计算燃烧学C3-DP

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燃烧学—第3章4

燃烧学—第3章4

灭火措施3.改善系统的散热条件
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
11
链锁反应理论中的灭火分析
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
灭火条件:根据链锁反应着火理论, 灭火条件:根据链锁反应着火理论,必须使系统中的自由基 增长速度( 增长速度(主要是链传递过程中由于链分支而引起的自由基 增长)小于自由基的消毁速度。 增长)小于自由基的消毁速度。 1.降低系统温度,以减慢自由基增长速度。 降低系统温度,以减慢自由基增长速度。 降低系统温度
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
5
(T − T∞ )
Tm − T − E / RT & q g = ∆H c ρ ∞ K T − T e m ∞
q E E q
& ql =
GC p V
E
(T − T∞ )
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
(q0,T0)
qL
hF/V增加 增加 qL ( q0 , T 0 ) q
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
8
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
灭火措施1.降低系统氧或者可燃气浓度
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
9
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
灭火措施.降低系统环境温度
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
10
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
燃烧学
燃烧学
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
1
《燃烧学》--第三章 燃烧学》--第三章
上节课内容回顾
强迫着火(点火) 强迫着火(点火)

燃烧学

燃烧学

第一讲重点:燃烧条件、及燃烧空气量的计算。

绪论燃烧学是研究燃烧的发生、发展和熄灭过程的学科。

一.燃烧学的研究内容燃烧的本质;着火机理、熄火机理;气、液、固体可燃物燃烧特性;燃烧技术(工程燃烧学);防灭火技术(消防燃烧学)。

二.燃烧学学习的目的和意义2.1 火的作用火被人类掌握和使用以后,为人类的进步和社会的发展作出了巨大贡献。

2.2火的危害火一旦失去控制,造成对国民经济的损失,同时,火灾还对环境和生态系统造成不同程度的破坏。

火灾还对社会带来不安定因素。

火灾指的是在时间和空间上失去控制的一种灾害性燃烧现象,包括森林、建筑、油类等火灾以及可燃气和粉尘爆炸。

火灾发生的必要条件:可燃物、空气和火源同时存在。

按火灾损失严重程度可分为特大火灾、重大火灾和一般火灾三类。

下面是几个典型火灾案例。

1998年1月3日,吉林省通化市东珠宾馆发生火灾。

1999年10月30日,韩国仁川市一幢4层楼的地下卡拉OK厅发生火灾,有57人被烧死,71人被烧伤。

2000年12月25日,洛阳东都商厦火灾。

2002年6月16日,位于海淀区学院路20号的“蓝极速”网吧发生火灾。

火灾烟气的组成:(1)气相燃烧产物;(2)未完全燃烧的液固相分解物和冷凝物微小颗粒;(3)未燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。

火灾烟气中含有众多的有毒有害成分、腐蚀性成分和颗粒物等,加之火灾环境高温、缺氧,导致火灾中很多人因烟气窒息和中毒而死亡。

2.3目的和意义学习研究各种可燃物的着火条件――――防火学习研究物质爆炸规律―――预防爆炸学习研究燃烧、蔓延规律、熄灭―――灭火,减少损失学习研究燃烧烟气特性――――防排烟,减少人员伤亡三、火灾防治措施火灾防治措施有:建立消防队伍和机构、研制各种防灭火设备、制定相关防灭火法规、研究火灾机理和规律及调动社会各界力量投入防灭火。

四、燃烧学的研究对象和方法4.1燃烧学的研究对象燃烧学的主要研究方面:1、燃烧理论的研究。

2、燃烧技术的研究。

第3、4讲 燃烧计算.

第3、4讲 燃烧计算.

理论燃烧需氧量: V O 0* 2(C 1ar 2H 2 ar1 2S 3ar 2O 3a)r2 (kmo/l100kg燃料)
故1kg固体或液体燃料完全燃烧需氧量在标准状态下的体积为 V O 0 2 V O 0 * 2 2 1.4 2 0 (C 1 0 a r2 H 4 a rS 3 a r2 O 3 a)r 2 2 1.4 2 00(4-18)
忽略H2、CH4、 CmHn不影响精度
可认为烟气中 只含有CO。
2021/7/12
造成烟气中CO生成的不足氧量为: (1 )V O 02 (N3/m k)g
根据反应
CO22CO
故烟气中的CO量为
V C O 2 (1 ) V O 0 2 (N 3/k m )g
则烟气中的CO2量为
V C 2 O C 1 a r2 2 1 .4 2 0 2 ( 1 0 ) V O 0 2 (N 3 /k m )g
理论烟气量中H2O含量 V0H2O:
H212O4 2 (N3m /k)g 2 18 100
SO2SO 2 理论烟气量中SO2含量 V0SO2:
Sar2.2 4 (N3m /k)g 32100
理论烟气量中N2含量 V0N2:
Nar
空气带入
2021/7/12
N 2a r82 1.4 2 0V 0 O 027 29 1 (N3/m k)g
2021/7/V 12S 02 O H 2S110
(N3/m N3)m 0
理论烟气量中N2含量 来自于燃料中N2和理论空气中带入的N2:
V N 0 2 N 2 1 1 0 V O 0 2 0 7 29 1
(N 3 /N m 3 )m
理论烟气量:
V 0[C2O C O H 2H 2O3C4H (m n 2)Cm H n

