擴(kuò)散火焰與預(yù)混火焰PPT課件

1、一、擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰的定義：1、擴(kuò)散燃燒： 可燃?xì)怏w從噴口噴出，在噴口處與空氣中的氧氣邊擴(kuò)散混合、邊燃燒的現(xiàn)象，稱為擴(kuò)散燃燒。例如：管道、容器泄露口發(fā)生的燃燒，天然氣井口發(fā)生變得井噴。第1頁/共62頁井噴煤氣泄露第2頁/共62頁2、燃燒速度： 取決于可燃?xì)怏w擴(kuò)散速度。 氣體擴(kuò)散的快，擴(kuò)散燃燒速度就快，氣體擴(kuò)散多少，擴(kuò)散燃燒反應(yīng)就燃燒多少。3、擴(kuò)散火焰：擴(kuò)散燃燒時(shí)所形成的火焰。第3頁/共62頁4、預(yù)混燃燒： 可燃?xì)怏w和氧氣（或空氣）預(yù)先混合成均勻的混合氣，混合氣在燃燒器內(nèi)進(jìn)行著火、燃燒的過程稱為預(yù)混燃燒。也稱動力燃燒，燃燒過程受可燃?xì)怏w的濃度、初始溫度、管道直徑等化學(xué)動力學(xué)因素的影響。例如：使

2、用氣焊氣割時(shí)，乙炔和氧氣的混合。本生燈。第4頁/共62頁第5頁/共62頁本生燈第6頁/共62頁5、燃燒速度： 取決于可燃?xì)怏w的濃度、初始溫度、管道直徑。過量空氣系數(shù)， 0.93；可以大大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度。6、預(yù)混火焰：預(yù)混燃燒時(shí)所形成的火焰。第7頁/共62頁二、擴(kuò)散火焰、預(yù)混火焰形狀：1、預(yù)混燃燒在燃燒前，燃料與氧氣已經(jīng)在燃燒器內(nèi)充分混合。它是相對于擴(kuò)散燃燒的另一種典型燃燒方式。根據(jù)預(yù)混氧化劑的含量是否能夠使燃料完全燃燒，分為部分預(yù)混和完全預(yù)混燃燒兩類。 第8頁/共62頁一 燃燒方式與火焰結(jié)構(gòu)第9頁/共62頁2、部分預(yù)混和完全預(yù)混燃燒用數(shù)值表示：一次空氣系數(shù)：燃?xì)饣旌系目諝饬颗c該燃?xì)馊紵睦碚?/p>

3、空氣量之比，用a1 表示。（1）0a1 r, m 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得很快，燃燒快慢主要取決于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得很快，燃燒快慢主要取決于混合速度混合速度，與化，與化學(xué)反應(yīng)速度關(guān)系不大學(xué)反應(yīng)速度關(guān)系不大預(yù)混燃燒：預(yù)混燃燒： m r, r 混合過程進(jìn)行得很快，燃燒快慢主要取決于混合過程進(jìn)行得很快，燃燒快慢主要取決于化學(xué)反應(yīng)速度化學(xué)反應(yīng)速度(化化學(xué)動力因素學(xué)動力因素)，與混合過程關(guān)系不大，與混合過程關(guān)系不大動力動力- -擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒燃燒的快慢既與化學(xué)動力因素有關(guān)，也與混合過程有關(guān)燃燒的快慢既與化學(xué)動力因素有關(guān)，也與混合過程有關(guān)第29頁/共62頁本生燈本生燈一次空氣消耗系數(shù)一次空氣消耗系數(shù)1：從底部吸入的空

4、氣為一次空氣量：從底部吸入的空氣為一次空氣量二次空氣消耗系數(shù)二次空氣消耗系數(shù)2：從出口引射所得的空氣為二次空氣量：從出口引射所得的空氣為二次空氣量總空氣消耗系數(shù)總空氣消耗系數(shù)： = 1 + 2（1） 1 =0，燃燒所需的空氣全部由外界環(huán)，燃燒所需的空氣全部由外界環(huán)境通過引射提供，屬于境通過引射提供，屬于擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒；（2） 1 1，從本生燈的底部供入的空氣充，從本生燈的底部供入的空氣充足，燃燒過程完全由化學(xué)反應(yīng)的快慢控制，足，燃燒過程完全由化學(xué)反應(yīng)的快慢控制，屬于屬于動力燃燒動力燃燒；（3） 01 1，當(dāng)管，當(dāng)管中混氣為貧油時(shí)中混氣為貧油時(shí)的動力火焰。此的動力火焰。此時(shí)混氣中有足夠時(shí)混氣中

