率函数,在可见光范围内一般假设E (m )为常数[14],E (m )=0.26㊂对于轴对称扩散火焰,在某一高度截面内,碳黑浓度为半径r 的函数,可以通过反演算法得到碳黑浓度分布的真实值[7]㊂如图1所示,取火焰任一高度的横截面,并将火焰截面沿半径方向划分为M 个单元,第i 条光路的投射率的离散化形式为:l n τi =l n I iI 0,i=ðMj =1ΔS i ,j ㊃κλ,j(3)式中,ΔS i ,j 为第i 条光路在第j 个单元内经过的光程㊂上式可以写成矩阵形式:l n τ=ΔS ㊃κ(4) 需要注意的是,如果视线没有经过网格,则对应的光程ΔS i ,j =0,导致系数矩阵ΔS 大多数元素为零,方程组的求解是一个典型的病态问题,广泛用于最小二乘问题求解的正交化方法对该病态超定方程组的求解得不到令人满意的结果[15]㊂因此,本文采用L S Q R 算法对上述线性方程组进行求解,得到了较好的结果㊂1.2 实验平台基于上述消光法原理,搭建轴对称火焰碳黑浓度测量平台,用于测量固体燃料层流扩散火焰中的碳黑浓度分布规律㊂实验平台的结构示意图如图2,该实验平台由燃料加热及质量损失测量系统㊁可调激光系统㊁激光光路传播系统以及实验图像记录系统组成㊂图1 层流扩散火焰横截面划分图F i g.1 C r o s s -s e c t i o no f l a m i n a r f l o wd i f f u s i o n f l a me 1.激光器;2.可调电源;3.梅特勒天平;4.电热丝加热板;5.计算机1;6.燃料堆垛及火焰;7.凸透镜;8.小孔光栅;9.高速摄影仪;10.计算机2;11.火焰记录相机图2 消光法实验平台示意图F i g .2 S c h e m a t i c d i a g r a mo f e x t i n c t i o n e x pe r i m e n t p l a tf o r m 1.2.1 燃料试样及平台实验选用马尾松针㊁柚木㊁红橡木三种燃料㊂试样破碎后用干燥箱在60ħ下烘干12h 并筛选,所用固体燃料试样如图3(a )所示㊂经过多次实验确定使用直径0.7m m~1.4m m ,长度5m m 左右的针状燃料质量为1.3g ,并将燃料试样堆成直径3.5c m的圆台状燃料堆垛进行实验时,试样火焰达到稳定层流状态,实验效果最佳㊂实验中,将0.5m L 无水乙醇均匀滴在固体燃料堆垛上,在引燃酒精的同时,开启电热丝加热板电源进行持续加热,以延长火焰的持续燃烧时间㊂电热丝加热板如图3(b )所示,实验中电热丝工作电压为25V ,加热功率为110W ㊂1.2.2 激光及图像采集系统实验选用直径40mm ㊁波长650n m 的红光单色平行激光器作为光源㊂由于木材燃料的燃烧速率2火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第31卷第1期图3 燃料试样及电热丝加热板F i g .3 W o o d f u e l s a m p l e a n dE l e c t r i c h e a t i n g w i r e h e a t i n g pl a t e 随燃烧时间发生变化,所以实验采用反复快速遮挡激光并撤出的方法,对火焰进行连续拍摄,再逐帧选取遮挡前和完全遮挡后的激光火焰图及火焰图㊂激光图及背景图在点火之前拍摄,以马尾松针为例,如图4所示㊂火焰透射率可通过公式(5)进行计算㊂火焰透射率=激光火焰图像-火焰图像激光图像-背景图像(5)2 实验结果分析及讨论2.1 燃料元素成分采用C H N S O 元素分析仪对马尾松针㊁柚木㊁红橡木这三种碳氢燃料进行元素分析,测得三种燃料的元素成分如表1所示㊂三种固体燃料测得的各元素含量基本一致,其中马尾松针的N元素含量较图4 马尾松针火焰图像F i g .4 P i n e n e e d l e f l a m e i m a ge 高,而O 元素含量较低,可能是由于马尾松针属于树叶,而柚木和红橡木属于树干㊂根据三种燃料的元素组成,可以利用门捷列夫理论热值计算公式[16]估算其完全燃烧时的热值:Q H =4.18ˑ81C +300H -26O -S (6)式中:Q H 为门捷列夫高位发热量;C ㊁H ㊁O ㊁S 分别表示碳氢氧硫的质量分数㊂表1 固体燃料元素占比分析T a b l e 1 S o l i d f u e l e l e m e n t r a t i o a n a l ys i s t a b l e 样品元素(w t .