燃烧学4

燃烧学4
p
c p ( Tg Tw ) qe
G ~ dp
G~
G~B DYw c B
p
G d 2 p g w 2d p DYw G ~ D G ~ Yw B
c p ( Tg Tw ) qe
饱和条件:
Yw B w exp( E w / RTw ) LeYw
传热传质平衡:
5-1(3)基本方程
先设无蒸发和燃烧,考察一个驻膜,真实的对流传热等价于 其中的导热 再考察无对流的驻膜内球对称的液滴蒸发和燃烧
Q d 2 p h * (Tg Nu* h*d p / Nu* 2
Tw )
d1d p r1 rp
(Tg Tw )
Nu* d1 /(r1 rp ) Nu* Pr
5-4 煤的热解挥发-(2)双方程模型
有两个热解挥发反应,一个在常规燃烧温度下起支配作用 (相当于工业分析的挥发份)另一个在高温下起支配作用 挥发份释放率正比于Daf煤质量,和煤粒温度成指数关系
m mc mh ma m w m c m h m w m v m hr m w m Daf 煤 1 Volatile 1 (1 1 ) Char1 2 Volatile 2 (1 2 ) Char2 v km c , m
基本假设:准定常;球对称层流有反应流动;无自燃和强迫 对流;燃料和氧相遇扩散;无辐射和体积力;热物性为常数
连续和动量 4r 2v 4r 2 w v w G const
d ( r 2 D s ) w v drs 1 s dr r 2 dr dY dY
p const
组分质量和能量
1 d ( r 2 dT ) w Q vcp dT s s dr dr r 2 dr

计算燃烧学C3-AP

计算燃烧学C3-AP
1 2
(3-32)
联立式(3—29)至(3—32) 四个常数 、F、A和B 至 四个常数σ、 、 和 联立式
截尾正态分布的不足之处 常数A和 的选择有一定的任意性 常数 和B的选择有一定的任意性 确定P( f )需要迭代,计算较繁 确定 需要迭代, 需要迭代
β函数形式的概率分布函数 Jones和Whitelaw建议使用 和 建议使用Richardson提出的 提出的β 建议使用 提出的 函数形式的几率分布函数
“截尾”正态分布函数
“截尾”正态分布型的概率分布函数
1 f − F 2 1 P( f ) = exp − δ ×[u( f ) − u( f −1)] + A (0) + Bδ (1)] σ 2π 2 σ (3-28)
u(f)表示台阶 表示台阶(Heaviside)函数 表示台阶 函数 定义为
g
∂f Cg1µe − Cg 2 ρε g / K ∂y
2
8 定解条件
1) 边界条件
在积分区域的外边界,边界条件属于边界层自由流边 在积分区域的外边界, 界类型 (在自由流边界上因变量跨越边界的梯度值为零 )
u = 0,T = 300, f = 0.232 (3-23) dK = −ε u (3-24) (3-2) dx dε (3-25) (3-3) u = −C2ε 2 / K dx (3-26) (3-4) dg u = −Cg 2ε g / K dx 在积分区域的内边界,所有变量的y方向梯度值为零 在积分区域的内边界,所有变量的 方向梯度值为零
OR 湍流脉动不对称 湍流脉动是对称的, 湍流脉动是对称的,而因为别的非湍流因素使 得表现脉动不对称
5)湍流间歇性概念 - 2

燃烧学课后习题答案

燃烧学课后习题答案
nC n H m 10
2
2


( 3 . 8 2 . 3 24 . 5 2 3 . 7 ) 10
2
0 . 38 m
3
V 0,H
2O
(H
2
H 2O H 2 S
3

m 2
CnH
) 10 m
2
4 4 58 2 24 . 5 3 . 7 10 2 2
18162
KJ
Q l 2 Q l Q l1
1500 1400 19617 18162
t 2 t t1
t 1400
19002 . 28 18162
1458
(C )
5
《燃烧学》--作业
CO 2焦炉气: CO
2
3 . 8 %, H
2
58 %, CH
L
解:首先根据半无限大固体的导热公式: 2 t 及临界条件 0.1, L erf 求得 t =0.9。 2 L 假定板可以采用半无限大固体考虑,则3个小时后的 2 t 值可求出来。


