第5章 著火與熄火過(guò)程

1、第第5章著火與熄火過(guò)程章著火與熄火過(guò)程要求：掌握不同著火方式的特點(diǎn)及影響著要求：掌握不同著火方式的特點(diǎn)及影響著火、熄火的因素與規(guī)律，理解熱自燃理論、火、熄火的因素與規(guī)律，理解熱自燃理論、強(qiáng)迫著火理論及熄火理論。強(qiáng)迫著火理論及熄火理論。概述概述q燃燒裝置的基本要求：燃燒裝置的基本要求：從無(wú)化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。從無(wú)化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。q 熄火熄火從穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)向無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。從穩(wěn)定強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)向無(wú)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。q著火著火 迅速、可靠地點(diǎn)火迅速、可靠地點(diǎn)火 穩(wěn)定的燃燒穩(wěn)定的燃燒 防火、防爆防火、防爆概述概述q著火機(jī)理著火機(jī)理熱自燃機(jī)理：熱

2、自燃機(jī)理：當(dāng)預(yù)混可燃?xì)怏w受到外部熱源加熱，混合當(dāng)預(yù)混可燃?xì)怏w受到外部熱源加熱，混合氣體溫度升高到一定值后，化學(xué)反應(yīng)放熱量大于散熱量，氣體溫度升高到一定值后，化學(xué)反應(yīng)放熱量大于散熱量，系統(tǒng)由于熱量的積累又促使混氣溫度繼續(xù)升高，反應(yīng)速系統(tǒng)由于熱量的積累又促使混氣溫度繼續(xù)升高，反應(yīng)速率和放熱速率加大，這種相互促進(jìn)作用的結(jié)果，導(dǎo)致著率和放熱速率加大，這種相互促進(jìn)作用的結(jié)果，導(dǎo)致著火火 化學(xué)自燃機(jī)理：化學(xué)自燃機(jī)理：如果在可燃混氣中存在鏈載體，且鏈載如果在可燃混氣中存在鏈載體，且鏈載體產(chǎn)生速率大于鏈載體銷毀速率時(shí)，即使在常溫條件下，體產(chǎn)生速率大于鏈載體銷毀速率時(shí)，即使在常溫條件下，反應(yīng)速率也可以自動(dòng)加快而

3、達(dá)到著火。這類著火通常不反應(yīng)速率也可以自動(dòng)加快而達(dá)到著火。這類著火通常不需要由外界給予熱量需要由外界給予熱量 概述概述q著火方式著火方式自發(fā)著火：自發(fā)著火：一定體積的可燃混氣加熱到某一溫度，在一定體積的可燃混氣加熱到某一溫度，在該溫度下，可燃混合氣體所釋放的熱量大于散熱量，該溫度下，可燃混合氣體所釋放的熱量大于散熱量，反應(yīng)能自行持續(xù)下去，而不需要外部再提供熱量，或反應(yīng)能自行持續(xù)下去，而不需要外部再提供熱量，或者可燃混氣中含有初始的鏈載體，且鏈載體產(chǎn)生的速者可燃混氣中含有初始的鏈載體，且鏈載體產(chǎn)生的速率大于銷毀的速度，使反應(yīng)能自行持續(xù)下去，這種現(xiàn)率大于銷毀的速度，使反應(yīng)能自行持續(xù)下去，這種現(xiàn)象稱

4、為自發(fā)著火象稱為自發(fā)著火 強(qiáng)迫著火：強(qiáng)迫著火：又稱點(diǎn)火。在可燃混氣內(nèi)某處，用外部能源又稱點(diǎn)火。在可燃混氣內(nèi)某處，用外部能源點(diǎn)著一層混合氣體，而后火焰燃燒波就自動(dòng)傳播到混氣點(diǎn)著一層混合氣體，而后火焰燃燒波就自動(dòng)傳播到混氣的其余部分，因此強(qiáng)迫著火就是火焰的局部引發(fā)及相繼的其余部分，因此強(qiáng)迫著火就是火焰的局部引發(fā)及相繼的火焰?zhèn)鞑サ幕鹧鎮(zhèn)鞑?概述概述q著火方式的區(qū)別與聯(lián)系著火方式的區(qū)別與聯(lián)系 鏈鎖（化學(xué)）自燃與熱自燃均為整個(gè)空間的著火過(guò)鏈鎖（化學(xué)）自燃與熱自燃均為整個(gè)空間的著火過(guò)程，鏈鎖自燃基于鏈鎖反應(yīng)機(jī)理，熱自燃基于熱活程，鏈鎖自燃基于鏈鎖反應(yīng)機(jī)理，熱自燃基于熱活化機(jī)理，但前者也有熱的作用，后者也有

