第五章火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性

1、第五章第五章火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性劉雪玲天大熱能工程系研究的問題研究的問題n層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萵湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣萵影響火焰?zhèn)鞑サ囊蛩豱火焰穩(wěn)定性問題?；鹧娣诸惢鹧娣诸愵A(yù)混合火焰錐體預(yù)混合火焰錐體按火焰面位置：移動火焰和駐定火焰移移移動火焰移動火焰基本概念基本概念n層流火焰火焰面通過熱傳導(dǎo)和分子擴(kuò)散把熱量和活性中心提供給臨近尚未燃燒的預(yù)混氣體薄層，使火焰?zhèn)鞑ハ氯?。n湍流火焰火焰面的熱量和活性中心向未燃混合氣輸運是依靠流體的渦團(tuán)運動來激發(fā)和強(qiáng)化，受流體運動狀態(tài)支配。層流火焰層流火焰 湍流火焰湍流火焰按預(yù)混氣流動狀態(tài)：層流火焰和湍流火焰火焰前沿（前鋒、波前）火焰前沿（前鋒、波前）已已

2、燃燃?xì)鈿庑迈r混氣新鮮混氣火火焰焰前前沿沿已燃的區(qū)域和未燃的區(qū)域之間形成的分界線特征尺寸極薄，可看成幾何面發(fā)光的火焰層，化學(xué)反應(yīng)區(qū)火焰的傳播速度火焰的傳播速度已燃?xì)庖讶細(xì)馕慈細(xì)馕慈細(xì)鈔dn火焰的傳播速度： 火焰前鋒沿其法線方向相對于新鮮混合氣移動的速度。平面火焰的傳播方式平面火焰的傳播方式n正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣龋ň徰娌ǎ?預(yù)混氣火焰前鋒燃燒產(chǎn)物爆震波火焰前鋒多個火焰中心電電點點火火v不正常火焰?zhèn)鞑ィū鸩ǎ?層流火焰?zhèn)鞑ダ碚搶恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ダ碚搶恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ダ碚摲譃椋?熱力理論:火焰?zhèn)鞑ミ^程主要是由于反應(yīng)區(qū)向預(yù)熱區(qū)的熱量交換的傳熱過程。 擴(kuò)散理論:火焰?zhèn)鞑ミ^程取決于活性中心濃度的擴(kuò)散過程。 實際中兩種機(jī)制

3、同時起作用。火焰結(jié)構(gòu)及其特征pcCf,0T0TiTm火焰前鋒駐定u0=uLTm,Cf,00up,Tmpi+x-xw火火焰焰結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及參參數(shù)數(shù)分分布布示示意意圖圖Cf00火焰結(jié)構(gòu)及其特征火焰結(jié)構(gòu)及其特征n火焰前沿分兩個區(qū)：物理預(yù)熱區(qū)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)n前沿厚度很小，但溫度梯度和濃度梯度很大，存在強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)和物質(zhì)擴(kuò)散n火焰前沿在預(yù)混氣中移動，是由于反應(yīng)區(qū)放出熱量不斷向新鮮混合氣傳遞及新鮮混合氣不斷向反應(yīng)區(qū)中擴(kuò)散。燃燒前沿的導(dǎo)熱微分方程燃燒前沿的導(dǎo)熱微分方程對于絕熱條件，火焰面的邊界條件為能量微分方程為：WQdxdTdxddxdTCupL00,0,0dxdTTTxdxdTTTxm層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰?/p>

4、焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達(dá)式（表達(dá)式（1）n在預(yù)熱區(qū)：反應(yīng)速度W近似為零積分后：dxdTdxddxdTCupL000TTCudxdTipLp澤爾多維奇和弗朗克-卡門涅茨基的分區(qū)近似解邊界條件：iTTxdxdTTTx,0,p0層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萿L表達(dá)式（表達(dá)式（2） 在反應(yīng)區(qū)：反應(yīng)區(qū)溫度升高所消耗的能量近似為零積分后：邊界條件：ipmTTxdxdTTTx,;0,022WQdxTdmiTTCWQdTdxdT2WQdxdTdxddxdTCupL0層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萿L表達(dá)式（表達(dá)式（2）拐點處：00TTCudxdTipLp則求得傳播速度為：CPdxdTdxdT202202TTC