L
L
1 erf
L
9
《燃烧学》--作业
L 2 t

2
L
0 .2 5 . 2 10
(3)α=1.5 完全燃烧所需的空气量,烟气的 组成,体积 3 V a , air V 0 , air 1 . 5 4 . 86 7 . 29 m α=1.5 CO 2 , H 2 O , N 2 , O 2 烟气的组成:
V CO 0 . 747 m
2
3
VH

第二章-燃料及燃料燃烧计算

第二章-燃料及燃料燃烧计算

灰分(Ash): 煤中不可燃矿物杂质,成分十分复杂,大多数煤的灰分 含量7%~40%。
1)A 可燃物减少,Qdw ,着火困难,灰渣量增加,运行 操作繁重;
2)A 且ST ,炉内易结渣,使受热面传热恶化, D
3)A
,烟气流速wy
wy wy
对流受热面磨损严重 对流受热面积灰、堵灰,传热系数K
Car+Har+Oar+Nar+Sar+Aar+Mar=100% 2.空气干燥基ad; 表示在不含外在水分的条件下,燃料各组成成分的质量 百分数总和, 是实验室煤质分析所用煤样的成分组成。
Cad+Had+Oad+Nad+Sad+Aad+Mad=100%
3. 干燥基d; 表示在不含水分的条件下干燥燃料各组成成分的质量百 分数总和 干基中各成分不受水分变化的影响
与燃烧容易。
VAMST分类标准
四、液体燃料和气体燃料
锅炉燃用的液体燃料主要是重油和渣油。
重油——是石油提炼汽油、煤油和柴油后的剩余物, 渣油——是进一步提炼后的剩余物。 重油
重油的成分与煤一样,也是由碳、氢、氧、氮、硫和灰 分、水分组成。它的主要元素成分是碳和氢,其含量甚 高(Car=81~87%,Har=11~14%),而灰分、水分的含量很
空气中只有O2和N2成分,其容积比为: 气体容积计算的单位均为Nm3/kg。
Cd+Hd+Od+Nd+Sd+Ad=100% 4. 干燥无灰基daf; 表示在不含水分和灰分的条件下,干燥无灰燃料各组成 成分的质量百分数总和, 干燥无灰基中只包含燃料的可燃成分,各成分不受水分 和灰分变化的影响, 煤炭交易。

燃烧学参考书

燃烧学参考书

一.本科生参考书1.《燃烧理论》作者:[美]F·A·威廉斯页数:436 出版日期:1976年12月第1版2.《燃烧与传质》作者:[英]D.B.斯柏尔丁页数:225出版日期:1984年02月第1版主题词:燃烧学传质简介:书名原文:Combustion and Mass Transfer.-Pergamon Press 19793.《燃烧理论基础》作者:万俊华页数:443出版日期:1992年12月第1版主题词:燃烧理论简介:本书介绍各种燃烧问题的分析和处理方法,注重讲解各种基本燃烧现象的物理和化学本质。

4.《煤的燃烧与应用》作者:[美]N.A.CHIGIER主编页数:252出版日期:1986年10月第1版主题词:煤-燃烧理论文集燃烧理论-煤文集5.《煤粉燃烧动力学》作者:[苏]维列斯基等著页数:273出版日期:1986年10月第1版6.《粉煤燃烧与气化》作者:L.D.Smoot;D.T.Pratt页数:438出版日期:1983年06月第1版主题词:粉煤燃烧煤气化7.《燃烧理论基础》作者:D.B.斯帕尔丁页数:258出版日期:1964年06月第1版主题词:燃烧理论简介:译自:Some fundamentals of combustion8.《燃料燃烧及气化的物理化学基础》作者:H.B.拉夫罗夫页数:273 出版日期:1964年05月第1版主题词:燃料-物理化学基础理论物理化学-燃料基础理论简介:译自:Физико-химические основы горения и газификации топлива9.《煤粉燃烧物理化学基础》作者:孙学信等页数:199 出版日期:1991年07月第1版主题词:粉煤燃烧-燃烧理论燃烧理论-粉煤燃烧10.《燃烧学》作者:傅维镳页数:532 出版日期:1989年04月第1版主题词:燃烧理论高等学校教材简介:高等学校试用教材:本书介绍了各种燃烧物理现象及其物理模型的建立,介绍了各种燃烧现象的数学分析方法。