5、活性中間化機(jī)理，但前者也有熱的作用，后者也有活性中間產(chǎn)物的作用。產(chǎn)物的作用。 熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別在于整體加熱與局部加熱，著熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別在于整體加熱與局部加熱，著火機(jī)理均基于熱活化?；饳C(jī)理均基于熱活化。概述概述q影響著火與熄火的因素影響著火與熄火的因素化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素：化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素：燃料性質(zhì)、混氣成分、環(huán)境溫度燃料性質(zhì)、混氣成分、環(huán)境溫度流體力學(xué)因素：流體力學(xué)因素：氣流速度、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸氣流速度、燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸著火的熱自燃理論著火的熱自燃理論一、著火條件一、著火條件在一定的初始條件（閉口系統(tǒng)）或邊界條件（開口系統(tǒng)）在一定的初始條件（閉口系統(tǒng)）或邊界條件（開口系統(tǒng)）下，由于化學(xué)反應(yīng)的劇烈加

6、速，使反應(yīng)系統(tǒng)在某個(gè)瞬間或空下，由于化學(xué)反應(yīng)的劇烈加速，使反應(yīng)系統(tǒng)在某個(gè)瞬間或空間的某部分達(dá)到高溫反應(yīng)態(tài)（即燃燒態(tài)），那么實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)間的某部分達(dá)到高溫反應(yīng)態(tài)（即燃燒態(tài)），那么實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)渡的初始條件或邊界條件為渡的初始條件或邊界條件為“著火條件著火條件”。著火條件不是一著火條件不是一個(gè)簡(jiǎn)單的初溫條件，而是化學(xué)動(dòng)力參數(shù)和流體力學(xué)參數(shù)的綜個(gè)簡(jiǎn)單的初溫條件，而是化學(xué)動(dòng)力參數(shù)和流體力學(xué)參數(shù)的綜合函數(shù)。合函數(shù)。0),(00udPTf0),(00udPTxfi閉口系統(tǒng)：閉口系統(tǒng)：開口系統(tǒng)：開口系統(tǒng)：著火的熱自燃理論著火的熱自燃理論一、著火條件一、著火條件利于著火的因素：反應(yīng)放熱（放熱量與放熱速率）利于著火的

7、因素：反應(yīng)放熱（放熱量與放熱速率）不利于著火的因素：散熱不利于著火的因素：散熱分析著火、熄火的基本出發(fā)點(diǎn)：分析著火、熄火的基本出發(fā)點(diǎn)：著火、熄火就是反應(yīng)放熱因素與散熱因素著火、熄火就是反應(yīng)放熱因素與散熱因素相互作用的結(jié)果。如果在某一系統(tǒng)中反應(yīng)放熱相互作用的結(jié)果。如果在某一系統(tǒng)中反應(yīng)放熱占優(yōu)勢(shì)，則著火容易發(fā)生（或熄火不易發(fā)生），占優(yōu)勢(shì)，則著火容易發(fā)生（或熄火不易發(fā)生），反之，則著火不易，熄火容易。反之，則著火不易，熄火容易。著火的熱自燃理論著火的熱自燃理論一、著火條件一、著火條件非穩(wěn)態(tài)分析法非穩(wěn)態(tài)分析法穩(wěn)態(tài)分析法穩(wěn)態(tài)分析法著火、熄火條件的分析方法：著火、熄火條件的分析方法：著火前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)

8、，如著火前系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果達(dá)到著火條件，則這種穩(wěn)定態(tài)就果達(dá)到著火條件，則這種穩(wěn)定態(tài)就不可能存在，在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為方程不可能存在，在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為方程的解不存在。的解不存在。著火是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，考察著火是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，考察過(guò)程隨時(shí)間變化，確定著火條件過(guò)程隨時(shí)間變化，確定著火條件著火的熱自燃理論著火的熱自燃理論二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法分析對(duì)象：閉口系統(tǒng)分析對(duì)象：閉口系統(tǒng)分析理論：熱自燃理論分析理論：熱自燃理論熱自燃理論熱自燃理論：基本思想：基本思想：反應(yīng)放熱曲線與系統(tǒng)向環(huán)境散熱曲線相切。反應(yīng)放熱曲線與系統(tǒng)向環(huán)境散熱曲線相切。（范特霍夫、利恰及利耶、謝苗諾夫）（范特霍夫、利恰及利耶、謝

9、苗諾夫）當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)與周圍介質(zhì)間熱平衡被破壞時(shí)就發(fā)生著火。當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)與周圍介質(zhì)間熱平衡被破壞時(shí)就發(fā)生著火。著火臨界條件：著火臨界條件：二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法分析模型：分析模型：在密閉容器中儲(chǔ)存在密閉容器中儲(chǔ)存著具有一定初始溫度的著具有一定初始溫度的可燃混合氣，在進(jìn)行化可燃混合氣，在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，也通過(guò)學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，也通過(guò)容器向外界散熱。容器向外界散熱。 結(jié)果是在容器內(nèi)形成了溫度梯度和濃度梯度，即在容器中心，結(jié)果是在容器內(nèi)形成了溫度梯度和濃度梯度，即在容器中心，混氣的溫度較高、濃度較低；在器壁附近，混氣的濃度較高、混氣的溫度較高、濃度較低；在器壁附近，混氣的濃度較高、溫度較低。溫度

