7-擴(kuò)散火焰資料

燃燒學(xué)

7-集中火焰火焰分類集中火焰特點(diǎn)層流集中火焰湍流集中火焰第一節(jié)火焰分類一集中燃燒與預(yù)混燃燒概念預(yù)混火焰在發(fā)生化學(xué)反響之前，反響物已經(jīng)均勻地混合，預(yù)混射流〔燃料與空氣混合物〕直接形成的火焰集中火焰在發(fā)生化學(xué)反響之前，燃料和氧化劑是分開的，依靠分子集中和整體的對(duì)流運(yùn)動(dòng)〔湍流集中〕使反響物分子在某一個(gè)區(qū)域混合，接著進(jìn)展燃燒反響燃料燃燒所需的時(shí)間τ=τm+τr燃料與空氣混合時(shí)間τm流淌特征時(shí)間燃燒反響時(shí)間τr化學(xué)反響時(shí)間Da=τm/τr集中燃燒：τm>>τr,τ≈τm化學(xué)反響進(jìn)展得很快，燃燒快慢主要取決于混合速度，與化學(xué)反響速度關(guān)系不大預(yù)混燃燒：τm<<τr,τ≈τr混合過程進(jìn)展得很快，燃燒快慢主要取決于化學(xué)反響速度(化學(xué)動(dòng)力因素)，與混合過程關(guān)系不大動(dòng)力-集中燃燒燃燒的快慢既與化學(xué)動(dòng)力因素有關(guān)，也與混合過程有關(guān)本生燈一次空氣消耗系數(shù)α1：從底部吸入的空氣為一次空氣量二次空氣消耗系數(shù)α2：從出口引射所得的空氣為二次空氣量總空氣消耗系數(shù)：α=α1+α2〔1〕α1=0，燃燒所需的空氣全部由外界環(huán)境通過引射供給，屬于集中燃燒；〔2〕α1≥1，從本生燈的底部供入的空氣充分，燃燒過程完全由化學(xué)反響的快慢掌握，屬于動(dòng)力燃燒；〔3〕0<α1<1,燃燒既有一次空氣混合物的預(yù)混燃燒，也有剩余燃料的集中燃燒，屬于動(dòng)力-集中燃燒。(a)α1>1，當(dāng)管中混氣為貧油時(shí)的動(dòng)力火焰。此時(shí)混氣中有足夠氧氣，不需要從外界獵取氧氣，故火焰光滑，隨著α1增大，火焰變長(b)α1=1，化學(xué)恰當(dāng)比下的動(dòng)力火焰。此時(shí)溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，故火焰高度最?c)α1<1，富油燃燒，此時(shí)混氣燃料多而氧氣少，故有剩余燃料。此時(shí)消失兩個(gè)火焰鋒面，內(nèi)焰大致相當(dāng)于α1=1的動(dòng)力型火焰，外焰面為剩余燃料經(jīng)集中獲得外界氧氣燃燒而形成，稱為集中火焰，內(nèi)焰溫度較高，外焰則較低(d)α1=0，管中供給的為純油氣。所需氧氣全部從外界獲得，故為純集中燃燒，火焰最長集中火焰層流集中火焰質(zhì)量集中以分子集中形式實(shí)現(xiàn)湍流集中火焰質(zhì)量集中以氣團(tuán)集中形式實(shí)現(xiàn)集中燃燒過程取決于混合過程。流淌速度、流淌狀態(tài)和混合方式等起打算性作用，而化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響不大強(qiáng)化集中燃燒的有效措施是加強(qiáng)混合過程，改善摻混條件其次節(jié)集中火焰特點(diǎn)集中火焰溫度低集中燃燒簡潔產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏臒岱纸馔牧骷谢鹧娴姆€(wěn)定性：火焰既不被吹跑〔脫火、吹熄〕也不產(chǎn)生回火，而是始終“懸掛”在管口。當(dāng)氣流速度過大時(shí)，集中火焰被吹熄〔推舉和吹熄〕推舉：氣流速度足夠大時(shí)，射流火焰會(huì)被從管口推舉起來，火焰根部與管口距離為推舉高度，增大流速，推舉高度增加，直至吹熄第三節(jié)層流集中火焰2023/11/711射流火焰的物理描述Burke-Schumann簡化理論描述2023/11/7121.