火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性

關(guān)于火焰?zhèn)鞑ズ突鹧娣€(wěn)定性第1頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰分類預(yù)混合火焰錐體按火焰面位置：移動火焰和駐定火焰移移動火焰基本概念第2頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰——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)鞑ハ氯ァＭ牧骰鹧妗鹧婷娴臒崃亢突钚灾行南蛭慈蓟旌蠚廨斶\(yùn)是依靠流體的渦團(tuán)運(yùn)動來激發(fā)和強(qiáng)化，受流體運(yùn)動狀態(tài)支配。層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第3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰前沿（前鋒、波前）已燃?xì)庑迈r混氣火焰前沿已燃的區(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)第4頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰的傳播速度已燃?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。第5頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五平面火焰的傳播方式正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣龋ň徰娌ǎ╊A(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點火不正?；鹧?zhèn)鞑ィū鸩ǎ?/p>

第6頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?/p>

層流火焰?zhèn)鞑ダ碚摲譃椋簾崃碚?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)制同時起作用。第7頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰結(jié)構(gòu)及其特征Cf,0T0TiTm火焰前鋒駐定u0=uLTm,Cf,0up,Tmi+x-xw火焰結(jié)構(gòu)及參數(shù)分布示意圖Cf0→0第8頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰結(jié)構(gòu)及其特征火焰前沿分兩個區(qū)：物理預(yù)熱區(qū)和化學(xué)反應(yīng)區(qū)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。第9頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃燒前沿的導(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：第10頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達(dá)式（1）在預(yù)熱區(qū)：反應(yīng)速度W近似為零積分后：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：第11頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L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：第12頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L表達(dá)式（2）拐點處：則求得傳播速度為：第13頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萿L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)第14頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五在固定火焰、穩(wěn)定燃燒條件下：導(dǎo)入熱量獲得熱焓量火焰?zhèn)鞑ニ俣群暧^角度分析：第15頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五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)在典型溫度和壓力下的經(jīng)驗公式：

參考溫度下：式中：

時：第16頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃料(cm/s)(cm/s)甲醇丙烷異辛烷RMFD-3031.11.081.131.1336.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34第17頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五例題：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）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。第18頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩厝剂?、氧化劑性質(zhì)及其混合比壓力初始溫度添加劑第19頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五燃料、氧化劑性質(zhì)及其混合比影響燃料種類—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0.43～0.450.4870.4720.4530.793.45-3.570.175-0.191.0常用燃料層流時的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋é?1）第20頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五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),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/O202040608010004080120160200240XfuL第21頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五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0-0.30.3201001000(n-2)/2uL第22頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五初始溫度的影響初始溫度提高

實驗結(jié)果m=1.5~2

經(jīng)驗公式cm/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)鞑ニ俣仍龃蟮?3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五添加劑的影響活性添加劑（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。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。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。第24頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五加入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H2CO%01001000040800250uLXfCH4

CO%1000010004070060uLXf第25頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五惰性添加劑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第26頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五催化劑的影響

CO/空氣反應(yīng)中加入水蒸汽：干CO/空氣：潮濕CO/空氣：第27頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰?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：第28頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五肥皂泡法實際火焰?zhèn)鞑ニ俣裙剑浩渲腥秉c：并非所有混氣適用受水分影響實現(xiàn)困難移動火焰測量法第29頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五球彈法火焰?zhèn)鞑ニ俣葍?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?/p>

只適用火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓幕旌蠚庖苿踊鹧鏈y量法第30頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五平面火焰法駐定火焰測量法使用專門的火焰燒嘴火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔跉饬魉俣葴y量的結(jié)果準(zhǔn)確適用于火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的預(yù)混氣體。網(wǎng)格平面火焰整流網(wǎng)預(yù)混氣惰性氣體第31頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五本生燈法平均的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋夯蛘?/p>

駐定火焰測定法RHLu第32頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流火焰?zhèn)鞑サ?3頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五不同燃燒速率時湍流火焰表面窄縫燃燒湍流火焰表面第34頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五層流火焰和湍流火焰的不同層流火焰湍流火焰外觀清晰，火焰層薄外觀模糊，火焰層厚長度較長長度較短火焰穩(wěn)定，表面光滑火焰抖動，呈毛刷狀燃燒時較安靜燃燒時有噪聲流動面積小，粘度系數(shù)大流動面積大，粘度系數(shù)小第35頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流火焰?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(yùn)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)率增大第36頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五預(yù)混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果·Re<2300,實驗圖形，層流狀態(tài)2300<Re<6000,，小尺度湍流火焰6000<Re<18000,，大尺度湍流火焰1）鄧克爾實驗第37頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五0481216Re20X10012345uT/uLRe對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懶〕叨却蟪叨确祷氐?8頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五3)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)驗公式第39頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五預(yù)混氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y(jié)果湍流火焰?zhèn)鞑ソ?jīng)驗公式總結(jié)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懸蛩兀夯旌蠚庑再|(zhì)、濃度、初溫、初壓，流動狀態(tài)

