第六部分預混可燃氣的火焰演示文稿

第六部分預混可燃氣的火焰演示文稿2023/6/14河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院1當前第1頁\共有43頁\編于星期三\9點2023/6/14河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2（優(yōu)選）第六部分預混可燃氣的火焰當前第2頁\共有43頁\編于星期三\9點可燃物產物U產物可燃物U管子一端封閉，內有可燃混合物。開口端點火，火焰鋒面將加熱未燃物，使之著火，鋒面以速度U向左移動；產物排出，直到最后全部燃盡。這種靠傳熱傳質作用使火焰鋒面?zhèn)鞑サ倪^程，稱為正常燃燒。若管子相當長，閉口端點火，火焰鋒面將加熱未燃物并著火，但是產物卻無法釋放，造成管內壓力驟增，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒓眲≡龃?，?～10d形成高速波，即爆震波，每秒幾公里?？扇嘉飛產物U管子兩端開口，可燃物以與U反向速度w流入當U大于w時，火焰前鋒向可燃物上游移動當U小于w時，火焰前鋒向可燃物下游移動當兩者相等時，形成駐定火焰，實際燃燒裝置的火焰都是駐定火焰當前第3頁\共有43頁\編于星期三\9點真實的火焰鋒面在真實環(huán)境下，火焰鋒面并非上述的那樣個平面，而是呈現(xiàn)不對稱拋物狀。原因：1、氣流粘性的存在使之與管壁之間存在摩擦，因此靠近壁面的燃燒速度小于軸心的燃燒速度，從而使之呈現(xiàn)拋物狀。2、由于浮力的作用，火焰上半部分的溫度高于下半部分，因此上部的傳播速度較快，從而使拋物面呈現(xiàn)不對稱狀。猝熄效應：由于管壁的散熱，火焰在壁面附近受到冷卻，溫度降低而熄滅，即在管壁附近不存在火焰。從管壁開始，無火焰存在的那段徑向距離稱為猝熄距離?；鹧驿h面的厚度一般在0.01~1mm之間，相對與系統(tǒng)的特性尺寸來說很小，因此理論分析時將之看作平面。當前第4頁\共有43頁\編于星期三\9點MicrogravityCombustionScience當前第5頁\共有43頁\編于星期三\9點可燃預混火焰的傳播火焰在大空間的蔓延實驗與數(shù)值模擬結果當前第6頁\共有43頁\編于星期三\9點第二節(jié)正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣日；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣龋杭磳恿骰鹧娴膫鞑ニ俣龋x為層流火焰前鋒法線方向上的位移速度和預混可燃物流動速度的相對速度。Up可燃物w產物如圖，設火焰前鋒某點法向速度為Up，該點可燃物流速為w，則火焰?zhèn)鞑ニ俣葹椋篣=Up+w1、靜止氣流中，w=0，U=Up，即火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔阡h面法向速度；2、當火焰鋒面靜止時，Up=0，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊扔跉饬魉俣龋?、對于理想化一維平面火焰，火焰鋒面速度處處相等。當前第7頁\共有43頁\編于星期三\9點一維火焰前鋒鋒面結構鋒面內存在強烈的熱量與質量交換，可燃物經歷加熱、著火、燃燒、燃盡等過程；鋒面內各參數(shù)都發(fā)生變化。