射流火焰的物理描述層流射流的燃燒與等溫射流類似：燃料一邊沿著軸向流淌一邊快速向外集中，同時(shí)氧化劑〔如空氣〕快速向內(nèi)集中。BurkeandSchumann(1928)給出了非預(yù)混火焰最早理論分析。Burke-SchumannFlame(BSF)是一種受限的層流氣體非預(yù)混火焰！術(shù)語：ConfinedJetBSF試驗(yàn)臺(tái)fromProf.J.Y.ChenUCBerkeleyUnderventilatedflame〔欠通風(fēng)火焰〕2023/11/713(1)Burke-Schumann非預(yù)混火焰的兩種狀況過通風(fēng)火焰過通風(fēng)火焰欠通風(fēng)火焰過通風(fēng)火焰Peclet數(shù)對(duì)流/集中過通風(fēng)火焰氧化劑流量超過燃料燃燒所需的化學(xué)恰當(dāng)量〔即總的氧化劑過量〕?；鹧婵拷鼒A柱管的中心線上欠通風(fēng)火焰燃料量超過化學(xué)計(jì)量值，〔即燃料過量〕，火焰向外壁集中2023/11/715燃料一邊沿著軸向流淌一邊快速向外集中，同時(shí)氧化劑〔如空氣〕快速向內(nèi)集中。在流場中，燃料和氧化劑之比為化學(xué)當(dāng)量比的點(diǎn)就構(gòu)成了火焰外表。層流非預(yù)混火焰(特征一)：火焰外表定義過通風(fēng)非預(yù)混火焰2023/11/716在這里需要留意的是，雖然燃料和氧化劑在火焰處都消耗了，但是產(chǎn)物的組成成分只和Φ的取值有關(guān)，因此當(dāng)量比仍舊有意義。產(chǎn)物在火焰外表形成后，就向著內(nèi)外側(cè)快速集中。對(duì)于富氧燃燒，四周存在著過量的氧化劑，火焰長度Lf可以這樣定義：火焰外表定義2023/11/717在整個(gè)火焰中，發(fā)生化學(xué)反響的區(qū)域通常來說是很窄的，就像圖9.4中看到的一樣，在到達(dá)火焰頂部以前，高溫的反響區(qū)是一個(gè)環(huán)形的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域可以通過一個(gè)簡潔的試驗(yàn)顯示出來，即在本生燈的火焰前面垂直于軸線放置一個(gè)金屬濾網(wǎng)，在火焰區(qū)對(duì)應(yīng)的地方濾網(wǎng)就會(huì)受熱而發(fā)光，就可以看到這種環(huán)形的構(gòu)造。層流非預(yù)混火焰(特征二)：火焰長度定義2023/11/718在垂直火焰的上部，由于氣體較熱，浮力的作用就不能不考慮了。浮力的存在在加快氣體流淌的同時(shí)，也使火焰變窄。由質(zhì)量守恒定律我們知道，當(dāng)速度變大時(shí)，流體的流線將變得彼此靠近。也就導(dǎo)致了燃料的濃度梯度dYF/dr的增加，也增加了集中作用。層流非預(yù)混火焰(特征三)：浮力的影響2023/11/719在碳?xì)浠衔锏娜紵鹧嬷?，由于常常?huì)有碳黑存在，火焰就可能呈現(xiàn)為橙色或黃色。層流非預(yù)混火焰(特征四)：碳煙Soot的產(chǎn)生2023/11/7202023/11/721假設(shè)有充分的時(shí)間碳煙就會(huì)在反響區(qū)的燃料側(cè)生成并在流向氧化區(qū)過程中不斷被氧化、消耗由于燃料和火焰停留時(shí)間的不同，在燃料側(cè)形成的碳煙在向高溫氧化區(qū)移動(dòng)的過程中可能無法被完全氧化在這種狀況下，soot就會(huì)沖出火焰而形成碳黑的“翼”，這局部從火焰中出來的碳黑就是我們通常說的說的煙。2023/11/722圖9.6是一個(gè)乙烯火焰的照片，在圖中可以看到焰舌的右邊消失了碳黑翼。2023/11/723在層流噴射非預(yù)混火焰中，還有一個(gè)突出的特點(diǎn)，就是火焰長度和初始條件之間的關(guān)系。對(duì)于圓口火焰來說，火焰長度和初始速度以及管徑都無關(guān)，但是和初始體積流量QF有關(guān)。