第2章 燃烧参数计算

第2章 燃烧参数计算

一、燃烧产物
1.定义:由于燃烧而生成的气、 1.定义:由于燃烧而生成的气、液和固体物质 定义 2.完全燃烧产物 2.完全燃烧产物 3.不完全燃烧产物 3.不完全燃烧产物 4.氮氧化物 4.氮氧化物 5.烟:由燃烧或热解作用所产生的悬浮于大气中能被人看到的 5.烟 产物. 产物. 碳氢 化合物
裂解
脱氢
V 0 .O 2 ( H ) =
H % × 22 . 4 4
V 0 .O 2 ( S ) =
V 0 .O 2
S% × 22 . 4 32 C% H% S% O% = × 22 . 4 + × 22 . 4 + × 22 . 4 − × 22 . 4 12 4 32 32 C% H % S% O% = ( + + − ) 22 . 4 × 12 4 32 32 =( C % H % S % O % 22 . 4 + + − )× 12 4 32 32 0 . 21
V 0 . air C% H % S% O% 22 . 4 = ( + + − )× 12 4 32 32 0 . 21
V 0 . air
= 17.39( m )
3
43 % 7% 41 % 22 . 4 = ( + − ) × ×4 12 4 32 0 . 21
二、 气体可燃物完全燃烧理论空气需要量 组成: 组成: CO%+H2%+∑CnHm%+H2S%+CO2%+O2%
二、大气中二氧化碳的平衡 光合作用使大气中二氧化碳含量降低 燃烧反应和自然界的氧化反应使二氧化碳含量升高 讨论: 讨论: 全球气温升高的原因? 全球气温升高的原因?
三、温室效应的危害及对策

计算燃烧学C3-BP

计算燃烧学C3-BP
d 1 1/δ = dt δ t1/2 dδ δ =− dt t1/2
(3-50)
(3-51) 假定: 假定:流体层厚度减少的主要原因是流场不均匀性带 来的拉伸作用,其速率可以用流场的应变速率表示。 来的拉伸作用,其速率可以用流场的应变速率表示。 t1/2与流场的局部应变速率成反比, 与流场的局部应变速率成反比,
2
σg = 0.7, cg = 2.8, cg =1.79
4 温度修正的湍流燃烧速率
上述模型中没有考虑温度对燃烧速率的影响 均流速度梯度较大,但可燃气温度不高, 均流速度梯度较大,但可燃气温度不高,无剧 烈化学反应发生区域, (3-42)不可能给出合 烈化学反应发生区域,式(3-42)不可能给出合 理的燃烧速率 以平均参数表示的Arrhenius类型的燃烧速率 以平均参数表示的 类型的燃烧速率 Rfu, A =−BP2mfumox exp(−E / RT ) (3-48) 比较(3-42) 和(3-48) 比较 Rfu =−min[ Rfu, A 和 Rfu,T ] (3-49)
1 基本思想
在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团,化学 在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团, 反应在这两种气团的交界面上发生, 反应在这两种气团的交界面上发生,认为平均化学反 应率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的 速率, 速率,而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比 (3-41) Rfu ~ ε / k
气团尺度的变化过程
考虑一个单位 厚度的流体块, 厚度的流体块, 设其中每层流 体块的平均厚 度为δ, 度为 ,则该流 体块中一共有 1/δ层流体。在 层流体。 层流体 湍流作用下各 层流体的厚度 不断减小, 不断减小,流 体块内的流体 层数不断增加。 层数不断增加。

燃烧学—第3章3

燃烧学—第3章3
H O H OH 2 (3) (4) H 2 OH H 2O H
H OH H O H 2 2 (5)
(链传递)
(6) H 器壁破坏
(7) OH 器壁破坏
(8) OH +H H 2O
(器壁销毁) (链终止) (气相销毁)
安全工程学院:齐黎明
2
《燃烧学》--第三章
自由基 含有未成对电子的基团 自由基的生成 光解 Cl 热解
H
CH 3
2
2Cl
加热
h
CH3 CH3 2 CH3
安全工程学院:齐黎明
3
《燃烧学》--第三章
自由基反应历程:
H 2 Cl 2 2HCl (总反应)
在第一、二极限之间的爆炸区内有一点P (1)保持系统温度不变而降低压力,P点则
向下垂直移动
自由基器壁消毁速度加快,当压力下降到 某一数值后,f < g, φ < 0 , ----------------------第一极限 提高混合气的温度,可使临界着火压力降
低,谢苗诺夫把这一关系归纳为
Pi Ae
=0
W’
<0
τ1 τ2 τ3 t
t
图3-9链式自燃示意图
图3-10反应速率与时间关系
安全工程学院:齐黎明
11
《燃烧学》--第三章
着火延迟期τ 当 较大,则 ≈f fan0 fan0 exp( ) 1 w exp( ) an0 exp


上式取对数后,得
安全工程学院:齐黎明
8
《燃烧学》--第三章
设t=0,n=0,积分上式得 产物生成速率: w afn af

(课件)内燃机计算燃烧学(第二版)——解茂昭电子版本

(课件)内燃机计算燃烧学(第二版)——解茂昭电子版本
则可能出现物理上非真实解。
上风差分格式 (迎风差分格式)
3-
不会产生负系数,物理上总是真实解,但计算精度低。
指数差分格式 混合格式
优4
先 级
2
对任意Peclet数一维无源问题可得到更精确的解,但运算费时, 且对多维及源项不为零的情况不准确,因此未被广泛应用。
适用于网格界面处于网格点间任意位置。|Pe|>=2时为上迎风格 式;|Pe|<=2时为中心差分格式。
1. 出现背景:采用固定网格的有限容积法难以适应内燃机求解域不断伸缩变化的情况,利用坐标变换 解决不够方便,为解决内燃机流动燃烧过程,提出ALE;
内燃机数值模拟理论逻辑关系图
2. 20世纪80年代提出以来迅速流行,并形成与有限容积法双峰并峙的局面; 3. 本质为基于控制容积的有限差分法,与一般差分法相比 优点:
时间范围又大,则计算量十分可观 。