%)C HONSA s h 热值(k J /k g )马尾松针50.546.97736.723.130.3012.3320362柚木47.536.45944.620.050.1241.2117929红橡木48.46.25944.020.420.1392.16180852.2 层流火焰实验结果分析2.2.1 质量损失速率图5给出电子天平测得的马尾松针燃烧过程质量损失曲线,对燃料质量损失曲线进行4阶多项式拟合并求导[17],得到相应的燃料质量损失速率曲线㊂固体燃料堆垛的燃烧过程可分为三个阶段:不稳定湍流燃烧阶段㊁层流稳定燃烧阶段和熄灭阶段,图5中同时给出三个阶段的典型火焰图像㊂K a i l a s -a n a t h a n 等[10]在类似实验中对火焰进行了温度曲线3V o l .31N o .1苏 洁等:典型木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性研究频域分析,结果显示不稳定湍流燃烧阶段主要是酒精燃烧,仅有少部分燃料参与燃烧,而层流稳定燃烧阶段酒精已燃烧完全㊂因此,本文以层流稳定燃烧阶段为研究对象分析木材火焰碳黑浓度特征㊂柚木和红橡木的质量变化和质量损失速率曲线如图6所示㊂图5 马尾松针质量损失速率及燃烧阶段图F i g .5 M a s s l o s s r a t e a n d c o m b u s t i o n s t a ge of p i n e n e e d l es 图6 质量变化及质量损失速率变化图F i g .6 M a s s c h a n ge a n dm a s s l o s s r a t e 在层流稳定燃烧阶段,马尾松针㊁柚木㊁红橡木分别在60s ㊁47s ㊁52s 左右火焰燃烧最为稳定,此时马尾松针㊁柚木㊁红橡木的质量损失速率分别为10.2m g /s ㊁17.12m g /s ㊁13.3m g/s ㊂根据表1中得到的三种燃料热值,计算可知相应的热释放速率分别为0.2077k W ㊁0.3069k W ㊁0.2405k W ㊂在本文所述工况下柚木在稳定燃烧阶段的热释放速率最大,红橡木次之,马尾松针最小㊂2.2.2 火焰碳黑浓度根据公式(5),马尾松针㊁柚木㊁红橡木分别在60s ㊁47s ㊁52s 的火焰透射率如图7所示㊂由于实验平台镜片尺寸的限制,图7中显示的是燃料层流扩散火焰约2c m~4.5c m 高度内的区域㊂图7 三种燃料火焰透射率图F i g .7 F l a m e t r a n s m i t t a n c e d i a gr a m s o f t h r e e f u e l s 根据1.1节中所述消光法原理,对透射率数据进行均值滤波平滑处理后,沿高度方向逐层利用L S Q R 算法对公式(4)进行求解,得到三种燃料层流4火灾科学 F I R ES A F E T YS C I E N C E 第31卷第1期扩散火焰碳黑体积分数分布,如图8所示㊂图9 三种燃料火焰碳黑浓度径向分布图F i g.9 R a d i a l d i s t r i b u t i o no f c a r b o nb l a c k c o n c e n t r a t i o n i n t h e f l a m e s o f t h r e e f u e l s 从图8中可以看出,在本文所述工况下,马尾松针火焰的碳黑浓度最高,柚木火焰碳黑浓度低于马图8 三种燃料火焰碳黑浓度分布云图F i g.8 F l a m e c a r b o nb l a c k c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n c l o u dm a p of t h r e e f u e l s 尾松针火焰,红橡木火焰碳黑浓度最低㊂图9给出了三种燃料火焰在4个高度上的碳黑浓度径向分布曲线㊂从图9中可以看出:在不同高度上火焰的碳黑浓度均为马尾松针>柚木>红橡木;柚木火焰较宽,是由于在层流稳定燃烧阶段燃烧床面积最大;在稳定燃烧阶段,马尾松针的质量损失速率与热释放速率均小于柚木和红橡木,而碳黑浓度却大于柚木与红橡木,说明马尾松针发烟能力最强㊂对比马尾松针与其他两种燃料的元素含量可以发现,马尾松针的碳含量最多,氧含量最少,可以推测燃料发烟能力与碳元素和氧元素含量有关㊂在本文工况下,根据已知条件,无法判定柚木与红橡木发烟能力的大小㊂3 