再由于QF=veπR2，不同ve和R的組合也可以得到一樣的火焰長度。層流非預(yù)混火焰(特征五)：火焰長度-流量的關(guān)聯(lián)2023/11/7242023/11/725由此可以看出，火焰長度確實(shí)是和體積流量成正比而且還和燃料的化學(xué)當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比。這就意味著假設(shè)燃料完全燃燒需要較少的空氣，那么燃燒的火焰也就較短。2023/11/7262.簡化理論描述最早的關(guān)于層流噴射集中火焰的理論描述是Burke和Schumann[4]在1928年發(fā)表的。雖然做了很多假設(shè)，例如認(rèn)為速度場在每個(gè)地方的分布都是恒定，并且平行于火焰軸，他們的理論也僅能夠較為合理地對(duì)軸對(duì)稱〔如圓口〕火焰的火焰長度進(jìn)展求解。在此之后，其他的爭論者對(duì)其理論進(jìn)展擴(kuò)展提煉，但始終保存著恒速這一假設(shè)。2023/11/7272-1根本假設(shè)1、流淌為穩(wěn)定的軸對(duì)稱層流，燃料由半徑為R的圓形噴嘴噴出，在靜止的、無限大的、布滿氧化劑的空間里燃燒。2、只有燃料、氧化劑和產(chǎn)物三種物質(zhì)存在，火焰面內(nèi)部只存在燃料和產(chǎn)物，火焰外部只存在氧化劑和產(chǎn)物。3、火焰外表，燃料和氧化劑按化學(xué)當(dāng)量比進(jìn)展反響?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)速度無限快，意味著火焰只存在于一個(gè)無限薄的薄層里；這就是通常說的“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)。4、物質(zhì)間的集中為遵從費(fèi)克定律的簡潔二元集中。5、熱集中率和質(zhì)量集中率相等，即路易斯數(shù)〔Le=α/D〕等于1。6、無視輻射換熱。7、只考慮徑向的動(dòng)量、熱和物質(zhì)集中，而無視軸向的各種集中；8、火焰的軸線垂直向上。2023/11/728“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)在“快速化學(xué)反響”的極限條件下，化學(xué)反響時(shí)間τchem遠(yuǎn)小于流淌特征時(shí)間Τchem<<τtransport(或τdiffusion)火焰構(gòu)造由反響物和能量的分子集中打算〔即集中過程是最慢的、掌握反響速度的過程〕，火焰可以從分開燃料和氧化劑的外表取一個(gè)薄層來模擬?；鹧嫣幦剂虾脱趸瘎┑馁|(zhì)量集中流率為化學(xué)恰當(dāng)比。由于Τchem<<τtransport(或τdiffusion)故燃料和氧化劑濃度在火焰面上為02023/11/7302-2根本守恒方程質(zhì)量守恒軸向動(dòng)量守恒這個(gè)方程適用于整個(gè)空間，即火焰面內(nèi)部和外部都適用，并且在火焰薄片處保持連續(xù)。浮力影響2023/11/731物質(zhì)守恒火焰片假設(shè)給出了火焰面內(nèi)、外的產(chǎn)物質(zhì)量產(chǎn)率()均為零這一條件，全部的化學(xué)反響現(xiàn)象都表達(dá)在邊界條件里面，因此(7.20)可以寫作：產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：2023/11/732能量守恒〔火焰面的前、后〕反響放熱是邊界條件，其中邊界為火焰外表。2023/11/733附加關(guān)系和方程歸結(jié)狀態(tài)方程：5個(gè)方程：質(zhì)量，動(dòng)量，燃料，氧化劑和能量5個(gè)未知的函數(shù)：任務(wù)困難未知的火焰面位置：引入守恒標(biāo)量表示。