10、較低。計(jì)算單位容積計(jì)算單位容積內(nèi)的放熱速率內(nèi)的放熱速率溫度分布溫度分布濃度分布濃度分布導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程擴(kuò)散微分方程擴(kuò)散微分方程謝苗諾夫提出了一種簡(jiǎn)化謝苗諾夫提出了一種簡(jiǎn)化的熱理論，他認(rèn)為容器內(nèi)混氣的熱理論，他認(rèn)為容器內(nèi)混氣的溫度和濃度是均勻的，它們的溫度和濃度是均勻的，它們只隨時(shí)間變化。只隨時(shí)間變化。二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化：（1）容器體積為）容器體積為V，表面積為，表面積為A，內(nèi)，內(nèi)部充滿了溫度為部充滿了溫度為 T0 ，濃度為，濃度為 0 的可的可燃混氣。燃混氣。（2）開始時(shí)，混氣的溫度與外界環(huán)境溫度一樣為）開始時(shí)，混氣的溫度與外界環(huán)境溫度一樣為 T0 ，反應(yīng)過(guò)，反

11、應(yīng)過(guò)程中，混氣的溫度為程中，混氣的溫度為T，并且隨時(shí)間而變化。這時(shí)容器內(nèi)的溫，并且隨時(shí)間而變化。這時(shí)容器內(nèi)的溫度和濃度仍是均勻的。度和濃度仍是均勻的。 （3）外界和容器壁之間有對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)為）外界和容器壁之間有對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)為 ，它，它不隨溫度變化。不隨溫度變化。二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法熱平衡方程：熱平衡方程：)(00TTAVQWdtdTCVv2100)(qqTTVAQWdtdTCv著火成敗取決于放熱量與散熱量的相互關(guān)系及其隨著火成敗取決于放熱量與散熱量的相互關(guān)系及其隨溫度而增長(zhǎng)的性質(zhì)。分析溫度而增長(zhǎng)的性質(zhì)。分析q1和和q2隨溫度的變化，就可以隨溫度的變化，就可以得出

12、系統(tǒng)的著火特點(diǎn)，并導(dǎo)出著火的臨界條件。得出系統(tǒng)的著火特點(diǎn)，并導(dǎo)出著火的臨界條件。二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火臨界點(diǎn)：著火臨界點(diǎn)：C點(diǎn)：非穩(wěn)定點(diǎn)，兩點(diǎn)：非穩(wěn)定點(diǎn)，兩種發(fā)展方向，對(duì)熱自種發(fā)展方向，對(duì)熱自燃而言不可能出現(xiàn)的燃而言不可能出現(xiàn)的工況。工況。A點(diǎn)：穩(wěn)定點(diǎn)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)：穩(wěn)定點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)反應(yīng)速率很小于一個(gè)反應(yīng)速率很小的緩慢氧化工況。的緩慢氧化工況。B點(diǎn)：臨界工況。點(diǎn)：臨界工況。二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù) 的影響：的影響：二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火溫度：著火溫度：dTdqdTdqqq2121VARTEQRTEyKTTVAQRTEyKBBniBBni)

13、/()/exp()()()/exp()(200000ERTTTBB/20二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火溫度：著火溫度：ETRRERETB04122ETRRERETB04122ERTTETRERTRERETB/)/2/21 (22200220200TTB若：E167 kJ / mol, T0=1000K, 則：0050TTTB二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法熱自燃特性：熱自燃特性：1)/exp()/(000020RTERTypQKARTVEniVARTEQRTEyKRTpTTBBniB)/()/exp()(/2000000二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法熱自燃特性：熱自燃特性：當(dāng)當(dāng)n=2（

14、二級(jí)反應(yīng)）時(shí)，（二級(jí)反應(yīng)）時(shí)，1)/exp(020040320RTEyQKTARVEp1)/exp(020034020RTEyEVQKARTp020032002ln21lnRTEyEVQKARTp謝苗諾夫方程謝苗諾夫方程二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法熱自燃的濃度界限：熱自燃的濃度界限：020032002ln21lnRTEyEVQKARTp二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火感應(yīng)期著火感應(yīng)期 i ：當(dāng)混氣由初始狀態(tài)達(dá)當(dāng)混氣由初始狀態(tài)達(dá)到溫度急速上升所經(jīng)歷的到溫度急速上升所經(jīng)歷的時(shí)間。時(shí)間。 210qqdtdTCV二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火感應(yīng)期著火感應(yīng)期 i ：在著火感應(yīng)期內(nèi)，反應(yīng)物

15、的濃度：在著火感應(yīng)期內(nèi)，反應(yīng)物的濃度：000/ )(WyyBiByy0000/0000)(RTEneykW00000TTTTyyymBB)()(00TTCyyQBvBVBmBBCQTTTTTTyyy)(00000)/exp()(0000200RTEyEQkCRTnVi二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火感應(yīng)期著火感應(yīng)期 i ：對(duì)于烴類燃料，反應(yīng)級(jí)數(shù)近似為二級(jí)：對(duì)于烴類燃料，反應(yīng)級(jí)數(shù)近似為二級(jí)：常數(shù))()/exp(20030200yEQKTCRRTEpVi 壓力、溫度下降時(shí)，感應(yīng)期增大。壓力、溫度下降時(shí)，感應(yīng)期增大。相對(duì)于指數(shù)中的相對(duì)于指數(shù)中的T0，其，其影響很小，可視為常數(shù)影響很小，可視為常數(shù)