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)

流動狀態(tài)（Re）第40頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚摪櫿郾砻胬碚撏牧髅}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?/p>

實質(zhì)：火焰面褶皺到那里，就燃燒到那里。容積擴(kuò)散理論。

湍流混合強(qiáng)度決定了火焰?zhèn)鞑ニ俣?。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)。第41頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論層流及湍流火焰前鋒示意圖：1）小尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ偷?2頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)

流動狀態(tài)（Re）層流：湍流：湍流擴(kuò)散系數(shù)（渦粘性系數(shù)）：鄧克爾用本生燈湍流火焰實驗證實了此式。第43頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論模型2）大尺度弱湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ瓦M(jìn)一步發(fā)展的小尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ偷?4頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論模型3）大尺度強(qiáng)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣饶Ｐ?）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第45頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五皺折表面理論模型火焰向氣團(tuán)內(nèi)部的傳播速度：與實驗結(jié)論相吻合。第46頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五容積擴(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?。?7頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五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：第48頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五大尺度弱湍流：皺褶表面理論起主要作用大尺度強(qiáng)湍流：容積燃燒理論起主要作用大尺度較強(qiáng)湍流：兩個理論都可以用第49頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五火焰的穩(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)定火焰的方法第50頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五一維平面火焰穩(wěn)定的條件w0=uL,火焰駐定點火w0uLuLuLw0w0<uL,產(chǎn)生回火w0>uL,產(chǎn)生吹熄（脫火）火焰穩(wěn)定條件uLw0第51頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五本生燈口層流火焰穩(wěn)定機(jī)理本生燈火焰特點：外凸邊緣火焰穿透距離（熄火距離）徑向火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌?/p>

wn0最大，uL0最大

wnr最小，uLr最小wn0uL0wnruLr圓頂凸緣第52頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五wn0uL0wnruLr圓頂凸緣第53頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五本生燈口層流火焰穩(wěn)定機(jī)理w↑，θ↑，火焰伸長w↓，θ↓，火焰變短

米海爾松－顧己定律或余弦定律wwτwnuL理想火焰面θ

切向速度火焰微元段速度分析第54頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五第55頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五圓錐形火焰自動穩(wěn)定機(jī)理燈壁射流邊界Rx1）管口0-0截面：外界大氣ywiuLi0w0uL01w1uL1A2w2uL2BC3w3uL3D2）1-1截面：3）2-2截面：4）3-3截面：點火熱源區(qū)分析第56頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五圓錐形火焰自動穩(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)回火第57頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火和脫火的臨界條件（1）體積流量：噴嘴出口流速分布：徑向速度梯度：第58頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火和脫火的臨界條件（2）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VcrB火焰吹熄火焰回火第59頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五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G00.70.81.45000500102燃?xì)庀鄬舛龋?/α）1.01.22)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)第60頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火與脫火的臨界條件天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的回火特性曲線討論：d0

↑易回火，GcrB↑d0

↓不易回火，GcrB↓d0=constCf↓

<CfsGcrB↓d0=constGcrB↓回火Cf↑

>CfsCf

≈Cfs最易回火GcrBMax第61頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五回火與脫火的臨界條件討論天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的吹熄特性曲線熄火d0

↑不易吹熄，GcrA↑d0

↓易吹熄，GcrA↓d0=constCf↑GcrA↑第62頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五防止回火的辦法基本方法1）噴口處的UL

↓2）混合氣在噴口處w↑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α1Cf偏離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α1

＝0w↑第63頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五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)焰第64頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(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)焰器第65頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(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)環(huán)流區(qū)iiV型槽（鈍體）下游的流場火焰第66頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(wěn)焰理論－能量理論(1)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：混合氣燃燒吸收的能量：速度梯度G第67頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五鈍體穩(wěn)焰理論－能量理論(2)討論：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)級數(shù)n=2,T=const,P=const第68頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五特征時間理論：鈍體穩(wěn)焰理論－特征時間理論τs－新鮮混合氣在回流區(qū)外邊界停留的時間τi－新鮮混合氣點燃過程的感應(yīng)期τS>τi混合氣被不斷加熱，火焰才能穩(wěn)定住τS<τi或τi/τS>臨界值火焰將熄滅火焰穩(wěn)定取決于兩個特征時間的相對大小。第69頁，共80頁，2022年，5月20日，7點10分，星期五討論鈍體穩(wěn)焰理論－特征時間理論能量理論與特征時間理論的穩(wěn)定性準(zhǔn)則關(guān)系式基本相同回火和熄火都與速度梯度有關(guān)系P，T=const,d↑有利于火焰穩(wěn)定燃