1、溫度由T0逐漸升高到TC，反應速度較慢，預熱區(qū)。著火后，溫度、反應速度驟增，反應區(qū)。隨著可燃物濃度降低，反應速度減小，直到燃盡，燃盡區(qū)。有時將后兩個合并為反應區(qū)。2、反應物濃度逐漸減小、生成物濃度逐漸增加。3、火焰前鋒很薄，但是理論分析時不能忽略。鋒面內溫度、濃度梯度很大，存在自然對流、強制對流、導熱等熱量交換形式以及流動、擴散等質量交換形式。存在強烈光輻射，可以根據(jù)發(fā)光區(qū)判斷反應區(qū)位置。當前第8頁\共有43頁\編于星期三\9點一維層流平面火焰鋒面內能量方程的建立可燃物對于火焰鋒面內厚度為Δx的微元，溫度T沿可燃物流動方向逐漸提高，熱流則從右側高溫區(qū)導入、左側導出（導熱項）；同時可燃物以ρU的質量流量自左邊帶入熱流（對流項）；鋒面還有反應放熱，微元體本身溫度升高吸收熱量等。穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑r，微元體內沒有熱量積累，可以建立能量平衡關系：熱流通過求解能量方程可以得到溫度場的分布，但若要求解火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s比較困難，因為存在復雜的指數(shù)函數(shù)。當前第9頁\共有43頁\編于星期三\9點澤爾多維奇：蘇聯(lián)理論物理學與天體物理學家。對于黑洞理論提出了獨到見解。著有“爆震物理”。當前第10頁\共有43頁\編于星期三\9點兩區(qū)近似法求解火焰?zhèn)鞑ニ俣?、在預熱區(qū)，忽略化學反應，方程化為：從T0到Ti積分一次,得到著火點溫度梯度2、在反應區(qū)，忽略對流項，方程化為：從T0到Ti積分一次,得到著火點溫度梯度當前第11頁\共有43頁\編于星期三\9點在T=Ti處，溫度分布應該是連續(xù)的，所以上述兩式相等。因此可以得到層流火焰的傳播速度可以寫為：右圖是釋熱速度與溫度的關系，可見：因此可以認為：當前第12頁\共有43頁\編于星期三\9點第三節(jié)正常火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定由于預混火焰火焰分為移動火焰與駐定火焰兩種，因此測定方法分為：移動火焰法包括圓管法、肥皂泡法、封閉球彈法等，駐定火焰法包括本生燈法、顆粒示蹤法、平面火焰法、激光測速法等。1、肥皂泡法：將預混可燃氣體注入肥皂泡，中央點火，火焰前鋒呈球形擴展。利用攝像機記錄火焰移動軌跡，得到dr/dt。產物的等壓膨脹引起氣體運動進一步推動火焰前鋒的移動，因此要加以修正。夏爾丹“吹肥皂泡的少年”

肥皂泡當前第13頁\共有43頁\編于星期三\9點2、密封球彈法：適用于測量火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高的可燃混合氣。在鋼質球彈內充氣，中間點火，定容條件發(fā)生火焰?zhèn)鞑ァy定壓力、壓力變化律，照相拍攝火焰前鋒傳播速度dr/dt，最后扣除壓力波的影響。3、平面火焰法：噴嘴出口裝整流網(wǎng)來均勻氣流速度，通過調節(jié)可燃物速率使火焰呈平面狀。此時火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣流速度恰好平衡，測量火焰面積與可燃物流量，計算得到火焰?zhèn)鞑ニ俣?。適用于火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^低的可燃物。當前第14頁\共有43頁\編于星期三\9點本生燈火焰

本生本生與基爾霍夫被稱為光譜分析的創(chuàng)始人。本生煤氣燈火焰透明而不發(fā)光，便與光譜分析。本生燈至今仍有廣泛應用。本生燈時測定火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畛Ｓ玫姆椒?。當前?5頁\共有43頁\編于星期三\9點直管型出口本生燈管口火焰特點：火焰前鋒呈曲面錐體狀，頂部為圓形，錐底外緣略有凸出。這是因為：1、錐頂處傳熱強烈，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，造成圓頂。當壓力很低時，火焰前鋒厚，圓頂更明顯。2、管壁的冷卻作用促使近壁處出現(xiàn)猝熄距離。3、管內壓力略高于環(huán)境壓力，造成火焰根部向外凸出。由于出口流速呈現(xiàn)拋物狀，本生火焰的傳播速度并非處處相等，頂端軸心處由于溫度較高、活性中心較多，火焰?zhèn)鞑ニ俣萓最大,出口壁面處等于零，中間段基本相同。a=1當前第16頁\共有43頁\編于星期三\9點對于這種本生火焰，一般假設錐體高度為L，出口半徑為r，任意在錐面上取微元面，則該微元在高度上的投影為dL，在徑向投影為dr。因此：上式就是錐體形狀的微分方程，將上式積分就可以得到錐體高度，但是由于沿r方向的可燃物流速w與火焰?zhèn)鞑ニ俣萓都是變化的，因此積分困難。所以用這種直管出口本生燈測定火焰?zhèn)鞑ニ俣缺容^困難。并且照相得到的是反應區(qū)圖像（發(fā)光區(qū)），接近外錐面，計算得到的火焰速度偏小。所以需要加入氧化鎂等示蹤粒子進行測量，比較復雜。當前第17頁\共有43頁\編于星期三\9點縮口本生燈火焰