16、二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托特斯理論托特斯理論1)/exp(02RTEKQARTEVnss簡(jiǎn)化謝苗諾夫的著火條件，得到更嚴(yán)格的著火感應(yīng)簡(jiǎn)化謝苗諾夫的著火條件，得到更嚴(yán)格的著火感應(yīng)期解。期解。12ssQwARTEV二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托特斯理論托特斯理論引入兩個(gè)時(shí)間量：引入兩個(gè)時(shí)間量：sCw化學(xué)反應(yīng)時(shí)間化學(xué)反應(yīng)時(shí)間熱松馳時(shí)間熱松馳時(shí)間AVCVr二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托特斯理論托特斯理論無(wú)化學(xué)反應(yīng)時(shí)的能量方程：無(wú)化學(xué)反應(yīng)時(shí)的能量方程：)(TTAdtdTCVV設(shè)設(shè)t0時(shí)時(shí)T=T1，積分：，積分：VCVAtTTTTexp1AVCVr二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托

17、特斯理論托特斯理論eTTTT1設(shè)設(shè)tr時(shí)時(shí)即：當(dāng)受熱為即：當(dāng)受熱為T=T-T的氣體，由于器壁的散熱而的氣體，由于器壁的散熱而使溫度使溫度T下降下降e倍所需的時(shí)間。倍所需的時(shí)間。二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托特斯理論托特斯理論用化學(xué)反應(yīng)時(shí)間用化學(xué)反應(yīng)時(shí)間c來(lái)歸并化學(xué)動(dòng)力參數(shù)：來(lái)歸并化學(xué)動(dòng)力參數(shù)：EsRTnoscwke自燃時(shí)的反應(yīng)速率，可以自燃時(shí)的反應(yīng)速率，可以根據(jù)自燃時(shí)的溫度確定根據(jù)自燃時(shí)的溫度確定 二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托特斯理論托特斯理論2RTCEQVsrC12ssQwARTEV托特斯著火臨界條件托特斯著火臨界條件用特征時(shí)間簡(jiǎn)化謝苗諾夫的自燃條件：用特征時(shí)間簡(jiǎn)化謝苗諾夫的自

18、燃條件：二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n托特斯理論托特斯理論n著火感應(yīng)期著火感應(yīng)期ERTQwCssVi2考慮濃度變化考慮濃度變化22111)exp(112exp1ZZZZeTTTREkmosi不考慮濃度變化不考慮濃度變化TTRTEZm2二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基理論弗朗克卡門涅茨基理論ERTQwCessVi211pnconstRTEiiln)1 (ln.ln二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火感應(yīng)期著火感應(yīng)期 i ：二、非穩(wěn)態(tài)分析法二、非穩(wěn)態(tài)分析法著火感應(yīng)期著火感應(yīng)期 i ：三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n穩(wěn)態(tài)分析法穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法弗朗克卡門涅茨基

19、穩(wěn)態(tài)分析法sswQgradTdiv)(密閉容器中無(wú)自然對(duì)流的混氣，存在化學(xué)反密閉容器中無(wú)自然對(duì)流的混氣，存在化學(xué)反應(yīng)及導(dǎo)熱效應(yīng)，在穩(wěn)定條件下的能量方程：應(yīng)及導(dǎo)熱效應(yīng)，在穩(wěn)定條件下的能量方程：e無(wú)因次化：無(wú)因次化：TTRTE222LRTEQwssLzLyLx;,三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法n著火條件著火條件,.constc不同的參數(shù)不同的參數(shù)會(huì)形成不同的溫度會(huì)形成不同的溫度分布，而著火意分布，而著火意味著由可能存在的穩(wěn)態(tài)到不可能存在的穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡。味著由可能存在的穩(wěn)態(tài)到不可能存在的穩(wěn)態(tài)的過(guò)渡。存在某一臨界值存在某一臨界值c時(shí)，使時(shí)，使的解成為某

20、個(gè)具有臨界性質(zhì)的解成為某個(gè)具有臨界性質(zhì)的特解時(shí)，只要的特解時(shí)，只要稍做變化，就使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解過(guò)渡到稍做變化，就使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解過(guò)渡到不能具有穩(wěn)態(tài)解。不能具有穩(wěn)態(tài)解。三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法n著火條件著火條件eedd22edmdd22平板容器平板容器柱形容器柱形容器 m=1球形容器球形容器 m=2C的計(jì)算：的計(jì)算：三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法n著火條件著火條件edd22C的計(jì)算：的計(jì)算：以平板容器為例以平板容器為例0,01,0dd邊界條件：邊界條件：三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡

21、門涅茨基穩(wěn)弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法態(tài)分析法n著火條件著火條件C的計(jì)算：的計(jì)算：2222coshcoshln2cosh2coshlnaa,雙曲余弦雙曲余弦( )2zzeech z三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法n著火條件著火條件2/12cosh00.88CCdd三、穩(wěn)態(tài)分析法三、穩(wěn)態(tài)分析法n弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法弗朗克卡門涅茨基穩(wěn)態(tài)分析法n著火條件著火條件ERTTTc22 . 122LRTEQwssc開口系統(tǒng)熱自燃分析開口系統(tǒng)熱自燃分析n著火位置著火位置 對(duì)開口系統(tǒng)也需要確定在什么樣的邊界條件下才對(duì)開口系統(tǒng)也需要確定在什么樣的邊界條件下才能

22、著火以及在空間何處著火。為了解決這個(gè)問(wèn)題，能著火以及在空間何處著火。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可把系統(tǒng)不具備著火條件看成是具備著火條件的位可把系統(tǒng)不具備著火條件看成是具備著火條件的位置出現(xiàn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，這樣著火條件和著火延遲兩個(gè)置出現(xiàn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處，這樣著火條件和著火延遲兩個(gè)概念就合二為一了，對(duì)著火問(wèn)題的分析就歸結(jié)為尋概念就合二為一了，對(duì)著火問(wèn)題的分析就歸結(jié)為尋找著火位置的問(wèn)題。找著火位置的問(wèn)題。開口系統(tǒng)熱自燃分析開口系統(tǒng)熱自燃分析n著火位置著火位置定常流動(dòng)系統(tǒng)中，能量守恒方程和擴(kuò)散方程為定常流動(dòng)系統(tǒng)中，能量守恒方程和擴(kuò)散方程為 ：()()psv grad C TdivgradTw Q()FFFsv gra

23、dYdiv DgradYw開口系統(tǒng)熱自燃分析開口系統(tǒng)熱自燃分析n著火位置著火位置無(wú)量綱化：無(wú)量綱化：, , , , FFFxyzLLLYTYTYvuuFFDTDT ssswww 開口系統(tǒng)熱自燃分析開口系統(tǒng)熱自燃分析n著火位置著火位置1()( )PrnspwLu graddivgradReC T u 1()( )nsFFFwLu gradYdivgradYRe ScYu ,FFoxoxYYYYuuTT邊界條件：邊界條件：開口系統(tǒng)熱自燃分析開口系統(tǒng)熱自燃分析n著火位置著火位置方程的通解：方程的通解：,FTlpFFDlYQPeDC TYYPeD,RePrTPe,ReDPeSc貝克萊貝克萊（Pecle

24、t）數(shù)）數(shù) ,flcfFcsDLuYw鄧克勒第一準(zhǔn)則停留時(shí)間反應(yīng)時(shí)間開口系統(tǒng)熱自燃分析開口系統(tǒng)熱自燃分析n著火位置著火位置,(,)0FTDlpYQf PePeDC T(,)0FlpYQf PeDC T著火條件：著火條件：在在Le=1的情況下的情況下: 開口系統(tǒng)中的熱自燃分析開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件弗朗克弗朗克-卡門涅茨基對(duì)閉口系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析法看作是卡門涅茨基對(duì)閉口系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析法看作是定常流動(dòng)系統(tǒng)中的歐拉分析方法定常流動(dòng)系統(tǒng)中的歐拉分析方法定常流的兩種分析方法：定常流的兩種分析方法：拉格郎日分析法：把坐標(biāo)建立在某個(gè)單元體上，追拉格郎日分析法：把坐標(biāo)建立在某個(gè)單元體上，追

25、蹤該單元體的參數(shù)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。蹤該單元體的參數(shù)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)軌跡的變化。歐拉方法：考察整個(gè)流場(chǎng)空間中的參數(shù)隨位置的變歐拉方法：考察整個(gè)流場(chǎng)空間中的參數(shù)隨位置的變化規(guī)律化規(guī)律謝苗諾夫?qū)﹂]口系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)分析法看作是定謝苗諾夫?qū)﹂]口系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)分析法看作是定常流動(dòng)系統(tǒng)中的拉格郎日分析法常流動(dòng)系統(tǒng)中的拉格郎日分析法開口系統(tǒng)中的熱自燃分析開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件拉格郎日分析法：追蹤微元體（閉系）拉格郎日分析法：追蹤微元體（閉系）sspQwgradTdivdtdTC能量方程：能量方程：ssssQTwgradTdivTQwgradTdiv著火條件：著火條件：開口系統(tǒng)中的熱自燃分析

26、開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件 graddivgraddivnn無(wú)量綱化：無(wú)量綱化： CCC著火條件：著火條件：PeTCQfLTQwPeuTCLQwpssCfsspss2開口系統(tǒng)中的熱自燃分析開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件TT能量方程：能量方程：TdxuTdTTVFgradTdivTTdgradTdiv4開口系統(tǒng)中的熱自燃分析開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件 142dLgraddivn無(wú)量綱化：無(wú)量綱化： dL24 11 21RTE ssww開口系統(tǒng)中的熱自燃分析開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件 CC2111CCRTE二次近似