结论基于消光法原理,对典型木材燃料(马尾松针㊁柚木㊁红橡木)的堆垛燃烧层流扩散火焰的碳黑浓度进行了实验研究㊂通过测量固体燃料堆垛燃烧过程的质量损失速率和火焰碳黑体积分数,并结合三种5V o l .31N o .1苏 洁等:典型木材燃料层流扩散火焰碳黑生成特性研究燃料的元素分析,对马尾松针㊁柚木㊁红橡木的碳黑生成特性进行了对比分析,得出如下结论: 1)将固体碳氢燃料破碎成直径0.7mm~ 1.4mm㊁长度约5mm的针状试样,并堆成直径3.5c m的堆垛,利用酒精引燃后可形成稳定的层流扩散火焰,同时可通过电热丝辅助加热延长稳定燃烧的时间㊂2)对比三种燃料的火焰碳黑浓度㊁质量损失速率及元素组成,马尾松针发烟能力最强;固体碳氢燃料的碳黑生成能力可能与其碳元素和氧元素的含量有关,燃料碳元素含量越多,氧含量越少,其碳黑生成能力越大㊂参考文献[1]牛奕,朱清华,杨曼,叶睿博.3种基于烟点高度的碳黑模型对比[J].燃烧科学与技术,2015,21(3):217-223.[2]W u JS,K r i s h n a nSS,F a e t hG M.R e f r a c t i v e i n d i c e sa tv i s ib l e w a v e l e n g t h so fs o o te m i t t e df r o m b u o y a n t t u r b u l e n t d i f f u s i o n f l a m e s[J].J o u r n a l o fH e a tT r a n s-f e r,1997,119(2):230-237.[3]S k a g g sRR,M i l l e r JH.As t u d y o f c a r b o n m o n o x i d ei n a s e r i e s o f l a m i n a r e t h y l e n e/a i r d i f f u s i o n f l a m e s u s i n g t u n a b l ed i o d e l a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y[J].C o m-b u s t i o na n dF l a m e,1995,100(3):430-439.[4]时磊,陈先锋,张英,牛奕,杜童飞.基于混合分数模型的层流扩散火焰碳黑生成模拟[J].工程热物理学报,2018,39(5):1168-1173.[5]梁军辉,黄群星,冯玉霄,池涌,严建华.氧体积分数对乙烯扩散火焰中烟黑生成影响的实验[J].浙江大学学报(工学版),2012,46(8):1465-1471.[6]T i a nB,C h 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lecture8射流扩散火焰
2015.06.18
1
预混与扩散火焰比较 (premixed flame v.s. diffusion flame)
预混火焰
未完全燃烧 的CO, H2与 外界O2反应 形成焰后氧 化区
稳定预混火焰锥
扩散火焰
• 空气通过对流和扩散进入火焰面，燃 料和空气边燃烧边混合。燃烧远比扩
柴油发动机(非预混)
• Large combustion devices such as
furnace, operate under non-premixed
conditions.
汽油发动机 (预混)
柴油发动机将燃油液滴喷射入高温压缩气室中。液 滴迅速挥发与空气混合，在局部预混的条件下发生 自点火。然后在大部非预混的条件下完成燃烧； Diesel engines inject the fuel spray into the compressed hot air chamber. It rapidly evaporates and mixes with air and then auto-ignition occurs under partly premixed conditions. The final stage of combustion occurs at non-premixed condition.