5、有足夠氧氣，不需要從氧氣，不需要從外界獲取氧氣，外界獲取氧氣，故火焰光滑，隨故火焰光滑，隨著著1增大，火焰增大，火焰變長變長(b)1 =1，化，化學(xué)恰當(dāng)比下學(xué)恰當(dāng)比下的動力火焰。的動力火焰。此時(shí)溫度高，此時(shí)溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ倩鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤欤驶鸲瓤?，故火焰高度最短焰高度最?c)1 1，富油燃燒，富油燃燒，此時(shí)混氣燃料多而此時(shí)混氣燃料多而氧氣少，故有剩余氧氣少，故有剩余燃料。此時(shí)出現(xiàn)兩燃料。此時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)火焰鋒面，內(nèi)焰?zhèn)€火焰鋒面，內(nèi)焰大致相當(dāng)于大致相當(dāng)于1 =1的的動力型火焰，外焰動力型火焰，外焰面為剩余燃料經(jīng)擴(kuò)面為剩余燃料經(jīng)擴(kuò)散獲得外界氧氣燃散獲得外界氧氣燃燒而形成，稱為擴(kuò)燒而形成，稱為擴(kuò)散火

6、焰，內(nèi)焰溫度散火焰，內(nèi)焰溫度較高，外焰則較低較高，外焰則較低(d)1 =0，管，管中供應(yīng)的為中供應(yīng)的為純油氣。所純油氣。所需氧氣全部需氧氣全部從外界獲得，從外界獲得，故為純擴(kuò)散故為純擴(kuò)散燃燒，火焰燃燒，火焰最長最長第31頁/共62頁擴(kuò)散火焰擴(kuò)散火焰層流擴(kuò)散火焰層流擴(kuò)散火焰質(zhì)量擴(kuò)散以質(zhì)量擴(kuò)散以分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散形式實(shí)現(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)湍流擴(kuò)散火焰湍流擴(kuò)散火焰質(zhì)量擴(kuò)散以質(zhì)量擴(kuò)散以氣團(tuán)擴(kuò)散氣團(tuán)擴(kuò)散形式實(shí)現(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒過程取決于混合過程。流動速度、流動狀擴(kuò)散燃燒過程取決于混合過程。流動速度、流動狀態(tài)和混合方式等起決定性作用，而化學(xué)動力學(xué)參數(shù)態(tài)和混合方式等起決定性作用，而化學(xué)動力學(xué)參數(shù)影響不大影響不大強(qiáng)化擴(kuò)散

7、燃燒的有效措施是強(qiáng)化擴(kuò)散燃燒的有效措施是加強(qiáng)混合過程加強(qiáng)混合過程，改善摻，改善摻混條件混條件第32頁/共62頁第二節(jié)第二節(jié) 擴(kuò)散火焰特點(diǎn)擴(kuò)散火焰特點(diǎn)擴(kuò)散火焰不產(chǎn)生回火，但溫度低擴(kuò)散火焰不產(chǎn)生回火，但溫度低擴(kuò)散燃燒容易產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏臒岱纸鈹U(kuò)散燃燒容易產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏臒岱纸獾?3頁/共62頁湍流擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定性：湍流擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定性： 火焰既不被吹跑（脫火、吹熄）也不產(chǎn)生回火，火焰既不被吹跑（脫火、吹熄）也不產(chǎn)生回火，而是始終而是始終“懸掛懸掛”在管口。在管口。當(dāng)氣流速度過大時(shí)，擴(kuò)散火焰被吹熄當(dāng)氣流速度過大時(shí)，擴(kuò)散火焰被吹熄第34頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 層流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)層流擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)過通風(fēng)火

8、焰過通風(fēng)火焰氧化劑流量超過燃料燃燒氧化劑流量超過燃料燃燒所需的化學(xué)恰當(dāng)量（即總所需的化學(xué)恰當(dāng)量（即總的氧化劑過量）?；鹧婵康难趸瘎┻^量）。火焰靠近圓柱管的中心線上近圓柱管的中心線上欠通風(fēng)火焰欠通風(fēng)火焰燃料量超過化學(xué)計(jì)量值，燃料量超過化學(xué)計(jì)量值，（即燃料過量），火焰向（即燃料過量），火焰向外壁蔓延外壁蔓延第35頁/共62頁在在“快速化學(xué)反應(yīng)快速化學(xué)反應(yīng)”的極限條件下，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的極限條件下，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間chem遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于流動特征時(shí)間流動特征時(shí)間chem transport(或或diffusion)火焰結(jié)構(gòu)由反應(yīng)物和能量的分子火焰結(jié)構(gòu)由反應(yīng)物和能量的分子擴(kuò)散決定（即擴(kuò)散過程是最慢的、擴(kuò)散決定（