2023/11/734守恒標(biāo)量的概念這里我們只爭論其中的兩個(gè)：一個(gè)是下面定義的混合物分?jǐn)?shù)；一個(gè)是前面提到的混合物確定焓。2023/11/735混合分?jǐn)?shù)：f,Z在燃料中為1，在氧化劑中為0!!!2023/11/7362023/11/7372023/11/738守恒標(biāo)量能量方程最原始式子2023/11/7392-3新建立的4個(gè)守恒方程a.混合物分?jǐn)?shù)守恒方程(New)b.確定焓守恒方程(New)c.連續(xù)性方程d.動(dòng)量守恒方程2023/11/740(a)守恒標(biāo)量的推導(dǎo)混合分?jǐn)?shù)：f的邊界條件由于在火焰處f=fstoic，所以只要知道了f(r,x)的分布，也就能得到火焰的位置。2023/11/741(b)確定焓守恒方程能量方程可以寫為：和混合分?jǐn)?shù)一樣，h在火焰面也連續(xù)，其邊界條件如下：如何構(gòu)造2023/11/742(c-d)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程質(zhì)量守恒軸向動(dòng)量守恒這個(gè)方程適用于整個(gè)空間，即火焰面內(nèi)部和外部都適用，并且在火焰片處保持連續(xù)。2023/11/743我們只需要用守恒量來代替物質(zhì)組分方程和能量方程，這對(duì)連續(xù)方程和軸向動(dòng)量方程沒有影響，因此不對(duì)前面得到的(9.23)和(9.24)做變換。速度的邊界條件和非反響射流的邊界條件一樣：最終，要確定密度：(r,x)2023/11/7442-4無量綱方程在這里，我們使用噴嘴半徑R為特征長度，噴嘴出口速度ve為特征速度來定義下面的無量綱空間坐標(biāo)和速度：2023/11/745混合分?jǐn)?shù)f〔0≤f≤1〕本身就是一個(gè)無量綱變量，可以直接使用。而混合物確實(shí)定焓h具有量綱，對(duì)此則做如下定義：留意，在燒嘴出口，h=hF,e且h*=1；而在環(huán)境中(r),h*=02023/11/746再定義如下的無量綱密度，來使掌握方程完全無量綱化：其中e是燒嘴出口的燃料密度2023/11/747將這些無量綱變量和參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的物理量聯(lián)系起來，再代入前面的根本守恒方程里面，就可以得到下面的無量綱掌握方程：連續(xù)性軸向動(dòng)量雷諾數(shù)和Freud數(shù)2023/11/748混合分?jǐn)?shù)無量綱焓2023/11/749上述方程無量綱的邊界條件為：中心線R無窮遠(yuǎn)中心線對(duì)稱出口2023/11/750通過觀看這些無量綱掌握方程和邊界條件，我們可以結(jié)論：首先，混合分?jǐn)?shù)和無量綱焓的方程以及邊界條件是一樣的形式，就是說f和h*在各自的掌握方程里的所處的地位是一樣的。因此只需要對(duì)(9.38)和(9.39)中的一個(gè)進(jìn)展求解就可以了，例如已經(jīng)解出了f(r*,x*)，那么就可以認(rèn)為h*(r*,x*)=f(r*,x*)。2023/11/751附加假設(shè)假設(shè)無視浮力的作用，那么軸向動(dòng)量方程(9.37)的右邊項(xiàng)就為零，這個(gè)方程和混合分?jǐn)?shù)以及無量綱焓方程相比照，就只有其中的μ和后者中的ρD是不一樣的了。假設(shè)再假設(shè)μ和ρD相等，那么問題就可以得到進(jìn)一步的簡化。施密特?cái)?shù)Sc定義如下：假設(shè)μ=ρD，那么即施密特?cái)?shù)為1〔Sc=1〕。前面已經(jīng)做了熱集中率和質(zhì)量集中率相等的假設(shè)〔Le=1〕。