SIMPLEC 算法 (SIMPLE-Consistent,
2
优于SIMPLE
收敛性远优于SIMPLE,有时甚至由于SIMPLER。

协调的SIMPLE法)
PISO出现原因
PISO 算法(Pressure Implicit Solution Splitting Operator)
乘方定律格式 (PLDS)
1 比混合格式在局部更优。|Pe|>10时,为混合格式,|Pe|在2附近
时,克服了混合格式偏离准确曲线较远的缺点。
既有指数格式的 特性,又易于计 算的差分格式。
SIMPLE 算法
SIMPLER 算法 (SIMPLE-Revised)
3
1 优于SIMPLE,
完善压力校正
SIMPLEST 算法

流动及燃烧的模型及计算

流动及燃烧的模型及计算

流动及燃烧的模型及计算第⼀章绪论1.1计算燃烧学的研究对象和⽬标(1)研究对象:对流体流动、传热传质和燃烧过程进⾏计算机模拟的基本⽅程(连续⽅程、动量⽅程、能量⽅程、组分⽅程)、理论模型(湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题)、数值⽅法(研究体系的⽹格化、控制⽅程的离散化和求解⽅法)计算机程序(计算程序、绘图程序、仿真程序)(2)计算燃烧学的研究⽬标:构造、检验和发展基本⽅程及理论模型,提⾼他们的可靠性、准确性和实⽤性;改进数值⽅法,在保证计算精度的同时提⾼计算速度和经济性;改善绘图及仿真软件,通告速度和直观性;提供“使⽤⽅便性”强的计算、绘图及仿真软件,,⽅便使⽤。

1.2 计算燃烧学的意义(1)使燃烧上升到系统理论(2)是设计、科研和教学的⼿段(3)有助于学科发展和开拓新领域1.3计算燃烧学的发展简史燃烧的定义:燃烧室⼀种带有剧烈放热化学反应的流动现象,它包含着流动、传热、传质和化学对流体流动、传热传质和燃烧过程进⾏计算机模拟的基本⽅程(连续⽅程、动量⽅程、能量⽅程、组分⽅程)理论模型(湍流输运、湍流燃烧、辐射换热、多组分化学反应和多项问题)数值⽅法(研究体系的⽹格化、控制⽅程的离散化和求解⽅法)计算机程序(计算程序、绘图程序、仿真程序)在科研、⼯程和教学中的应⽤反应以及它们之间的相互作⽤。

实际燃烧过程⼏乎都是湍流过程。

计算燃烧学特点:(1)兼顾研究理论模型和数值⽅法(2)及研究理论模型和数值⽅法,有中式计算机程序的编制和更新。

(3)既重视通⽤模型、通⽤⽅法和通⽤程序的研究,⼜重视与实际应⽤得密切结合。

1.4 内容梗概(1)构造基本⽅程和理论模型燃烧过程涉及的基本定律:物质不灭定律、⽜顿第⼆定律、能量转换和守恒定律、组分转换和平衡定律等。

控制燃烧过程的基本⽅程组:连续⽅程、动量⽅程、能量⽅程、组分⽅程需要模化的分过程有:湍流输运、燃烧、辐射转换、多项流动和燃烧。

(2)数值⽅法数值⽅法主要包括:研究体系的⽹格化、控制⽅程的离散化、离散化⽅程的求解⽅法。

燃烧学-五-多组分反应流体守恒方程

燃烧学-五-多组分反应流体守恒方程

Cp
''' , S h0 q f ,i m ,i
六、守恒标量的概念
1.简单化学反应模型 化学反应:燃料和氧化剂消失,产生二氧化碳和 水蒸气,燃气温度升高并发出热量。 假设: (1)燃料和氧化剂以化学恰当比进行单步不可逆 反应,生成单一的燃烧产物 1kg燃料+ kg 氧化剂 (1 )kg 产物 (a) (2)各组分的传输特性相同,但可以随空间位置 而变化(每处每参数相等,但可不均匀);
vi vi ,diff v
组分总的质量通量等于对流通量和扩散通量之和,即
组分总的质量流量
q
'' m ,i
q m9;'
扩 散 通 量
m ,i ,diff
对流通量
wi v wi vi ,diff
将(c)式代入式(a),得
( c)
代入分子输运的费克扩散定律,得
H MW H H O MW H O
( wi ) '' ''' qm ,i qm ,i t