27、：二次近似：ERTC1一次近似：一次近似：1C開口系統(tǒng)中的熱自燃分析開口系統(tǒng)中的熱自燃分析n開系著火條件開系著火條件TLQwERTdLss224著火條件著火條件dQwRTEss42ERTdLdLCC224141ssCCwwCC強(qiáng)迫著火（點(diǎn)燃）強(qiáng)迫著火（點(diǎn)燃）熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別：熱自燃與點(diǎn)燃的區(qū)別：熱自燃：熱自燃：整個(gè)混合氣的溫度較高，反應(yīng)和著火是在容器整個(gè)混合氣的溫度較高，反應(yīng)和著火是在容器的整個(gè)空間進(jìn)行的。的整個(gè)空間進(jìn)行的。點(diǎn)燃：點(diǎn)燃：混合氣的溫度較低，混合氣的部分氣體受到高溫混合氣的溫度較低，混合氣的部分氣體受到高溫點(diǎn)火源的加熱而反應(yīng)，而在混合氣的大部分空間中其化學(xué)反點(diǎn)火源的加熱而反應(yīng)，而

28、在混合氣的大部分空間中其化學(xué)反應(yīng)為零，其著火是在局部地區(qū)首先發(fā)生，然后向空間傳播。應(yīng)為零，其著火是在局部地區(qū)首先發(fā)生，然后向空間傳播。常見的點(diǎn)燃方式：常見的點(diǎn)燃方式：熾熱平板點(diǎn)火、火焰點(diǎn)火、電火花點(diǎn)火等熾熱平板點(diǎn)火、火焰點(diǎn)火、電火花點(diǎn)火等強(qiáng)迫著火強(qiáng)迫著火一、熱平板點(diǎn)燃理論一、熱平板點(diǎn)燃理論惰性混氣流過(guò)熾熱平板惰性混氣流過(guò)熾熱平板燃料與氧化劑的均勻混氣燃料與氧化劑的均勻混氣流過(guò)熾熱平板流過(guò)熾熱平板強(qiáng)迫著火強(qiáng)迫著火一、熱平板點(diǎn)燃理論一、熱平板點(diǎn)燃理論0siyTxx強(qiáng)迫著火強(qiáng)迫著火一、熱平板點(diǎn)燃理論一、熱平板點(diǎn)燃理論0siyTxx熱平板點(diǎn)燃臨界條件：溫度梯度等于零。熱平板點(diǎn)燃臨界條件：溫度梯度等于零

29、。若若xi L，則點(diǎn)火成功；，則點(diǎn)火成功；若若xiL，則點(diǎn)火失敗。，則點(diǎn)火失敗。利用分區(qū)近似方法求解：利用分區(qū)近似方法求解：常數(shù)siRTEuxln由這個(gè)距離開始，壁面附近的由這個(gè)距離開始，壁面附近的氣體不再接受熱板表面所給予氣體不再接受熱板表面所給予的熱量，反應(yīng)將依靠氣體自身的熱量，反應(yīng)將依靠氣體自身的放熱效應(yīng)自動(dòng)加速至著火的放熱效應(yīng)自動(dòng)加速至著火強(qiáng)迫著火強(qiáng)迫著火二、電火花點(diǎn)火二、電火花點(diǎn)火電火花點(diǎn)火的兩個(gè)階段：電火花點(diǎn)火的兩個(gè)階段：電火花加熱預(yù)混氣使局部著火，形成初始的火焰中心電火花加熱預(yù)混氣使局部著火，形成初始的火焰中心初始的火焰中心向未著火的混合氣傳播初始的火焰中心向未著火的混合氣傳播傳

30、播區(qū)混氣壓力、溫傳播區(qū)混氣壓力、溫度、初溫、混合比及度、初溫、混合比及流動(dòng)狀況等流動(dòng)狀況等點(diǎn)火成功：點(diǎn)火成功：1）初始的火焰中心形成）初始的火焰中心形成2）出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ィ┏霈F(xiàn)穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑ル姌O間隙距離、間隙內(nèi)電極間隙距離、間隙內(nèi)的混氣比、壓力、初溫、的混氣比、壓力、初溫、流動(dòng)狀況、混氣性質(zhì)及流動(dòng)狀況、混氣性質(zhì)及火花能量?；鸹芰俊ｋ娀鸹c(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n混氣點(diǎn)燃過(guò)程的溫度分布混氣點(diǎn)燃過(guò)程的溫度分布電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n最小點(diǎn)火能量最小點(diǎn)火能量熱氣流層厚度標(biāo)志著能量大小，當(dāng)厚度小于某個(gè)熱氣流層厚度標(biāo)志著能量大小，當(dāng)厚度小于某個(gè)值時(shí)，由于導(dǎo)熱帶起的熱值大于化學(xué)反應(yīng)放出的熱量，值