這種出口氣流速度均勻（邊界層除外），所以火焰前鋒基本上呈現(xiàn)正錐體狀。此時只要測量出口氣流的平均速度w、錐頂夾角2a或者測量可燃物體積流量就可以值及計算得到火焰?zhèn)鞑ニ俣?。當前?8頁\共有43頁\編于星期三\9點5、顆粒示蹤法測量火焰?zhèn)鞑ニ俣龋涸诳扇蓟旌蠚庵袚饺胍环N既能發(fā)光、有不參與化學反應的細小顆粒如氧化鎂、硅油煙霧等，并連續(xù)加一頻閃照射，然后照相，據(jù)此確定氣流的流線譜。根據(jù)示蹤粒子的間歇距離和頻閃速度計算氣流速度。（美國Lewis實驗結果）當前第19頁\共有43頁\編于星期三\9點第四節(jié)影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?/p>

1、燃料、氧化劑性質極其混合比例的影響：不同的燃料具有不同的物理性質，因此其火焰?zhèn)鞑ニ俣炔煌？扇蓟旌衔镏腥剂系哪枬舛葘τ诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扔绊戄^大。在燃料很貧惑者很富的可燃混合物中，火焰一般不能傳播。亦即火焰?zhèn)鞑ゴ嬖跐舛鹊南】h與濃限，上下限處火焰?zhèn)鞑ニ俣葹榱?。在化學當量比下，多數(shù)可燃混合物具有最大的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋灰钥諝庾鳛檠趸瘎r，最高火焰?zhèn)鞑ニ俣劝l(fā)生在化學當量比略大的一側。因此此時活性中心濃度較大?？扇嘉镄再|影響當前第20頁\共有43頁\編于星期三\9點

2、壓力的影響：實驗證明，壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懕容^復雜。一般認為火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力之間存在以下關系：因此，當反應級數(shù)小于2時，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著壓力的升高而降低；當反應級數(shù)等于2時，壓力沒有影響；當反應級數(shù)小于2時，壓力降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫步档汀毫Φ挠绊懏斍暗?1頁\共有43頁\編于星期三\9點可燃混合物濃度與壓力影響火焰?zhèn)鞑?73項目子課題“大空間著火蔓延機理”當前第22頁\共有43頁\編于星期三\9點可燃物初始溫度的影響

3、初始溫度影響：初始溫度提高，預熱時間縮短，燃燒區(qū)反應溫度提高，反應加快，因此火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣摺?/p>

所以工程中利用預熱空氣與燃氣的方法來提高燃燒效率。當前第23頁\共有43頁\編于星期三\9點惰性氣體的影響

4、惰性氣體的影響：惰性氣體的加入相當于降低了氧的含量，因此反應速度降低、火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?；并縮小了可燃極限。

工程中經常采用純氧、富氧燃燒方式來提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

當前第24頁\共有43頁\編于星期三\9點系統(tǒng)冷卻的影響

5、冷卻的影響：對系統(tǒng)冷卻將降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?。例如管內燃燒，直徑越小，相對冷卻面積就越大，當直徑小于某一數(shù)值時，火焰將不能在管內傳播，該直徑稱為火焰?zhèn)鞑サ呐R界直徑（熄滅直徑）。當管徑增大到一定程度時，散熱的影響可以忽略，此時測量得到的火焰前鋒速度就是正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

