燃烧学9-非预混火焰

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火焰高度
层流 :
Hl
Q
2D m
Q : 体积流量 ; Dm : 扩散系数
湍流 :
R 2v R 2v R 2v
H t Dt e Rv R
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根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：
（1）自由射流湍流扩散火焰 （2）受限射流湍流扩散火焰 （3）同心射流湍流扩散火焰 （4）旋转射流湍流扩散火焰 （5）逆向射流湍流扩散火焰
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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。
火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。
在增大射流速度，顶 部开始出现颤动、皱 折、破裂，表明端部 出现湍流，继由续于增湍加流射流速度，火焰端部的 脉动，湍流湍扩流散区混长合度增加，开始颤动、皱 加快，燃烧折速、度破增裂加的，点（转变点）向喷口 使火焰高度方缩向短移动，火焰的总高度则明显
缩短，直到破裂点靠近喷口。此 时火焰达到完全湍流状态，此后 破裂点位置不变（或与管口距离 略有缩短）、火焰高度趋于定值， 但噪音增加
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燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr
燃料与空气混合时间τm流动特征时间
燃烧反应时间τr
化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化 学动力因素)，与混合过程关系不大
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扩散燃烧火焰长度的变化规律
（1）层流扩散火焰区：火焰高度（长度）与气流速度成正 比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰 长度增加）；
（2）扩散火焰过渡区：火焰高度（长度）随气流速度的增 大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流速 度越大，层流状火焰长度越短；
（3）湍流火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷 口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加， 扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有褶皱和 噪音）
烧而形成，称为扩
散火焰，内焰温度
较高，外焰则较低
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扩散火焰
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
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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由于
Τchem<< τtransport(或τdiffusion) 故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0
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Байду номын сангаас
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层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界 面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在α=1处 形成火焰锋面
在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度 达到最大值，然后向两侧扩散
（2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充足 ，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属
于动力燃烧；
（3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动
力-扩散燃烧。
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(a) α1 >1，当管 中混气为贫油时 的动力火焰。此 时混气中有足够 氧气，不需要从 外界获取氧气， 故火焰光滑，随 着α1增大，火焰 变长
焰面外侧： 空气+燃烧产物 焰面内侧： 燃料+燃烧产物 焰面： 燃料与空气的理论浓度为零
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层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律
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第四节 湍流扩散火焰
在射流速度较低 时，火焰保持层 流状态，火焰前 沿面光滑、稳定、 明亮、清晰
随着射流速度增 加，火焰高度增 加，直到某一最 大值，此时火焰 仍然保持层流
(b)α1 =1，化 (c)α1 <1，富油燃烧， 学恰当比下 此时混气燃料多而 的动力火焰。 氧气少，故有剩余 此时温度高， 燃料。此时出现两 火焰传播速 个火焰锋面，内焰 度快，故火 大致相当于α1 =1的 焰高度最短 动力型火焰，外焰
面为剩余燃料经扩 散获得外界氧气燃
(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
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第二节 扩散火焰特点
扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
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湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火， 而是始终“悬挂”在管口。
当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄
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第三节 层流扩散火焰结构
过通风火焰 氧化剂流量超过燃料燃烧 所需的化学恰当量（即总 的氧化剂过量）。火焰靠 近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值， （即燃料过量），火焰向 外壁蔓延
燃烧学
9-非预混火焰
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火焰分类
扩散火焰特点
层流扩散火焰结构
湍流扩散火焰
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第一节 火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念 预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应
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相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分 析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长 度和半径的经验公式
对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：
（1）初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗 卢德数Frf （2）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1) （3）喷管内流体密度与环境气体密度之比ρe/ ρ∞ （4）初始射流直径di
动力-扩散燃烧
燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关
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本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环境 通过引射提供，属于扩散燃烧；