燃燒學9-非預混火焰課件

燃燒學

9-非預混火焰火焰分類擴散火焰特點層流擴散火焰結(jié)構(gòu)湍流擴散火焰第一節(jié)火焰分類一擴散燃燒與預混燃燒概念預混火焰在發(fā)生化學反應之前，反應物已經(jīng)均勻地混合，預混射流（燃料與空氣混合物）直接形成的火焰擴散火焰在發(fā)生化學反應之前，燃料和氧化劑是分開的，依靠分子擴散和整體的對流運動（湍流擴散）使反應物分子在某一個區(qū)域混合，接著進行燃燒反應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)境通過引射提供，屬于擴散燃燒；（2）α1

≥1，從本生燈的底部供入的空氣充足，燃燒過程完全由化學反應的快慢控制，屬于動力燃燒；（3）0<α1<1,燃燒既有一次空氣混合物的預混燃燒，也有剩余燃料的擴散燃燒，屬于動力-擴散燃燒。(a)α1>1，當管中混氣為貧油時的動力火焰。此時混氣中有足夠氧氣，不需要從外界獲取氧氣，故火焰光滑，隨著α1增大，火焰變長(b)α1=1，化學恰當比下的動力火焰。此時溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，故火焰高度最?c)α1<1，富油燃燒，此時混氣燃料多而氧氣少，故有剩余燃料。此時出現(xiàn)兩個火焰鋒面，內(nèi)焰大致相當于α1=1的動力型火焰，外焰面為剩余燃料經(jīng)擴散獲得外界氧氣燃燒而形成，稱為擴散火焰，內(nèi)焰溫度較高，外焰則較低(d)α1=0，管中供應的為純油氣。所需氧氣全部從外界獲得，故為純擴散燃燒，火焰最長擴散火焰層流擴散火焰質(zhì)量擴散以分子擴散形式實現(xiàn)湍流擴散火焰質(zhì)量擴散以氣團擴散形式實現(xiàn)擴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，而化學動力學參數(shù)影響不大強化擴散燃燒的有效措施是加強混合過程，改善摻混條件第二節(jié)擴散火焰特點擴散火焰不產(chǎn)生回火，但溫度低擴散燃燒容易產(chǎn)生碳氫化合物的熱分解第三節(jié)層流擴散火焰結(jié)構(gòu)過通風火焰氧化劑流量超過燃料燃燒所需的化學恰當量（即總的氧化劑過量）?；鹧婵拷鼒A柱管的中心線上欠通風火焰燃料量超過化學計量值，（即燃料過量），火焰向外壁蔓延在“快速化學反應”的極限條件下，化學反應時間τchem遠小于流動特征時間Τchem<<τtransport(或τdiffusion)火焰結(jié)構(gòu)由反應物和能量的分子擴散決定（即擴散過程是最慢的、控制反應速度的過程），火焰可以從分開燃料和氧化劑的表面取一個薄層來模擬?；鹧嫣幦剂虾脱趸瘎┑馁|(zhì)量擴散流率為化學恰當比。由于Τchem<<τtransport(或τdiffusion)故燃料和氧化劑濃度在火焰面上為0層流流動時，混合以分子擴散形式進行，在兩股對流交界面上，燃料向空氣射流擴散，空氣向燃料擴散，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)物濃度達到最大值，然后向兩側(cè)擴散焰面外側(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擴散火焰的溫度和各組分濃度的分布規(guī)律在射流速度較低時，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，直到某一最大值，此時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（轉(zhuǎn)變點）向噴口方向移動，火焰的總高度則明顯縮短，直到破裂點靠近噴口。此時火焰達到完全湍流狀態(tài)，此后破裂點位置不變（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)湍流擴散火焰擴散燃燒火焰長度的變化規(guī)律（1）層流擴散火焰區(qū)：火焰高度（長度）與氣流速度成正比，（流速增加，擴散系數(shù)變化不大，隨著流速上升，火焰長度增加）；（2）擴散火焰過渡區(qū)：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，氣流速度越大，層流狀火焰長度越短；（3）湍流火焰區(qū)：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（流速增加，擴散系數(shù)相應增加，火焰長度變化不大，但是火焰有褶皺和噪音）火焰高度相對于層流擴散火焰，湍流擴散火焰要復雜得多，很難用分析的方法求解。主要靠數(shù)值方法求解。也有一些關(guān)于火焰長度和半徑的經(jīng)驗公式對于燃料自由射流產(chǎn)生的垂直火焰，取決于以下4個因素：（1）初始射流動量通量與作用在火焰上的力之比，即火焰弗盧德數(shù)Frf（2）化學恰當燃料質(zhì)量百分數(shù)fs=1/(L0+1)（3）噴管內(nèi)流體密度與環(huán)境氣體密度之比ρe/ρ∞（4）初始射流直徑di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