燃?xì)馊紵c應(yīng)用_chap4

1、第四章 燃?xì)馊紵幕鹧鎮(zhèn)鞑?Flame Propagation)第一節(jié) 火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A(chǔ)第二節(jié) 法向火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y(cè)定第三節(jié) 影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩氐谒墓?jié) 混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算第五節(jié) 紊流火焰?zhèn)鞑サ诹?jié) 火焰?zhèn)鞑舛葮O限意義： 火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細(xì)馊紵钪匾奶匦裕?對(duì)火焰的穩(wěn)定性、互換性有很大的影響；涉及： 燃燒方法的選擇 燃燒器的設(shè)計(jì) 安全 第一節(jié) 火焰?zhèn)鞑サ睦碚摶A(chǔ)火焰的定義 快速放熱的氣相反應(yīng)、以亞音速在空間傳播，同時(shí)伴隨可見(jiàn)光輻射?？臻g傳播特性：化學(xué)反應(yīng)、氣體流動(dòng)、分子擴(kuò)散、熱量轉(zhuǎn)移等綜合作用1.未燃的可燃混合物是分層的；未燃的可燃混合物是分層的；2.在某一點(diǎn)上點(diǎn)燃后，形成火焰

2、；在某一點(diǎn)上點(diǎn)燃后，形成火焰；3.火焰是熱量、自由基的中心；火焰是熱量、自由基的中心；4.熱量以導(dǎo)熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自熱量以導(dǎo)熱的形式向未燃的相鄰區(qū)域傳遞；自由基以擴(kuò)散的形式向相鄰區(qū)域傳播。由基以擴(kuò)散的形式向相鄰區(qū)域傳播。5.相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。相鄰區(qū)域溫度升高、自由基濃度增大，著火。6.形成火焰的傳播過(guò)程。形成火焰的傳播過(guò)程?；鹧?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）火焰?zhèn)鞑サ幕疚锢砀拍睿?）1.焰面(Flame Front): 火焰鋒面、火焰前鋒 燃燒反應(yīng)進(jìn)行的區(qū)域； 未燃?xì)怏w與燃燒產(chǎn)物的分界面；2. 火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?焰面的移動(dòng)速度；符號(hào)S表示。 單位為m/s, m3/

3、m2.s 意義：?jiǎn)挝幻娣e上、單位時(shí)間內(nèi)燃燒的可燃混合物的體積。一、火焰?zhèn)鞑サ姆绞剑ㄒ唬┱；鹧鎮(zhèn)鞑?緩燃波Deflagration) 由于傳熱作用，高溫焰面將熱量傳給未燃?xì)怏w，使其著火、燃燒；依次傳遍整個(gè)體積。 等壓下進(jìn)行。1.層流火焰?zhèn)鞑aminar Flame Propagation 依靠分子擴(kuò)散、導(dǎo)熱等實(shí)現(xiàn)火焰的傳播。2.紊流火焰?zhèn)鞑urbulent Flame Propagation 依靠紊流擴(kuò)散等實(shí)現(xiàn)傳播。法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n問(wèn)題的描述： 火焰在管狀的靜止氣體中傳播； 傳播方向與焰面垂直； 傳播速度的大小與管壁散熱有關(guān)散熱對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊?管徑越小，散熱對(duì)火焰?zhèn)鞑ビ绊懺酱螅?小到

4、一定程度小到一定程度火焰不能傳播火焰不能傳播 管徑越大，對(duì)火焰?zhèn)鞑サ挠绊懺叫。?大到一定程度大到一定程度散熱影響完全消失散熱影響完全消失 此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大此時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到最大 法向火焰?zhèn)鞑ニ俣龋篠n 可見(jiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v管徑增大時(shí)，由于燃燒及管壁散熱，在焰面附近引起擾動(dòng)，焰面皺曲，此時(shí)焰面的移動(dòng)方向仍為管子軸向，但不是焰面的法向。沿管子的軸向移動(dòng)的速度稱(chēng)為可見(jiàn)火焰速度，記作Sv。顯然SvSn層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊拇笮恿鲿r(shí)一般很??；H2最大：Sn=2.8m/s; Sv=4.85m/s;CH4最?。?Sn=0.38m/s; Sv=0.67m/s;在在d=25.4mm管子中的管子中的實(shí)

5、驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果紊流火焰?zhèn)鞑饬鞒蔀槲闪鳡顟B(tài)： 紊流擴(kuò)散系數(shù)大于分子擴(kuò)散紊流擴(kuò)散系數(shù)大于分子擴(kuò)散 熱量傳遞加劇熱量傳遞加劇 火焰速度增大；火焰速度增大；StSnSt不僅與可燃混合物的物理化學(xué)性質(zhì)不僅與可燃混合物的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與紊動(dòng)程度有關(guān)有關(guān)，還與紊動(dòng)程度有關(guān)(Re/管徑等)（二）爆炸(Explosion)背景： 均勻的燃?xì)?空氣混合物在密閉容器內(nèi)局部著火，燃燒放熱與高溫產(chǎn)物熱膨脹，壓力急劇升高。結(jié)果： 未燃?xì)怏w絕熱壓縮； 瞬間燃燒完畢。爆炸自身(緩慢)加熱或點(diǎn)燃（三）爆燃(Detonation)管子的長(zhǎng)與短 短管短管燃燒產(chǎn)物及時(shí)排出，等壓下燃燒；燃燒產(chǎn)物及時(shí)排出，等壓下燃燒； 長(zhǎng)管長(zhǎng)管