31、時(shí)，由于導(dǎo)熱帶起的熱值大于化學(xué)反應(yīng)放出的熱量，則點(diǎn)火不成功；當(dāng)厚度大于某個(gè)最小值時(shí)，就能出現(xiàn)則點(diǎn)火不成功；當(dāng)厚度大于某個(gè)最小值時(shí)，就能出現(xiàn)溫度回升并形成穩(wěn)定溫度分布而向混氣中傳播，這個(gè)溫度回升并形成穩(wěn)定溫度分布而向混氣中傳播，這個(gè)臨界氣層厚度所對(duì)應(yīng)的能量即臨界氣層厚度所對(duì)應(yīng)的能量即最小點(diǎn)火能量最小點(diǎn)火能量。電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n最小點(diǎn)火能量最小點(diǎn)火能量電火花點(diǎn)燃混氣需要一電火花點(diǎn)燃混氣需要一個(gè)最小的火花能量，低于這個(gè)最小的火花能量，低于這個(gè)能量，混氣不能點(diǎn)燃。這個(gè)能量，混氣不能點(diǎn)燃。這一最小能量是隨混氣成分、一最小能量是隨混氣成分、性質(zhì)、壓力、溫度和電極間性質(zhì)、壓力、溫度和電極間距而變

32、化。距而變化。 (mm)電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論n假定：假定：n火花加熱區(qū)為球形火花加熱區(qū)為球形n電極間距足夠大，電極對(duì)火花熄火作用可忽略電極間距足夠大，電極對(duì)火花熄火作用可忽略n火花點(diǎn)燃混氣完全是熱的作用火花點(diǎn)燃混氣完全是熱的作用n反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)n球形火花的最高溫度是混氣理論燃燒溫度球形火花的最高溫度是混氣理論燃燒溫度n點(diǎn)火成功時(shí)在火焰厚度內(nèi)形成溫度從點(diǎn)火成功時(shí)在火焰厚度內(nèi)形成溫度從Tm到到T0穩(wěn)定的穩(wěn)定的分布分布電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論 如果電火花已經(jīng)點(diǎn)燃了某個(gè)最如果電

33、火花已經(jīng)點(diǎn)燃了某個(gè)最小火球尺寸的混氣，并形成了穩(wěn)小火球尺寸的混氣，并形成了穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑?，則在傳播的開始定的火焰?zhèn)鞑?，則在傳播的開始瞬間必然滿足火球內(nèi)混氣化學(xué)反瞬間必然滿足火球內(nèi)混氣化學(xué)反應(yīng)放出的熱量等于火球表面向外應(yīng)放出的熱量等于火球表面向外導(dǎo)走的熱量。即導(dǎo)走的熱量。即min2min203min4)exp(34rrmOXFFdrdTrRTEffQkrT電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論TTdrdTmrrmin其中其中是火焰前鋒寬度，若進(jìn)一步假設(shè)焰鋒寬度與最小火是火焰前鋒寬度，若進(jìn)一步假設(shè)焰鋒寬度與最小火球半徑成正比關(guān)系球半徑成正比關(guān)系 mincr令

34、：min2min203min4)exp(34rrmOXFFdrdTrRTEffQkrT電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論2120minexp)(3OXFFmmffQckRTETTrpFmCQTT2120min) )exp(3(mOXFpRTEffCckr電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論靜止混氣中電火花點(diǎn)燃理論)(343min1minTTCrkEmp)23exp()(2minmmRTETTE常數(shù)mmRTEpTTTE23ln2ln2lnmin常數(shù)電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃

35、理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論n假設(shè)：假設(shè)：n在流動(dòng)混氣中電火花呈在流動(dòng)混氣中電火花呈U字型，字型，設(shè)當(dāng)時(shí)間設(shè)當(dāng)時(shí)間t=時(shí)達(dá)到最大火花通時(shí)達(dá)到最大火花通路路n對(duì)點(diǎn)火起作用的僅中間部分，對(duì)點(diǎn)火起作用的僅中間部分，稱為線源稱為線源n線源溫度為理論燃燒溫度線源溫度為理論燃燒溫度Tmn當(dāng)線源半徑達(dá)到臨界半徑當(dāng)線源半徑達(dá)到臨界半徑rmin時(shí)，時(shí)，周圍混氣被點(diǎn)燃周圍混氣被點(diǎn)燃電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論n線源點(diǎn)火成功的熱平衡式線源點(diǎn)火成功的熱平衡式minmin202min2)exp(crTTdrRTEffQdkrmmO

36、XFF2120minexp)(2OXFFmmffQckRTETTr假定混氣為層流流動(dòng)：假定混氣為層流流動(dòng)：電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論n線源點(diǎn)火成功的熱平衡式線源點(diǎn)火成功的熱平衡式TTCdrEmPd2minOXFFmmPdffQckRTETTCdE02exp)(2電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論n線源點(diǎn)火成功的熱平衡式線源點(diǎn)火成功的熱平衡式2sdEdPu td假定假定ES為火花的總能量，為火花的總能量，則任意時(shí)刻線源的功率為：則任意時(shí)刻線源的功率為：dduudEdtEdtuddtPEssdd2ln2