5、WQdTuiPTTLmimiTTCWQdTdxdT2層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萿L表達(dá)式（表達(dá)式（3）因為預(yù)熱區(qū)反應(yīng)速度很小因為反應(yīng)區(qū)溫度變化不大:火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋簩恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁桥c預(yù)混氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)iTTWdT00mimTTTTWdTWdT000TTTTmiWQTTWdTQTTWQdTmmiTTmTTi00002202TTCWQumPL在固定火焰、穩(wěn)定燃燒條件下：導(dǎo)入熱量獲得熱焓量ATTQLmD/0)(00TTCAuQmPLh火焰?zhèn)鞑ニ俣萕auLPCa0tAQtmCQpLLu宏觀角度分析：選定燃料的火焰速度計算公式選定燃料的火焰速度計算公式 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)在典型溫度和壓

6、力下的經(jīng)驗公式：22refL,)(MMBBu 參考溫度下：式中： ) 1(22. 016. 0) 1(8 . 018. 2Ydil2：稀釋劑的濃度：當(dāng)量比；數(shù)；：由燃料類型確定的常、MMBBatmPKTrefref1298、參考狀態(tài)指： )1.21(/dilrefrefrefL,YPPTTuuL 時：KT350燃料(cm/s)(cm/s)甲醇丙烷異辛烷RMFD-3031.11.081.131.1336.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34MMB2B例題：例題：針對下述幾種工況，對汽油空氣混合物在 下的層流火焰速度進(jìn)行比較：（1）參考狀態(tài)：（2）

7、典型的電火化點火的條件，即： （3）條件與（2）相當(dāng)，但有15的廢氣回流量。8 . 0atmPKT38.18,685atmPKTrefref1298、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赜绊懟鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩豱燃料、氧化劑性質(zhì)及其混合比n壓力n初始溫度n添加劑燃料、氧化劑性質(zhì)及其混合比影響燃料、氧化劑性質(zhì)及其混合比影響n燃料種類 火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌怯捎谌剂系臒嵛锢硇再|(zhì)和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)不同造成。甲烷 乙烷丙烷丁烷乙烯 氫氣CO人工煤氣0.430.450.4870.4720.4530.793.45-3.570.175-0.191.0常用燃料層流時的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?1）v燃料濃度的影響火焰?zhèn)鞑ブ话l(fā)生在一定濃度界限內(nèi)

8、,燃料氣過貧或過富，火焰都無法傳播。在火焰?zhèn)鞑舛冉缦拗?，傳播速度等于零?兩者都在化學(xué)恰當(dāng)比濃度XFS附近達(dá)到最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?。氫氣預(yù)混氣比一氧化碳預(yù)混氣的火焰?zhèn)鞑舛冉缦抟枚唷?80H2/空氣CO/O2 0 20 40 60 80 10004080120160200240XfuL壓力的影響壓力的影響壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懭Q于反應(yīng)的壓力指數(shù)（n-2)/2壓力指數(shù)對uL的影響2/10WuLnpW 20nLpu0p22npuL20nLpu0-0.30.3201001000(n-2)/2uL2n2n初始溫度的影響初始溫度的影響初始溫度提高 實驗結(jié)果mLTu0m=1.52 經(jīng)驗公式2021

9、3011045. 0TTuuLLcm/s預(yù)熱到著火的時間縮短燃燒反應(yīng)帶溫度提高反應(yīng)速度加快氣體導(dǎo)熱系數(shù)增加 氣體密度減小?；鹧?zhèn)鞑ニ俣仍龃筇砑觿┑挠绊懱砑觿┑挠绊憂活性添加劑（H2） 火焰?zhèn)鞑ソ缦藓突鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣入S活性添加劑濃度改變而發(fā)生明顯變化。n惰性添加劑（CO2、N2、He） 火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p小，火焰?zhèn)鞑ソ缦蘅s小，火焰?zhèn)鞑O限向燃料濃度減小方向偏移。n催化劑（鉑、鈀、銫） 加入混合氣中對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔忻黠@的影響。加入H2對CO預(yù)混氣uL的影響加入CH4對CO預(yù)混氣uL的影響活性添加劑H2 CO%0 100100 00 40 800250uLXfCH4 CO%100001000 40 7006