6、燃燒產(chǎn)物對(duì)未燃?xì)怏w絕熱壓縮，產(chǎn)燃燒產(chǎn)物對(duì)未燃?xì)怏w絕熱壓縮，產(chǎn)生激波；火焰到達(dá)之前未燃?xì)怏w已到著火溫生激波；火焰到達(dá)之前未燃?xì)怏w已到著火溫度；可燃混合物度；可燃混合物“一層一層”“”“一層一層”地燃燒。地燃燒。著火的原因：沖擊波的絕熱壓縮；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?0003500m/s;極具破壞力二、法向火焰?zhèn)鞑ダ碚搯?wèn)題的描述：一端封閉一端封閉( (點(diǎn)燃點(diǎn)燃) )、一端開(kāi)口的管子；、一端開(kāi)口的管子；假設(shè)管子不散熱假設(shè)管子不散熱焰面不皺曲；焰面不皺曲；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導(dǎo)進(jìn)行；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導(dǎo)進(jìn)行；燃燒過(guò)程在等壓下進(jìn)行燃燒過(guò)程在等壓下進(jìn)行。焰面移動(dòng)、氣流靜止焰面的移動(dòng)速度焰面靜止、氣流反向移動(dòng)氣

7、流的移動(dòng)速度需回答的問(wèn)題法向火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n=?焰面厚度=？燃燒反應(yīng)時(shí)間=？可燃混合物的歷程冷態(tài)時(shí)濃度為C0，溫度為T(mén)0；接近焰面時(shí)被預(yù)熱(溫度逐漸升高)，但未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， C0近似不變。T0 Ti 開(kāi)始著火，經(jīng)感應(yīng)期后到達(dá)Ti ， 進(jìn)行劇烈燃燒，溫度很快升高到Tth； 濃度從溫度Ti時(shí)開(kāi)始下降，燃燼時(shí)C=0?？扇冀M分的濃度變化曲線沿火焰厚度方向的溫度變化曲線燃燒產(chǎn)物的濃度分布曲線化學(xué)反應(yīng)速度曲線火焰的結(jié)構(gòu)焰面以左：預(yù)熱區(qū)+感應(yīng)區(qū) 厚度 ph 反應(yīng)速度很慢焰面以右：反應(yīng)區(qū) 厚度 ch化學(xué)厚度化學(xué)厚度 ch 烯族烷族 燃料分子量越大，火焰速度越??；烷烴：火焰速度與碳原子數(shù)無(wú)關(guān)；烯烴/炔烴：碳原

8、子數(shù)以4為界，下降速度趨緩。碳原子數(shù)三、溫度的影響1、初始溫度的影響022000expTTCRTEyQKSmpnnT0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰溫度的影響25 .10TSn初始溫度四、壓力的影響22nnpS1、一般燃燒反應(yīng)：n2;2、質(zhì)量燃燒速率隨壓力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=2550cm/s的火焰，n100cm/s的火焰，n=2;Sn800cm/s的火焰，n=2.5;壓力對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懳?、惰性氣體的影響CO中加入少量的水，火焰速度快速增大近1倍！惰性氣體加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加組分的具體影響，需按照對(duì)物性、化學(xué)反應(yīng)途徑等

9、的影響來(lái)全面考慮。CO的火焰速度與水蒸汽含量的關(guān)系無(wú)水11.5%N2+98.5%O2;220%N2+80%O2;340%N2+60%O2;460%N2+40%O2;570%N2+30%O2;675%N2+25%O2;779%N2+21%O2;第四節(jié) 混合氣體火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠?jì)算 有必要、有條件時(shí)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試； 或按照經(jīng)驗(yàn)公式、根據(jù)單一氣體的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?，進(jìn)行計(jì)算。CO20%(以燃?xì)庵械目扇冀M分為100%計(jì))N2+CO250%(扣除燃?xì)庵械腛2所對(duì)應(yīng)的空氣！)計(jì)算公式的適用條件準(zhǔn)確程度：與實(shí)測(cè)的偏差小于5%gggOONN222276.410076.3ggOCOCO22276.4100 燃?xì)?/p>

10、中O2所對(duì)應(yīng)的N2燃?xì)庵械腛2所對(duì)應(yīng)的空氣222200max5 .21CONNfrVrVSSiiiiiinin考慮惰性氣體的影響各單一氣體的最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鲉我粴怏w在最大法向火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)的一次空氣系數(shù)iiirfrf化 學(xué) 式H2C OC H4C2H4C2H6C3H6C3H8C4H8C4H10Sni2.801.000.380.670.430.500.420.460.38i0.500.401.100.851.151.101.1251.131.15V0I2.382.389.5214.2816.6621.4223.8028.5630.94fi0.751.000.500.250.220.220.