'' m ,i
组分
i 的质量守恒方程的一般矢量形式为

'' m
i 1,2,, N
,得
( a)
q wi vi q v
混合物质量平均速度
v wi vi
(b)
组分速度等于质量平均速度叠加上扩散(布朗运动)速度
( pA) x ( pA) x x qm [(v) xx (v) x ]
上式除以 A,并取极限 x
x 0
,得

dp '' dv qm dx dx dp dv vx dx dx

燃烧理论分析及相应计算

燃烧理论分析及相应计算

燃烧机理分析林树军浙江温岭燃烧过程高速摄影1燃料和空气混合气缸混合气残余废气过程湍流火焰燃气混合物燃料空气点火TDC@1430r/min&部分负荷Lamberda=1.30喷油角度为30CRA BTC出现火焰达到离火花塞最远的气缸壁理论温度最高点燃烧阶段划分火焰高速传播期火焰传播火焰扩散期早期火焰传播火焰终止火花点燃2燃烧机理解释内燃机的燃烧过程是湍流燃烧,而湍流燃烧是一种极其复杂的带化学反应的流动现象,湍流与燃烧的相互作用涉及许多因素,流动参数与化学动力学参数之间的耦合的机理极其复杂,用数值模拟方法分析和预测湍流燃烧现象的关键问题是正确模拟平均化学反应率,即燃料的湍流燃烧速率。

3燃烧湍流模型Eddy Break up(涡团破碎模型)Spalding的涡团破碎模型,其基本思想是:对预燃火焰、湍流燃烧区中的已燃气体和未燃气体都是以大小不等并作随机运动的涡团形式存在。

化学反应在这两种涡团的交界面上发生。

化学反应的速率取决于未燃气体涡团在湍动能作用下破碎成更小的涡团的速率,而此破碎速率正比于湍流脉动动能k的耗散率,其基本表达方式如下:该模型是AVL公司fire软件里面计算燃烧的基础计算模型。

4缸内传热模型5内燃机的传热既是与燃烧现象密切耦合的一个子过程,又是整个燃烧循环模拟的一个重要环节。

然而,内燃机的传热问题又被认为热问题中最复杂的一个,这是因为由于内燃机工作过程强烈非定温度变化的高度瞬变性,以致在毫秒量级的时间内,燃烧室表面的热流量从零变化到10MW/m2,同时温度和热流的空变化也非常剧烈。

在1cm 的位置上,热流峰值相差可达5MW/m2。

一般而言,发动机的传热计算包括3个方面:(1)工质与燃烧室热量的交换(包括对流和辐射两种方式);(2)燃烧室壁内部的热传导;(3)燃烧室外壁与冷却对流和沸腾传热。

对于内燃机燃烧过程来说,主要考虑的第一项,因而对于内燃机传热模型方面主要考虑两个方面:1、工质与壁面之间的对流换热模型,2、是辐射换热模型。

【大连理工 燃烧学】燃烧学11(6)

【大连理工 燃烧学】燃烧学11(6)

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上式中,可认为:
• 爆炸:瞬间完成的超快速化学反应
• 热爆炸
• 如果某一放热反应在一个小空间内进行,反应热 来不及散出,则温度升高→温度升高,又促使反 应速度加快→而反应速度加快后,导致放出更多 的热量,使温度升高更快。
• 如此循环的结果,使反应速度在瞬间增大到无法 控制而引起爆炸。这种爆炸称为热爆炸。
•燃烧分学 支链爆炸
解得:
如果符号TC取正2,ERTu C1过- 大1,- 4无R意uT义 ,/ E保留负号形式,为谢苗诺夫公式
燃烧学
2
上次课回顾
• 封闭系统热自燃理论
T QL
• 热自燃模型
QG T
热自燃模型
• 着火临界条件:2个
• 着火影响因素
• 环境温度
•燃烧燃学 料活性
3
影响自燃着火的因素
• 容器内压力
• 复习:压力对化学反应速率的影响,对于n级反应,其反应速率为压力 的n次方。其实质?
热自燃感应期
三种不同初温条件下温 度变化历程
T' 下 : pG线与pL线有两个交点 T''下 : pG线与pL线有一个切点 T'''下 : pG线与pL线有没有交点
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ESCIMO理论的发展特点

是在“经历”和“统计”两个方面交替进行的, 在每个阶段都用发展了的“经历”和“统计 “的综合去分析一个实际燃烧现象,并把结果 与实验数据对比,用以检验发展中的理论,目 前整个理论仍处于发展之中。
讲解方法

分别介绍“经历”和“统计”两个方面的基本 思想和数学模式,然后以分析湍流扩散火焰为 例、阐述用ESCIMO的最新成果处理实际问题 的思想和方法。
作用:决定夹层块的初始状态、尺寸和位置, 并在它的生存期中通过拉伸使之变薄 对于一个给定的夹层块,湍流流动的影响主要 是由拉伸来体现的 描述方法―拉伸时间ts