散混合快得多，因此扩散是制约扩散 火焰燃烧速度的关键步！
• Fuel is mixed with the surrounding air
by convection and diffusion during
combustion. Since combustion is much
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• 轴向动量守恒
1 1 1 vx r vx vx r vx vr r r x r r r r r
YF • 燃料组分守恒 1 r vrYF 1 r vxYF 1 r D F =0 m r r r x r r
液体燃料燃烧 B 气体燃料燃烧 A
例如
C
炉外精炼
转炉吹氧
E
D
高炉喷吹
5
• 气体燃料射流扩散燃烧的分类: • 射向空间情况 – 自由射流火焰 \ 受限射流火焰
• 喷嘴气流结构
– 直喷射流火焰 \ 旋转射流火焰 • 喷嘴之间的几何关系
导向 叶片 机械 装置
– 平行射流火焰 \ 相交射流火焰
– 环形射流火焰 \ 同轴射流火焰 • 按照喷嘴几何形状
扩散火焰：关闭空气吸入口的本生灯火焰，燃料流随着 喷流带离喷口至远处，再向外扩散与外界氧化物燃烧反 应，扩散火焰通常形成于对流流动微弱区域，因此，火 焰长度长且易受外在干扰而摇曳摆动
3
• 射流扩散火焰 • 射流扩散火焰： – 从管口喷出的气体燃料的火炬火焰燃烧
– 天然气管道泄露引起的灾害性火焰燃烧
16
边界条件
r b, vx 0 x
势流锥内 射流锥外
vx r
x 0, vx vx ,0
0 r d0 2
T T 0 YOx YOx, YF r 0, v x v x ,m
T T r 0 YOx YOx, r YF r 0 x 轴线上 YOx, vx r T T r 0 YOx YOx, r YF r
•
r v Y Y Y D YF vr F F rvr YF x vx F r r r r x x r r r 氧化剂组分守恒 YF YF D YF v v YOx 1 YF r x r r x r r r
• 定常流的；不可压缩流体；不计质量力；忽略压力变化；无化学反应的圆 柱喷口自由射流； • 径向速度比轴向速度小得多；仅考虑径向的动量、热量和组分扩散； • 组分的分子输运：Fick’s law; 热量扩散与组分扩散率相当，Le=1;
• 守恒方程
质量守恒
动量守恒
组分守恒 能量守恒
rvr rvx 0 r x v v v rvx x rvr x r x x r r r rvr
什么位置？ Φ=1， why?
u
T
YF
YOX
u
T YF
YOX
d0
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
火焰前沿有一定的厚度，燃料和氧化剂的反应速度不是无限快; 在火焰前沿内，燃料和氧化剂浓度分布曲线呈交叉状; 反应在有限空间内发生，有散热，燃烧达到的最高温度低于理论燃烧温度; 火焰前沿靠近燃料一侧，燃料浓度比氧化剂浓度大很多，在高温缺氧条件下 将产生热分解，生成固体碳，在火焰前沿内固体碳呈明亮的淡黄色火焰，有 较高的辐射强度 T
vr ,b
动量守恒方程：
rvx
(8)
vr ,b 2
2 b2 rvx dr b x 0
(9)
rvr vx rvr vx vx r r r
微分法则
vx v v rvr x T r x x r r r rvr rvx v rvr vx v rvr vx v rvx x vx rvx x vx r x x r r x r x r r
YF 富燃料 区域
Yox
9
扩散火焰随气流速度的变化（沃尔实验）
火焰顶部开始出现 颤动\皱折\破裂
层流火焰
过渡区
湍流火焰
开始破裂的位置不 变, 火焰高度趋于 定值, 噪音增加
火 焰 高 度
火焰的高度包络线 分裂 长度
过分增加射流速度,火焰 会脱离喷口, 直至吹熄
吹升曲线
射流速度
• 层流火焰高度与出口容积流量成正比； • 湍流火焰高度只与出口直径成正比
13
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
r 1.5 vx 1 vx ,m b
2
e
2b
0.5 0
d
基 本 段
a
r/ b
b
c x
初 始 段 u0 d0 势 锥
d
c e
b 流 a r
f u0
r
14
自由射流的守恒方程
• 假设：
• 初始段：