11、220.200.18計(jì)算燃?xì)庾畲蠡鹧嫠俣鹊臄?shù)據(jù)計(jì)算燃?xì)庾畲蠡鹧嫠俣鹊臄?shù)據(jù)第五節(jié) 紊流火焰?zhèn)鞑ヅc層流相比： 層流火焰鋒面很薄、光滑； 紊流鋒面變厚、焰面抖動(dòng)/粗糙。 燃燒速度增大十幾倍或更高。一、紊流火焰結(jié)構(gòu)燃燒反應(yīng)在發(fā)光的燃燒區(qū)內(nèi)完成；少量未燃盡氣體在高溫燃燼區(qū)內(nèi)繼續(xù)燃燒；紊流火焰特點(diǎn)：焰面皺曲、輪廓模糊；焰面厚度較大、火焰高度較短；火焰穩(wěn)定性變差，易脫火；燃燒時(shí)噪聲較大。二、紊流火焰?zhèn)鞑サ囊话憬Y(jié)論1、紊流火焰的傳播取決于紊流流動(dòng)特性： St與Re有關(guān)Re6000, St/SnRe2、紊流火焰速度與混合物濃度的關(guān)系與層流時(shí)基本相同在氣流速度較小時(shí)，相對(duì)層流而言，受濃度影響較小層流紊流表征紊流特

12、性的參數(shù)2uu氣流脈動(dòng)速度的時(shí)均方根值l紊動(dòng)微團(tuán)從形成到分裂過(guò)程所經(jīng)過(guò)的平均自由行程表示紊流程度的強(qiáng)弱表示紊動(dòng)范圍的大小，尺度的大小l層流火焰的厚度紊流火焰的種類(lèi)劃分小尺度紊流火焰nSu ll大尺度紊流火焰大尺度弱紊動(dòng)大尺度強(qiáng)紊動(dòng)nSu llnSu ll焰面厚度稍大于層流焰面皺曲不存在連續(xù)焰面紊流火焰結(jié)構(gòu)圖示小尺度紊動(dòng)大尺度弱紊動(dòng)大尺度強(qiáng)紊動(dòng)容積燃燒模型燃燒產(chǎn)物新鮮混合氣部分燃盡氣體三、紊流火焰的表面理論主要論點(diǎn)：層流火焰鋒面的基本結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，燃燒集中于鋒面中；紊流火焰比層流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑颍簜鬟f過(guò)程的加快、焰面的增大；小尺度紊流對(duì)層流火焰2nphSaaA=a+DTSnStphtASu

13、laA紊流擴(kuò)散系數(shù)所以aulSaulaASnphpht11由于Reul當(dāng)aul有RentSS小尺度紊流一般只發(fā)生在燃燒器管壁附近；只有在小口徑管子的中心，才有可能出現(xiàn)小尺度紊流。大尺度紊流燃燒是在F上進(jìn)行的FSFSlt221lhFFtuhtSll22211lltSuSS大尺度強(qiáng)紊流時(shí)，1lSu所以Re uSt大部分情況下，St仍然部分地取決于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐t=A.SlaReb第六節(jié) 火焰?zhèn)鞑舛葮O限Flammability limit一、火焰?zhèn)鞑舛葮O限及其實(shí)驗(yàn)測(cè)定只有當(dāng)空氣-燃?xì)獾谋壤谝欢ǚ秶鷥?nèi)，所形成的可燃混合物中火焰才能傳播；燃?xì)鉂舛冗^(guò)高/過(guò)低發(fā)熱能力降低不足以將未燃混合物加熱到著火溫度火焰失去傳播能力。使火焰不能傳播的最低燃?xì)鉂舛然鹧鎮(zhèn)鞑舛认孪?；使火焰不能傳播的最高燃?xì)鉂舛然鹧鎮(zhèn)鞑舛壬舷?；又稱(chēng)“著火濃度極限”實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法硬質(zhì)玻璃管發(fā)火花間隙水銀槽壓力計(jì)二、影響火焰?zhèn)鞑舛葮O限的因素燃?xì)庠诩冄踔腥紵?，極限范圍將擴(kuò)大；空氣-燃?xì)饣旌衔餃囟壬仙?，極限范圍擴(kuò)大；提高壓力，濃度極限范圍將擴(kuò)大，上限更敏感；加入惰性氣體，濃度極限范圍將縮??；灰塵、水蒸氣、容器形狀、壁面材料也能影響濃度極限?；鹧?zhèn)鞑舛葮O限燃?xì)鈮毫?MPa)下限(%)上限(%)CO0.12.04.0142120716057H20.12.09106970CH40.15.010.