2023/11/752無視了浮力的作用，并做了Sc=1這個(gè)假設(shè)，前面的軸向動(dòng)量、混合分?jǐn)?shù)〔物質(zhì)〕和焓〔能量〕方程〔9.37～9.39〕就可以用下面這個(gè)統(tǒng)一的式子來表達(dá)：式中的通用變量=vx*=f=h*，雷諾數(shù)Re=eveR/。2023/11/753狀態(tài)關(guān)系式為了對(duì)上述射流火焰的問題進(jìn)展求解，需要將無量綱密度ρ*〔=ρ/ρe〕和混合分?jǐn)?shù)或其它任何一個(gè)守恒量聯(lián)系起來。為此將引入抱負(fù)氣體狀態(tài)方程(9.28)，但是這又必需知道各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度，因此接下來要做的就是將各組分的Yi和T表示為混合分?jǐn)?shù)的函數(shù)，然后就可以得到所需要的函數(shù)關(guān)系式ρ=ρ(f)了。對(duì)于我們考慮的簡潔系統(tǒng)，在火焰內(nèi)部只有燃料和產(chǎn)物，火焰外只有氧化劑和產(chǎn)物〔參見假設(shè)2〕，需要確定的是下面的狀態(tài)關(guān)系式：2023/11/7542023/11/755由火焰面的假設(shè)〔假設(shè)3〕，對(duì)于火焰內(nèi)、火焰面處和火焰外的YF、YOx和YPr，都可以用混合分?jǐn)?shù)的定義將其同f聯(lián)系起來，如圖9.7所示，其關(guān)系為：2023/11/756火焰內(nèi)部(fstoic<f1)2023/11/757在火焰面上(f=fstoic)2023/11/758火焰外部(0f<fstoic)2023/11/759由上面的結(jié)論可知全部組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都與混合分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系，如圖9.8所示。2023/11/760為了將混合物的溫度表示為混合物分?jǐn)?shù)f的函數(shù)，還需要引入熱量狀態(tài)方程(2.4)。像前面幾章那樣，這里也應(yīng)用Spalding理論，并做下面的假設(shè)：1、全部組分的比熱均為常數(shù)，并且彼此相等，即cp,F=cp,Ox=cp,Pr≡cp。2、氧化劑和產(chǎn)物的生成焓均為零，即hof,Ox=hof,Pr=0。這就使得燃料的生成焓和燃燒熱相等。狀態(tài)關(guān)系式-溫度分布2023/11/761將(9.48)代入無量綱焓h*的定義式(9.35e)中，并利用掌握方程中h*=f這一相像性，可以得到：2023/11/762式中用到了和這兩個(gè)焓定義式。通過求解(9.49)，再留意到Y(jié)F也是混合分?jǐn)?shù)f的函數(shù)，就可以得到關(guān)于T的狀態(tài)關(guān)系式：2023/11/763將YF在火焰內(nèi)、火焰面處和火焰外的表達(dá)式〔9.44a、9.45a和9.46a〕代入(9.50)，就可以得到下面的結(jié)論：火焰內(nèi)部(fstoic<f1)2023/11/764在火焰面上(f=fstoic)火焰外部(0f<fstoic)2023/11/765溫度在火焰面內(nèi)部和外部均為線性分布，并在火焰面處到達(dá)最大值層流流淌時(shí)，混合以分子集中形式進(jìn)展，在兩股對(duì)流交界面上，燃料向空氣射流集中，空氣向燃料集中，在α=1處形成火焰鋒面在火焰鋒面，燃料濃度和氧氣濃度均為零，燃料產(chǎn)物濃度到達(dá)最大值，然后向兩側(cè)集中焰面外側(cè)：空氣+燃燒產(chǎn)物焰面內(nèi)側(cè)：燃料+燃燒產(chǎn)物焰面：燃料與空氣的理論濃度為零層流集中火焰的溫度和各組分濃度的分布規(guī)律2023/11/7713火焰高度的影響因素a)流率和幾何外形的影響圖9.9中將圓口燃燒器和不同長寬比的槽形口燃燒器的火焰長度的比照.