9、即擴(kuò)散過程是最慢的、控制反應(yīng)速度的過程），火焰可控制反應(yīng)速度的過程），火焰可以從分開燃料和氧化劑的表面取以從分開燃料和氧化劑的表面取一個(gè)薄層來模擬。一個(gè)薄層來模擬。火焰處燃料和氧化劑的質(zhì)量擴(kuò)散流率為火焰處燃料和氧化劑的質(zhì)量擴(kuò)散流率為化學(xué)恰當(dāng)比化學(xué)恰當(dāng)比。由于由于chem transport(或或diffusion)故燃料和氧化劑濃度在火焰面上為故燃料和氧化劑濃度在火焰面上為0第36頁/共62頁第37頁/共62頁第38頁/共62頁層流流動時(shí)，混合以分子擴(kuò)散形式進(jìn)行，在兩股對流交界層流流動時(shí)，混合以分子擴(kuò)散形式進(jìn)行，在兩股對流交界面上，燃料向空氣射流擴(kuò)散，空氣向燃料擴(kuò)散，在面上，燃料向空氣射流擴(kuò)散

10、，空氣向燃料擴(kuò)散，在=1處處形成火焰鋒面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)物濃度在火焰鋒面，燃料濃度和氧氣濃度均為零，燃料產(chǎn)物濃度達(dá)到最大值，然后向兩側(cè)擴(kuò)散達(dá)到最大值，然后向兩側(cè)擴(kuò)散焰面外側(cè)：焰面外側(cè)：空氣空氣+ +燃燒產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物焰面內(nèi)側(cè)：焰面內(nèi)側(cè)：燃料燃料+ +燃燒產(chǎn)物燃燒產(chǎn)物焰面：焰面：燃料與空氣的理論濃度為零燃料與空氣的理論濃度為零第39頁/共62頁層流擴(kuò)散火焰的溫度和各組分濃度的分布規(guī)律層流擴(kuò)散火焰的溫度和各組分濃度的分布規(guī)律第40頁/共62頁第41頁/共62頁在射流速度較低時(shí)，火焰保持層流狀態(tài)，火焰前沿面光滑、穩(wěn)定、明亮、清晰隨著射流速度增加，火焰高度增加，直

11、到某一最大值，此時(shí)火焰仍然保持層流在增大射流速度，頂部開始出現(xiàn)顫動、皺折、破裂，表明端部出現(xiàn)湍流，由于湍流脈動，湍流擴(kuò)散混合加快，燃燒速度增加，使火焰高度縮短繼續(xù)增加射流速度，火焰端部的湍流區(qū)長度增加，開始顫動、皺折、破裂的點(diǎn)（轉(zhuǎn)變點(diǎn)）向噴口方向移動，火焰的總高度則明顯縮短，直到破裂點(diǎn)靠近噴口。此時(shí)火焰達(dá)到完全湍流狀態(tài)，此后破裂點(diǎn)位置不變（或與管口距離略有縮短）、火焰高度趨于定值，但噪音增加第四節(jié)第四節(jié) 湍流擴(kuò)散火焰湍流擴(kuò)散火焰第42頁/共62頁擴(kuò)散燃燒火焰長度的變化規(guī)律擴(kuò)散燃燒火焰長度的變化規(guī)律（1 1）層流擴(kuò)散火焰區(qū)層流擴(kuò)散火焰區(qū)：火焰高度（長度）與氣流速度成正：火焰高度（長度）與氣流速度

12、成正比，（流速增加，擴(kuò)散系數(shù)變化不大，隨著流速上升，火比，（流速增加，擴(kuò)散系數(shù)變化不大，隨著流速上升，火焰長度增加）；焰長度增加）；（2 2）擴(kuò)散火焰過渡區(qū)擴(kuò)散火焰過渡區(qū)：火焰高度（長度）隨氣流速度的增：火焰高度（長度）隨氣流速度的增大而減小，噴嘴附近為層流火焰，上部為湍流火焰，氣流大而減小，噴嘴附近為層流火焰，上部為湍流火焰，氣流速度越大，層流狀火焰長度越短；速度越大，層流狀火焰長度越短；（3 3）湍流火焰區(qū)湍流火焰區(qū)：氣流速度大于臨界速度后，氣流離開噴：氣流速度大于臨界速度后，氣流離開噴口便呈湍流狀態(tài)，火焰長度不隨氣流速度而變化（流速增口便呈湍流狀態(tài)，火焰長度不隨氣流速度而變化（流速增加，