定义:夹层块在拉伸作用下其厚度由δ0减小到一个 定值(如δ0/e)所需的时间 意义:它的大小代表了拉伸过程的强弱,它的倒数 就是拉伸速率

层流火焰传播速度控制燃烧方式-1
条件:tr<<td<<ts 特点:在夹层块内部有一个火焰面以层流火焰 传播速度向未燃气一方运动 夹层块烧完的时间tb tb=C(td·r)1/2 t (3-90)

C是比例常数

影响tb的主要因素:化学反应时间和扩散时间, 这两个因素综合体现在层流火焰传播速度这个 量中

“年龄”

指夹层块从诞生到研究的那时刻所经过的时间。
因此可以生动地认为每个流体夹层块经历了由 诞生、长大变老直至死亡的全部生命过程。
“统计”部分的任务
是要解决构成湍流场的夹层块的分布规律。 表征夹层块的参数:分别用它们的年龄、诞生 状态和尺寸等。 困难:如果综合考虑这些因素,必然使得分布 函数过于复杂而无法求解,如果只考虑一个因 素,而简单地抛弃其它因素,则往往与实际过 程偏离过大(特殊情况例外)。 一个较好的折衷办法:选择一个独立因素,而 把其它因素设法与这独立因素联系起来,这样 既使得分布函数较为简单,又综合考虑了各种
3.5.2 “经历”理论
在“经历”部分,研究的全部的注意力集中在 一个流体夹层块上。 这个夹层块可以看成大尺度旋涡的一个组成部 分,它的内外表面恰好分别与两层流体的中间 对称面重合。这样就可以把在夹层块中发生的 过程抽象成一维平面不稳定过程,在它的两个 边界上各个量的梯度为零。 原则上用二维抛物型方程的定解问题来描述夹 层块的“经历“是没有什么问题的,

解释
这里实验中的速度增加对应着速度梯度的增加,也就 是拉伸速率的增加,从而使燃烧方式逐渐变为化学动 力学控制,加上由环境引射进入火焰的冷空气增加, 使得夹层块内的温度和成分变得不利于化学反应的进
化学动力学控制的燃烧方式-3

发生的条件
小尺度流动 低反应能力和高湍流度

相应的实际过程
良搅拌反应器
火焰稳定器后面的回流区 高湍流强度的燃烧室
说明
以上把燃烧方式划分成了三类,只是为了分析 方便,还存在着过渡的燃烧方式 ESCIMO理论有能力定量地分析上述各种燃烧 方式及考虑诸因素对燃烧速率的影响。 在化学动力学和分子输运方面可以使用需要的 任何模型。

Spalding和Tam曾成功地把由7个基元反应构成,含有 8种中间成分的“氢―空气”火焰的反应机理,以及建 立在Chapman-Enskog理论基础上的计算双元扩散系 数的Lennard-Jones模型应用于“经历”部分的计算。


目前的处理方法:选择夹层块的年龄作为独立 因素,借助于在流场某点的夹层块的年龄的分 布函数PA(A)来描述夹层块的分布特性。
PA(A)dA代表了年龄在A到(A+dA)区间的夹层块的数目 比例。

~ 具体的,对于量φ, “经历”提供的是φ在年 龄为A的夹层块中的平均值 (x, y, z, A),“统 计”提供的是夹层块的分布函数PA(x, y, z, A), 所以 ( x的统计平均值是 , y, z ) PAd A 0 (3-87)
分子输运作用

作用:使夹层块内的参数分布趋于均匀
描述方法―扩散时间td
td
02

(3-88)
ρ为参考密度,Γ为交换系数 td具有时间量纲,作为扩散过程的快慢的度量
化学反应的作用
作用:把反应物变成产物 描述方法―化学反应时间tr 表征化学反应进行的快慢

tr
u m fu ,u

(3-91) (3-92)
夹层块的燃尽时间是
tb=tsln[1+δ0/(tsSu)] Su是对应于夹层块内未燃气状态的层流火焰传 播速度
关于旋涡破碎模型适用的条件
在拉伸速率控制的燃烧方式情况下,tb受ts的影 响大于受Su的影响,即拉伸速率控制着燃烧速 率,而化学动力学和分子输运的影响很小 →湍流预混火焰的旋涡破碎模型适用的条件 说明了:

为什么在一定条件下,旋涡破碎模型能给出正确的 结果,而在有的过程中则不行? 为什么说旋涡破碎模型未考虑化学动力学因素和分 子扩散的作用? ESCIMO理论能定量估计湍流、化学动力学和分子 输运三个方面对燃烧速率的影响
拉伸速率控制的燃烧方式-2

产生的条件
大尺度的流动 较大的均流速度梯度和预混燃烧
零维:认为凡在空间的分布是均匀的,例如在 良搅拌器中就是如此。 在零维系统内,PA的变化主要是由于夹层块年 龄增大及被卷吞而造成的。 Spalding在1978年提出了相应的PA方程:

PA PA RF PA t A
(3-94)
PA是夹层块的生成速率 t和A都具有时间量纲,但它们的意义不同


原则上用二维抛物型方程的定解问题来描述夹 层块的“经历”是没有什么问题的,实际应用 时遇到的困难主要是给出定解问题的初始条件, 和确定夹层块厚度在拉伸作用下的变化规律。


这两个问题的解决方法因分析的具体现象而异。
主要因素:湍流、分子输运和化学动力学三个 因素的相对强弱对夹层块内部过程的影响
湍流对夹层块的作用
§3.5 ESCIMO湍流燃烧理论
3.5.1概述
正确的理论来源于对实际过程的观察、归纳和 提高 湍流平面混合层的拟序结构

旋涡在两层流体互相卷吸和吞食中产生,旋涡在均流 不均匀性作用下不断被拉伸(stretching)、生长,构 成旋涡的两层流体互相粘附在一起,流体层的厚度在 拉伸作用下变薄,如果具备条件,在两层流体互相扩 散的同时,发生化学反应。
二者的综合
“经历”部分的任务
夹层块在大尺度涡旋上的位置如图
“经历”把注意力集中到一个流体夹层块(简 称夹层块)上,考虑它由产生到消失的全过程。 认为:夹层块(Fold)由卷吞过程产生,由不 同的两层流体构成,这两层流体贴在一起,在 运动中受到拉伸作用而越来越薄,最后夹层块 由于被“再卷吞”或流出所研究的体系而消失。 在夹层块的生存过程中有扩散或化学反应在其 内部进行。 任务:解出夹层块的物理化学状态随其“年龄” 变化的规律。

形象地表示了大尺度湍流输运和小尺度分子扩 散之间的区别和联系

ESCIMO理论是湍流平面混合层的拟序结 构的概括
E,engulfment:卷吞,描述在大尺度湍流作用下,一种流体被另一 种流体卷吞的过程。
S,stretching:拉伸,描述迭在一起的流体层长度增加、厚度减小 的过程。
C,coherence:粘附,描述流体层不愿分离的一种趋势,认为两层 流体一旦由于卷吞碰到一起,那么在传输、拉伸和化学反应的过 程中都不会分开,它们互相粘附在一起。 I,interdiffusion和化学上的interaction:相互扩散和化学反应,描 述在流体层受拉伸的过程中,发生在流体层内部及其交界面上的 扩散和化学反应。 MO,moving observer:运动观察者,意味着为了描述相互扩散和 化学反应,把坐标系取在流体层上,与流体一起运动。
有的夹层块会以自然着火的方式较快烧尽,有 的则会在相当一段时间内达不到自然着火的条 件,甚至于这个时间超过它的生存时间,如果 这种夹层块相当多,当然总体上就会熄火,燃 料无法烧尽。
湍流射流扩散火焰的吹熄分析
以湍流的射流扩散火焰为例说明 现象

点燃后,当逐渐增加燃料射流的速度时,可以发现 燃烧加剧 而当速度超过一定限度后,会发现火焰悬举 速度进一步增加到一定程度则发生吹熄

t和A意义是不同的:
t表示研究的时刻,对于稳定过程,各个量 是不随研究时刻的不同而变化的;
A则表示夹层块的年龄,即使在稳定过程中, 夹层块的年龄也会不断增长。
停留时间的概念

一个稳定的良搅拌反应器,气体在发应器内的 停留时间tre可定义成
tre
V
m
(3-95) ρ代表反应器内物质的密度,V是反应器的容积; m 是通过反应器的质量流率。 停留时间tre对反应器状态有十分重要的影响
ESCIMO理论的发展过程



Spalding提出该理论的基本思想 马世倚和Noseir用SCRS处理“经历”、在“统计”中 采用单一空间坐标的分布函数 Tam在“经历”部分采用复杂化学反应模型,而在 “统计”部分则认为分布函数在空间分布均匀(零维 模型) 马世琦和Sun集中发展了分布函数的二维抛物型输运 方程,在“经历”部分则采用化学平衡假设和剖面法 这一近似解法 范维澄在“统计”部分继承了Sun的工作,而在“经 历”部分用有限差分法取代剖面法,用有限速率反应 模型取代化学平衡假设、并以此对湍流射流扩散火焰

满足这些条件的实际过程
发生在加力燃烧室和冲压发动机中的有界燃烧 (Confined Flames)
某些锅炉内的燃烧
化学动力学控制的燃烧方式-1
在tr >>td和tr >>ts的情况下发生 特点:由于拉伸和分子扩散速率大大超过化学 反应速率,使得在夹层块内部参数基本均匀后 才发生显著的化学反应 夹层块的燃尽时间 1 tb ( ) 1d (3-93) τ代表反应度, 代表反应度的变化率;τ0代表 夹层块的初始平均反应度。
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