37、200電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論n線源點(diǎn)火成功的熱平衡式線源點(diǎn)火成功的熱平衡式dduconstpEus2ln2dduudEffQckRTETTCdsOXFFmmP2ln2exp)(202對(duì)于給定混氣：對(duì)于給定混氣：電火花點(diǎn)燃理論電火花點(diǎn)燃理論n流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論流動(dòng)混氣中電火花點(diǎn)燃理論n線源點(diǎn)火成功的熱平衡式線源點(diǎn)火成功的熱平衡式當(dāng)混氣為湍流流動(dòng)時(shí)：當(dāng)混氣為湍流流動(dòng)時(shí)： ufdduudEs2ln湍流脈動(dòng)速度湍流脈動(dòng)速度熱射流點(diǎn)火熱射流點(diǎn)火n熱射流點(diǎn)火簡(jiǎn)化理論熱射流點(diǎn)火簡(jiǎn)化理論熱射流點(diǎn)火熱射流點(diǎn)火n熱射流點(diǎn)火簡(jiǎn)化理論熱射流點(diǎn)火簡(jiǎn)化理論xi

38、為著火距離，為著火距離， xp為射流核心區(qū)長(zhǎng)度為射流核心區(qū)長(zhǎng)度點(diǎn)火失敗點(diǎn)火成功pipixxxx熄火理論分析熄火理論分析n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述著火完成后建立了燃燒工況，這時(shí)燃料的濃度著火完成后建立了燃燒工況，這時(shí)燃料的濃度會(huì)變小，放熱規(guī)律也大不相同。會(huì)變小，放熱規(guī)律也大不相同。 以密閉容器為例，近似地認(rèn)為在有散熱時(shí)其中以密閉容器為例，近似地認(rèn)為在有散熱時(shí)其中的濃度也按絕熱燃燒的規(guī)律下降，則二級(jí)反應(yīng)有：的濃度也按絕熱燃燒的規(guī)律下降，則二級(jí)反應(yīng)有：RTETTTTfkQqmmossGexp)(22TTVFqL散熱：散熱：放熱：放熱：熄火理論分析熄火理論分析n

39、理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述VA這時(shí)的工作點(diǎn)可能有三個(gè)：這時(shí)的工作點(diǎn)可能有三個(gè)：緩慢的氧化工況、強(qiáng)烈反應(yīng)的燃燒工況、不穩(wěn)定的中間工況。緩慢的氧化工況、強(qiáng)烈反應(yīng)的燃燒工況、不穩(wěn)定的中間工況。熄火理論分析熄火理論分析n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n理想燃燒室理想燃燒室n混合氣進(jìn)入燃燒室立即反應(yīng)，燃燒室內(nèi)參數(shù)均勻一致，混合氣進(jìn)入燃燒室立即反應(yīng)，燃燒室內(nèi)參數(shù)均勻一致，容器壁絕熱，進(jìn)、出口參數(shù)如圖所示容器壁絕熱，進(jìn)、出口參數(shù)如圖所示n反應(yīng)為單分子、一級(jí)反應(yīng)反應(yīng)為單分子、一級(jí)反應(yīng)n散熱指燃燒產(chǎn)物從燃燒室?guī)ё叩臒崃可嶂溉紵a(chǎn)物從燃燒室

40、帶走的熱量n簡(jiǎn)化了能量、質(zhì)量守恒方程，又可反映著火與熄火的簡(jiǎn)化了能量、質(zhì)量守恒方程，又可反映著火與熄火的相互關(guān)系與本質(zhì)相互關(guān)系與本質(zhì)VA熄火理論分析熄火理論分析n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n守恒方程守恒方程VARTEfkVQwVQqoxoxoxoxoxGexp)(TTGCqpLRTEfVkVwgoxoxoxGexp)(,oxoxLffGg熄火理論分析熄火理論分析n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n守恒方程守恒方程n在穩(wěn)態(tài)條件下：在穩(wěn)態(tài)條件下：VA)(expTTGCRTEfkVQpoxoxox)(exp,oxoxoxoxffG

41、RTEfVkLGLGggqqn理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n守恒方程無(wú)量綱化守恒方程無(wú)量綱化熄火理論分析熄火理論分析VA,11oxoxffoxoxpQfTTC,2)(反應(yīng)程度（放熱率）：反應(yīng)程度（放熱率）：散熱率：散熱率：無(wú)量綱溫度：無(wú)量綱溫度：ERT無(wú)量綱停留時(shí)間：無(wú)量綱停留時(shí)間：oxcfcfkuL1混合物無(wú)量綱發(fā)熱量：混合物無(wú)量綱發(fā)熱量：poxoxECQRf,n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n守恒方程無(wú)量綱化守恒方程無(wú)量綱化熄火理論分析熄火理論分析VA21111exp111exp11exp1121n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n著火、熄火的臨界條件著火、熄火的臨界條件熄火理論分析熄火理論分析VAn理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n著火、熄火的臨界條件著火、熄火的臨界條件熄火理論分析熄火理論分析VA熄火理論分析熄火理論分析n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n熄火滯后熄火滯后VAn理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)象的描述n著火、熄火的臨界條件著火、熄火的臨界條件熄火理論分析熄火理論分析VA212111exp112111exp1exp122m2211n理想燃燒室的著火、熄火現(xiàn)