13、擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)增加，火焰長度變化不大，但是火焰有加，擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)增加，火焰長度變化不大，但是火焰有褶皺和噪音）褶皺和噪音）第43頁/共62頁火焰高度火焰高度RRvvRevRDvRHDQDQHttmml222:;:2:湍流擴(kuò)散系數(shù)體積流量層流第44頁/共62頁根據(jù)射流形式不同，湍流擴(kuò)散火焰大致可分為：根據(jù)射流形式不同，湍流擴(kuò)散火焰大致可分為：（1 1）自由射流湍流擴(kuò)散火焰）自由射流湍流擴(kuò)散火焰（2 2）受限射流湍流擴(kuò)散火焰）受限射流湍流擴(kuò)散火焰（3 3）同心射流湍流擴(kuò)散火焰）同心射流湍流擴(kuò)散火焰（4 4）旋轉(zhuǎn)射流湍流擴(kuò)散火焰）旋轉(zhuǎn)射流湍流擴(kuò)散火焰（5 5）逆向射流湍流擴(kuò)散火焰）逆向射流湍流擴(kuò)散火焰

14、第45頁/共62頁相對于層流擴(kuò)散火焰，湍流擴(kuò)散火焰要復(fù)雜得多，很難用分相對于層流擴(kuò)散火焰，湍流擴(kuò)散火焰要復(fù)雜得多，很難用分析的方法求解。主要靠析的方法求解。主要靠數(shù)值方法數(shù)值方法求解。也有一些關(guān)于火焰長求解。也有一些關(guān)于火焰長度和半徑的度和半徑的經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式對于燃料自由射流產(chǎn)生的垂直火焰，取決于以下對于燃料自由射流產(chǎn)生的垂直火焰，取決于以下4個(gè)因素：個(gè)因素：（1）初始射流動量通量與作用在火焰上的力之比，即火焰弗初始射流動量通量與作用在火焰上的力之比，即火焰弗盧德數(shù)盧德數(shù)Frf（2）化學(xué)恰當(dāng)燃料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）化學(xué)恰當(dāng)燃料質(zhì)量百分?jǐn)?shù)fs=1/(L0+1)（3）噴管內(nèi)流體密度與環(huán)境氣體密度之比）噴

15、管內(nèi)流體密度與環(huán)境氣體密度之比e/ （4）初始射流直徑）初始射流直徑di第46頁/共62頁2/1*2/14/12/3/:,/:/:）（即動量直徑綜合為一個(gè)參數(shù)直徑與初始射流境密度之比將噴管內(nèi)流體密度與環(huán)為出口流速為燃燒特征溫度，其中火焰弗盧德數(shù)定義如下ejjjeefjfeerfdddvTgdTTfvF第47頁/共62頁235:)07. 01 (5 .135:)/(:*5/125/2*2/1*LFFFLFdfLLdfLLrfrfrfrfjsfejsf驗(yàn)公式為，無因次火焰長度的經(jīng)在動量其主要作用區(qū)域驗(yàn)公式為，無因次火焰長度的經(jīng)在浮力起主要作用區(qū)域或式無因次火焰長度經(jīng)驗(yàn)公第48頁/共62頁第49頁/

16、共62頁第50頁/共62頁第51頁/共62頁第52頁/共62頁第53頁/共62頁第54頁/共62頁第55頁/共62頁甲烷射流火焰的長度比丙烷小的原因：甲烷射流火焰的長度比丙烷小的原因：（1）出口動量對甲烷射流火焰長度的影響其主要作用，使得）出口動量對甲烷射流火焰長度的影響其主要作用，使得甲烷射流火焰的無量綱長度比丙烷的長；甲烷射流火焰的無量綱長度比丙烷的長；（2）甲烷出口密度很小，使得動量直徑顯著變小，這個(gè)較?。┘淄槌隹诿芏群苄。沟脛恿恐睆斤@著變小，這個(gè)較小的動量直徑是使得甲烷火焰長度變小的關(guān)鍵因素（盡管甲烷的動量直徑是使得甲烷火焰長度變小的關(guān)鍵因素（盡管甲烷的化學(xué)計(jì)量系數(shù)比丙烷小，但它的影響比動量直徑要小得多）的化學(xué)計(jì)量系數(shù)比丙烷小，但它的影響比動量直徑要小得多）第56頁/共62頁濃度的距離濃度下降到化學(xué)恰當(dāng)比為沿噴管軸線燃料平均