10、0uLXf惰性添加劑0.81.400.5uL(m/s)當(dāng)量比0.81.400.5uL(m/s)當(dāng)量比加入N2對甲烷uL的影響加入CO2對甲烷uL的影響0%N250%N258.8%N20%CO225%CO232.1%CO2催化劑的影響催化劑的影響 CO/空氣反應(yīng)中加入水蒸汽： 干CO/空氣： 潮濕CO/空氣：m/s4020Lum/s106LuLu，濃度活性中心W)OHH,(層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量方法層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量方法肥皂泡法球彈法平面火焰法本生燈法測定方法分類 移動火焰測定法 駐定火焰測定法測定方法：肥皂泡法實際火焰?zhèn)鞑ニ俣裙剑篸drauL1其中fdDa03缺點：并非所有混氣適用受水分

11、影響實現(xiàn)困難移動火焰測量法球彈法球彈法火焰?zhèn)鞑ニ俣萪dpkprrRddruL2333優(yōu)點 可測定不同壓力下、溫度下的以及高壓情況下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?只適用火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓幕旌蠚庖苿踊鹧鏈y量法移動火焰測量法平面火焰法n駐定火焰測量法n使用專門的火焰燒嘴n火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔跉饬魉俣萵測量的結(jié)果準(zhǔn)確n適用于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的預(yù)混氣體。網(wǎng)格網(wǎng)格平面火焰平面火焰整流網(wǎng)整流網(wǎng)預(yù)混氣預(yù)混氣惰性氣體惰性氣體本生燈法本生燈法平均的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋簊inuuL或者22RHRVuL 駐定火焰測定法RHLu湍流火焰?zhèn)鞑ゲ煌紵俾蕰r湍流火焰表面不同燃燒速率時湍流火焰表面窄縫燃燒湍流火焰表面窄縫燃燒湍流火焰表面層流火焰和

12、湍流火焰的不同層流火焰和湍流火焰的不同層流火焰層流火焰湍流火焰湍流火焰外觀清晰，火焰層薄外觀清晰，火焰層薄外觀模糊，火焰層厚外觀模糊，火焰層厚長度較長長度較長長度較短長度較短火焰穩(wěn)定，表面光滑火焰穩(wěn)定，表面光滑火焰抖動，呈毛刷狀火焰抖動，呈毛刷狀燃燒時較安靜燃燒時較安靜燃燒時有噪聲燃燒時有噪聲流動面積小，粘度系數(shù)大流動面積小，粘度系數(shù)大 流動面積大，粘度系數(shù)小流動面積大，粘度系數(shù)小湍流火焰?zhèn)鞑ヌ攸c：層流火焰湍流火焰 湍流使火焰面變彎曲，增大反應(yīng)面積 湍流加劇了熱和活性中心的輸運速率，增大燃燒速率 湍流縮短混合時間，提高燃燒速率 湍流燃燒，燃燒加強(qiáng)，反應(yīng)率增大預(yù)混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果Re23

13、00, 實驗圖形實驗圖形1LTuu，層流狀態(tài) 2300Re6000, 21ReLTuu，小尺度湍流火焰 6000Re18000, BAuuLT0Re，大尺度湍流火焰1）鄧克爾實驗0 4 8 12 16 Re 20X10012345uT/uLRe對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶〕叨却蟪叨确祷?) 達(dá)郎托夫經(jīng)驗公式預(yù)混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果2）博林杰威廉姆斯經(jīng)驗公式24.0026.0Re18.0duuLT3 . 04 . 07 . 06 . 0)()(3 . 5LLTuuuu3 . 04 . 07 . 06 . 0)()(3 . 5LTLuuuuu時，預(yù)混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果) ,()Re,(0uuf

14、uufuLTLT湍流火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)驗公式總結(jié)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩兀?混合氣性質(zhì)、濃度、初溫、初壓，流動狀態(tài) 湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?混合氣的物理化學(xué)性質(zhì) 流動狀態(tài)（Re）湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚搉皺折表面理論 湍流脈動火焰面皺褶變形燃燒反應(yīng)表面積增大燃燒速度增大湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?實質(zhì)：火焰面褶皺到那里，就燃燒到那里。實質(zhì)：火焰面褶皺到那里，就燃燒到那里。n容積擴(kuò)散理論。 湍流混合強(qiáng)度決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣取?實質(zhì)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃扰c湍流脈動特性有關(guān)，實質(zhì)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃扰c湍流脈動特性有關(guān)，也與可燃物特性及著火燃燒條件有關(guān)。也與可燃物特性及著火燃燒條件有關(guān)。皺折表面理論層流及湍流火焰前鋒示意圖：1）