工程中，煙氣取樣管為了保證煙氣成分穩(wěn)定都采用細管，就是考慮了熄滅直徑；如果管徑較大，就需要考慮強制冷卻。Testo煙氣分析儀當前第25頁\共有43頁\編于星期三\9點第五節(jié)預混可燃氣中火焰的穩(wěn)定性實際燃燒設備中，可燃混合物著火之后要保證燃燒穩(wěn)定地持續(xù)下去，既不能回火，也不能脫火，因此有必要了解火焰穩(wěn)定的條件。燃氣灶頭燃氣燒嘴當前第26頁\共有43頁\編于星期三\9點一維火焰穩(wěn)定條件（a）當氣流速度w小于火焰?zhèn)鞑ニ俣萓的時候，火焰前鋒以U-w的絕對速度向可燃物上游（向左）移動，火焰無法駐定，產生“回火”，導致熄滅。（b）當兩者速度相等的時候，火焰注定在某一位置。（c）當氣流速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臅r候，火焰前鋒以w-U的絕對速度向可燃物下游（向右）移動，產生“脫火”，導致熄滅。因此一維火焰的穩(wěn)定條件就是U=w。實際裝置中一維火焰很難存在，并且來流速度很少小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，所以這種火焰僅僅具有理論分析的意義。當前第27頁\共有43頁\編于星期三\9點圓形管口火焰穩(wěn)定條件對于左圖的圓錐形火焰，任取微元段AB，視之為直線，法線N-N與來流W的夾角為φ，則W可以分解為Wt和WN。如果想要保持火焰前鋒的穩(wěn)定，則必須滿足下面兩個條件：

1、U=WN=Wcosφ，這就是著名的火焰穩(wěn)定與弦定律。上式在W>U的情況下總是成立，所以如果火焰?zhèn)鞑ニ俣萓不變的情況下，來流速度提高將使火焰長度增加。當兩者速度相等時，火焰前鋒呈平面火焰形狀。