– 初始段内轴向速度\温度和组分质量份数保持初始值 – 初始段长度常常是喷口直径的4~6倍 • 基本段： – 基本段的轴向速度、温度、组分质量份数沿轴向逐渐衰减 – 射流基本段，速度分布具有相似性 – 如果用任意轴向速度与距离喷口距离为x处的轴向最大速度之 比 u/um 和 r/x 作图，其曲线重合，且近似正态分布 – 浓度与温度分布也与速度分布类似
kl
vk vl 2 v kl xl xk 3
7
• 火焰面的位置？形状？ • 火焰面的结构：任意横截面上速度、温度、燃料/氧化剂/产物的浓度 分布； • 喷口形状、尺寸和射流流速，以及外部环境对火焰面位置、形状和结 构的影响； 层流扩散火焰面在
rvx x
2 rvx
rvr r
or
连பைடு நூலகம்性方程
x
rvx vr r
vx r r r
20
(10)
•
从r = 0到r =b积分式(10)得：
b 2 vx rv dr rv v x x r r b 0 x r b
射流锥边界 的边界条件 (11) 轴向射流动量不随x变化， 且等于x =0处的射流动量值
11
• 低速射流的根部，对流流动 弱，流体滞留时间长，燃料 和氧气有足够时间完成化学 反应，因此射流火焰可以稳 焰于喷口处
• 高速射流的根部，对流流动
强，流体滞留时间段，燃料 和氧气没有足够时间完成化 学反应，被强流场带到下游 ，射流火焰飘离喷口处，稳 焰与喷口上方
12
• 射流分为两个区域：初始段和基本段
– 开口油池表面燃烧 – 发动机中的射流燃烧
内管高速喷出的燃料具有强大的整体对流特性，将燃料 带离喷口成为燃料喷流，喷流中的燃料分子向外扩散， 而外层的氧气分子则向内扩散，接着两者碰撞并进行化 学反应，最后形成喷流扩散火焰。
4
射流
流体由喷咀流出到一个足够大的空间后，不再受固体边界限 制而继续扩散的一种流动。
• 质量守恒
流场内密度为常数 1 r vr vx 0 r r x
1 rvr vx 0 r r x
g v v v 1 vx vx x vx x x rvr vr vx r x x r r r r r r v v 1 vx vx x vr x μ:绝对粘性(absolute viscosity) N∙s/m2; r x r r r r 2 υ: 运动粘性(kinematic viscosity) m /s
– 平面射流火焰 \ 圆柱射流火焰
• 按照流动状态分类 – 层流射流火焰 \ 湍流射流火焰
6
自由射流的结构特征
• 若不考虑燃烧化学反应，高速气态喷流和外层空气交界处的热 质输运现象，将促成喷流和空气间的质量、动量和能量混合。 • 动量混合作用源自喷
流和外围空气间的流 速差，流速差结合流 体的粘滞性将产生局 部剪切力，剪切力进 而促使喷流和外围空 气进行动量混合。喷 流轴向动量因而减弱 ，同时喷流也横向扩 张。
射流扩散火焰
1
• 扩散火焰的特点:
– 燃烧之前燃料和氧化剂是分开的
– 一边混合、一边燃烧，燃烧过程主要燃料与氧化剂之间的混合过程； • 工程中的应用： – 工业炉窑\锅炉\燃气轮机\柴油机\本生灯 • 日常生活中的应用： – 蜡烛火焰\煤炉 • 研究扩散燃烧的目的 – 扩大稳定运行的范围 – 提高燃烧效率
=
• •
由于各守恒方程和边界条件（归一化后）都相同 所以它们的解形式也都相同，可写成如下形式
vx T T YOx YOx, YF F x, r v0 T0 T YOx, YF,0
• 由于动量/能量/组分方程相似性，解动量方程即可
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• 层流自由射流的解
面积热强度：单位截面积单位时间内所释放的热量； 容积热强度：单位体积内单位时间内所释放的热量；
– 提高燃烧设备的热强度
提高温度
加强气流混合
燃料燃烧后实际放出的热量占其 完全燃烧后放出的热量的比值
– 合理控制燃烧产物的成分
烟气污染，CO2 ,CO, NOx, SOx
2
射流扩散火焰
本生灯示意图 本生灯双层火焰的 外层扩散火焰，因 为内层富燃料预混 火焰所剩余的燃料 少，扩散能力弱， 外界氧化物因而得 以扩散进入喷流内 部，存活于对流流 动稍强处，所以火 焰长度较短且稳定 。 本生灯扩散火焰 本生灯双层火焰
Yi Y Y rvx i D r i r x r r T T0 T T0 T T0 rvx rvr r x r r r
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ν, D, α，分别是层流的运动粘性系数、扩散系数和热扩散系数；
x 基 本 段 b