15、小尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ?1ReluuuLT)(Ll 湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/(ca 混合氣的物理化學(xué)性質(zhì) 流動狀態(tài)（Re）層流：auL湍流：TTau aauuTLT)/(caTTlu湍流擴(kuò)散系數(shù)（渦粘性系數(shù)）：ReduluaaT21ReluuuLT鄧克爾用本生燈湍流火焰實驗證實了此式。皺折表面理論模型2）大尺度弱湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ蚢luaauuLT121LLTLTuuAAuu進(jìn)一步發(fā)展的小尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ蚅Luul,皺折表面理論模型3）大尺度強(qiáng)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ虳LTuuu12LDluu12LLTluuu4）達(dá)朗托夫假定氣團(tuán)l0火焰速度uM=uL+u氣團(tuán)尺寸減小l火焰速度變?yōu)閡L

16、LLuul,皺折表面理論模型0lluuuddlLMLLTuuCuuu1ln火焰向氣團(tuán)內(nèi)部的傳播速度：3 . 04 . 07 . 06 . 0)()( 3 . 5LLTuuuu與實驗結(jié)論相吻合。容積擴(kuò)散理論微團(tuán)多個新的微團(tuán)強(qiáng)湍流脈動作用整體燃燒與其他微團(tuán)結(jié)合邊混合邊反應(yīng)達(dá)到著火條件沒達(dá)到著火條件湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃扰c湍流脈動特性有關(guān)，也與可燃物特湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣燃扰c湍流脈動特性有關(guān)，也與可燃物特性及著火燃燒條件有關(guān)。性及著火燃燒條件有關(guān)。湍流混合強(qiáng)度決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。湍流混合?qiáng)度決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。湍流兩種燃燒模型判據(jù)表面燃燒模型保持了層流火焰前鋒的基本結(jié)構(gòu)，燃燒表面積增大。解釋弱湍流。容積燃燒

17、模型混合氣微團(tuán)受到脈動的沖擊，表面燃燒已不存在，而是微團(tuán)整體的反應(yīng)。解釋強(qiáng)湍流。判據(jù)K定義：湍流脈動特征時間火焰前鋒燃燒特征時間mCCmLLttttuluK11/大尺度弱湍流：: ),( 1LLuulK皺褶表面理論起主要作用大尺度強(qiáng)湍流：),( 1LLuulK容積燃燒理論起主要作用大尺度較強(qiáng)湍流：）（LLuulK,1兩個理論都可以用火焰的穩(wěn)定性火焰穩(wěn)定概念： 沒吹熄（脫火），沒回火； 火焰區(qū)位置和體積穩(wěn)定。主要內(nèi)容： 火焰穩(wěn)定的條件 穩(wěn)定火焰的方法一維平面火焰穩(wěn)定的條件w0=uL,火焰駐定點火w0uLuLuLw0w0uL,產(chǎn)生吹熄（脫火）火焰穩(wěn)定條件uLw0本生燈口層流火焰穩(wěn)定機(jī)理本生燈火焰特

18、點：n 外凸邊緣火焰n 穿透距離（熄火距離）n 徑向火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?wn0最大，uL0最大 wnr最小，uLr最小wn0uL0wnruLr圓頂凸緣wn0uL0wnruLr圓頂凸緣本生燈口層流火焰穩(wěn)定機(jī)理onLwwu900cosw， ，火焰伸長w ， ，火焰變短 米海爾松顧己定律或余弦定律wwwnuL理想火焰面理想火焰面 切向速度sinwwt火焰微元段速度分析圓錐形火焰自動穩(wěn)定機(jī)理燈壁燈壁射流邊界射流邊界Rx1）管口0-0截面：外界大氣外界大氣ywiuLi0w0uL01w1uL1A2w2uL2BC3w3uL3D00wuL2）1-1截面 ： 1111AwuwuLL點：相切于、3）2-2截面 ：