2、Wt的存在迫使火焰前鋒沿A-B方向向下游移動。因此在火焰根部必須存在一個連續(xù)的點火源不斷將新鮮氣體點燃，才可以源源不斷地補充沿AB方向被氣流帶走已燃質點，這樣火焰才可以穩(wěn)定在管口。不然將被吹脫。當前第28頁\共有43頁\編于星期三\9點a、1、2斷面，由于氣流的粘性造成氣流速度W在壁面為零中心最大。由于管壁的傳熱，接近壁面處火焰?zhèn)鞑ニ俣萓急劇下降。于是在整個截面上W>U，于是火焰無法駐定，被吹向下游。氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诟鹘孛娣植记€b、3斷面，卷吸作用促使W的徑向梯度小于管內，斜度減小。管壁效應漸弱U=0點外移，但是卷吸空氣造成邊界層內過量空氣系數(shù)增加，超出濃限，促使U=0的點內移；綜合作用產生U的分布曲線如圖。兩曲線相切于A點，其余點仍然W>U。c、4斷面，曲線兩個交點B、C，在BC之間U>W；其余點W>U。5斷面卷吸更多空氣，U=0點內移，相切于D點。6斷面，卷吸量更大，處處W>U.點火源建立因此在管口外存在區(qū)域ABCD使W小于等于U。在BAC邊界上W=U使之稱為連續(xù)點火源，火焰根部穩(wěn)定在3斷面的A點。如果有外來因素使火焰厚移到4斷面，由于BC之間U>W，火焰根本將重新回到A點。如果偶然火焰退回2斷面，由于W>U，火焰根本也會重新回到A點。當各截面W都大于U時，穩(wěn)定點火源消失，吹脫。當1d斷面W<U時，回火。當前第29頁\共有43頁\編于星期三\9點Page131當前第30頁\共有43頁\編于星期三\9點圓管火焰穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)在一定過量空氣系數(shù)下，火焰僅能在一定氣流速度范圍內穩(wěn)定。在空氣系數(shù)較低的區(qū)域（燃料過濃），由于可燃混合物火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊颓矣泄鼙诘睦鋮s作用，不再存在回火現(xiàn)象。但是由于缺氧，燃料容易裂解產生炭黑，出現(xiàn)黃焰。當氣流速度很大時，容易發(fā)生脫火。脫火回火黃火焰由于火焰穩(wěn)定性與管外氣流速度梯度有關，如右式。在體積流量相同時，管徑越小，W越小，越容易發(fā)生回火。必須使流量成三次方增加才能保證不回火。當前第31頁\共有43頁\編于星期三\9點第六節(jié)預混氣體湍流火焰?zhèn)鞑Ρ缺旧鷮恿骰鹧媾c湍流火焰可以發(fā)現(xiàn)，湍流火焰存在以下特點：1、火焰高度明顯降低。2、有明顯的噪聲。3、火焰錐面出現(xiàn)皺褶，且錐面較層流火焰厚。4、火焰輪廓不分明等。當前第32頁\共有43頁\編于星期三\9點工程多采用湍流火焰，因其火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大，可以強化燃燒。原因：1、火焰表面皺褶增加了反應表面積；2、熱量和質量交換強烈增大了燃燒速率；3、湍亂可以促進混合，縮短混合時間，提高燃燒速率。當前第33頁\共有43頁\編于星期三\9點湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膶嶒灲Y果對于湍流火焰速度的測定也可以使用本生燈法。在不同雷諾數(shù)下的實驗結果顯示：1、雷諾數(shù)小于2300時，層流火焰?zhèn)鞑顟B(tài)。2、當雷諾數(shù)介于2300～6000之間的時候，火焰?zhèn)鞑ニ俣日扔赗e0.5；3、當雷諾數(shù)大于6000的時候，火焰?zhèn)鞑ニ俣日扔赗e。實驗證明：湍流火焰的傳播速度受可燃物性質、濃度、初始溫度、壓力等因素影響；同時也受湍流度的影響。當前第34頁\共有43頁\編于星期三\9點丙烷－空氣預混火焰在不同湍流強度下的紋影照片根據(jù)火焰的伸展情況，可以測定火焰?zhèn)鞑ニ俣犬斍暗?5頁\共有43頁\編于星期三\9點湍流火焰皺褶表面理論由鄧克爾與謝爾金開創(chuàng)，認為湍流火焰是由不同大小的氣體渦團所進行的不規(guī)則運動。當渦團平均尺寸小于火焰鋒面厚度時稱為小尺度湍流火焰；反之就是大尺度湍流火焰。對于大尺度湍流，根據(jù)湍流強度不同為強湍流火焰和弱湍流火焰；當脈動速度大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臅r候稱為大尺度強湍流火焰，反之，就是弱湍流。對于小尺度湍流，火焰面依然平整，只是略厚；對于大尺度弱湍流，微團脈動速度較小，不能沖破火焰面，僅是扭曲；強湍流的微團已撕裂火焰面。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑蚴牵罕砻姘欛拊龃罅巳紵砻娣e?；鹧?zhèn)鞑ニ俣扰c雷諾數(shù)以及脈動速度有關。當前第36頁\共有43頁\編于星期三\9點湍流火焰的容積理論薩曼菲爾特認為：在大尺度強湍流情況下，不存在火焰前鋒，燃燒時遍布整個區(qū)域的，只不過反應程度不同。湍流微團之間進行著不同程度的熱量、質量交換和化學反應，一旦達到著火溫度，就燃燒起來。沒有著火的微團則在脈動過程中與其它微團結合。各微團之間脈動速度不同，同一微團各部分脈動速度也不同，因此根本無法保持穩(wěn)定的火焰鋒面。當前第37頁\共有43頁\編于星期三\9點第六節(jié)湍流預混火焰的穩(wěn)定性湍流火焰不再具有平整的火焰鋒面，一般分為未燃區(qū)1、燃燒區(qū)2和燃燼區(qū)3。L3一般占總長度的15％左右。由于氣流速度較大，湍流火焰不再有回火的問題；同時隨著氣流速度的提高，依靠穩(wěn)定點火源已經不能實現(xiàn)火焰的穩(wěn)定。湍流燃燒時，由于脈動，燃燒的微團或者熱煙氣可能返回未燃混合物區(qū)，起