(各種狀況下的噴口面積都相等，因此平均出口速度也都相等)從圖中可以看到，圓口燃燒器的火焰長度和燃料的體積流率成線性關(guān)系，而槽形口燃燒器的火焰長度對(duì)燃料體積流量的變化率呈上升趨勢(shì)。1.火焰的弗勞德數(shù)都很小，即火焰是受浮力掌握的2.當(dāng)h/d變大時(shí)，火焰會(huì)明顯地變短2023/11/772b)影響化學(xué)當(dāng)量的因素前面得出式子里面，用到了化學(xué)當(dāng)量摩爾比S這個(gè)概念，它是用噴射流體和環(huán)境流體來定義的：可以看出，噴射流體和環(huán)境流體的化學(xué)成分都會(huì)影響到S的值。例如，對(duì)于純?nèi)剂虾陀玫獨(dú)庀♂尯蟮娜剂显诳諝庵腥紵@兩種狀況，它們的S的取值就不同。類似的，氧氣在環(huán)境流體中的摩爾分?jǐn)?shù)也會(huì)影響到S。在大多數(shù)的應(yīng)用中，我們關(guān)心的主要是下面的幾個(gè)參數(shù)對(duì)S的影響。2023/11/773b-1)燃料類型對(duì)于純?nèi)剂希瘜W(xué)當(dāng)量摩爾空燃比可以依據(jù)簡潔的原子平衡來計(jì)算。對(duì)于碳?xì)浠衔顲xHy，這個(gè)比值依據(jù)下面的式子來計(jì)算,其中xO2是空氣中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)。2023/11/774在圖9.10給出了由圓口表達(dá)式(9.60)計(jì)算得出的氫氣、一氧化碳以及含1-4個(gè)碳的烷烴的火焰相對(duì)長度。(其中的每種狀況均具有一樣的燃料流率，并都以甲烷的火焰長度為標(biāo)準(zhǔn))。在這個(gè)式子中，認(rèn)為各種混合物都具有一樣的平均集中系數(shù)，這只是一個(gè)近似的假設(shè)；而對(duì)于氫氣來說，這個(gè)假設(shè)根本就不合理。一氧化碳和氫氣的火焰和碳?xì)浠衔锏南啾纫痰枚唷?023/11/775b-2)一次風(fēng)對(duì)一個(gè)應(yīng)用層流射流集中火焰的燃?xì)庠O(shè)備，通常在氣體燃料在燃燒以前都要和空氣進(jìn)展局部預(yù)混，這局部預(yù)混的空氣就是一次風(fēng)。一次風(fēng)量一般為完全燃燒所需空氣量的40-60℅，它使得燃燒的火焰變短，防止了碳黑的生成，通常會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色的火焰。引入一次風(fēng)量的最大值受到了安全性的限制，假設(shè)參加的量過大，就可能超過可燃上限(richflammabilty)，即此時(shí)混合物具備形成預(yù)混火焰條件。此時(shí)，燃燒中可能有回火現(xiàn)象，當(dāng)氣流速度足夠大就可能產(chǎn)生類似Bunsen燈內(nèi)焰的預(yù)混火焰。2023/11/776一次風(fēng)量會(huì)影響到火焰長度，圖9.11中給出了一次風(fēng)對(duì)圓口燃燒器中甲烷火焰長度的影響狀況。一次風(fēng)量為40-60℅時(shí)，Lf和不加一次風(fēng)相比，減小了85－90℅。在參加一次風(fēng)狀況下，可以將噴射流體當(dāng)作是純?nèi)剂虾涂諝獾幕旌衔?，來?jì)算(9.71)定義的化學(xué)當(dāng)量摩爾比S：其中ψpri是一次風(fēng)量占所需空氣的百分比，Spure是純?nèi)剂蠈?duì)應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量摩爾比。2023/11/777b-3)氧化劑的含氧量氧化劑中的含氧量對(duì)火焰長度的影響很大，由圖9.1