19、22222222:,:CB:CBwuwuwuwuLLLL其余間點、相交于、4）3-3截面 ： 3333DwuwuLL點：相切于、點火熱源區(qū)分析圓錐形火焰自動穩(wěn)定機(jī)理區(qū)域收縮、火焰上移D燈壁射流邊界回火區(qū)外界大氣123Rw001yxwiuLiuL0A區(qū)域拉長、火焰下移點火熱源區(qū)收縮為零，出現(xiàn)吹熄點火熱源區(qū)進(jìn)入噴嘴內(nèi)，出現(xiàn)回火DAw,) 1DAw,)2max)3ww min)4ww回火和脫火的臨界條件（1）20201rrww0020rwdrdwrr2000.022rwwrdrVr030.0840dwrVdrdwGrr體積流量：噴嘴出口流速分布：徑向速度梯度：回火和脫火的臨界條件（2）030.084

20、0dwrVdrdwGrr臨界吹熄梯度GcrA臨界回火梯度GcrB臨界吹熄流量VcrA臨界回火流量VcrBf(w)f(V)Gd00一定：噴嘴尺寸一定，即火焰吹熄火焰回火回火和脫火的臨界條件（3）1）吹熄臨界極限比較陡峭脫火區(qū)火焰穩(wěn)定區(qū)回火區(qū)邊界速度梯度G00.7 0.81.45000500102燃?xì)庀鄬舛龋?/）1.0 1.22) 富燃料混合氣穩(wěn)定燃燒的工作范圍較大CH4/AIR混氣火焰穩(wěn)定特性3) 化學(xué)當(dāng)量比附近，混合氣最 容易回火，其臨界速度梯度GcrB4) 混合氣濃度確定，一固定噴嘴，回火臨界梯度是一個常數(shù)constdwrVGcrcrcrB030.84回火與脫火的臨界條件天然氣天然氣/空

21、氣在不同噴嘴孔徑時的空氣在不同噴嘴孔徑時的回火特性曲線回火特性曲線討論：討論：d0 易回火， GcrB d0 不易回火， GcrB d0 =constCf CfsCf Cfs最易回火GcrB Max回火與脫火的臨界條件n討論天然氣天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的空氣在不同噴嘴孔徑時的吹熄特性曲線吹熄特性曲線熄熄火火d0 不易吹熄， GcrA d0 易吹熄， GcrA d0 =constCf GcrA 防止回火的辦法基本方法基本方法1）噴口處的UL 2）混合氣在噴口處w 具體措施：具體措施：1）減小噴嘴孔徑大d0多個小d0，GcrB 2）冷卻噴嘴頭部T壁，T混合氣，UL 3）減小混合氣的1Cf偏離

22、Cfs，Cf UL 4）改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)和材料：外散熱好,內(nèi)散熱不好, T混合氣5）保持較高的噴嘴內(nèi)壓力6）采用擴(kuò)散燃燒1 0w 高速混合氣流的火焰穩(wěn)定穩(wěn)定火焰的方法鈍體穩(wěn)焰，旋轉(zhuǎn)射流或逆噴射流穩(wěn)焰，值班火焰穩(wěn)焰，突擴(kuò)通道或偏轉(zhuǎn)射流穩(wěn)焰鈍體穩(wěn)焰的機(jī)理 鈍體穩(wěn)焰器鈍體：高速氣流中放置的非流線型物體矩形截面V型截面圓形截面穩(wěn)定性好穩(wěn)定性差不同截面形狀的鈍體穩(wěn)焰器鈍體穩(wěn)焰的機(jī)理回流區(qū)：截面上軸向速度為負(fù)值的區(qū)域環(huán)流區(qū)：回流區(qū) 外側(cè)的順流區(qū)回流區(qū)回流區(qū)環(huán)流區(qū)環(huán)流區(qū)iiV型槽（鈍體）下游的流場火火焰焰鈍體穩(wěn)焰理論能量理論(1)n能量理論回流區(qū)熱量新鮮混合氣T0著火溫度TB吸熱回流區(qū)點火熱源提供的能量：WQVQr混合氣燃燒吸收的能量：)(0.TTCmQBps2.dwm)/(11gasairfConstpTdwQQnmrs速度梯度G鈍體穩(wěn)焰理論能量理論(2)討論：)/(11gasairfConstpTdwQQnmrs表明混合氣消耗能量與提供能量之比取決于混合氣性質(zhì)與燃燒反應(yīng)條件Qs/Qr ，維持火焰穩(wěn)定所需要的能量Qs/Qr 臨界值， 火焰就熄火Qs/Qr 臨界值VcrA，wcrA反應(yīng)級