高等燃燒學(xué)講義第13節(jié)(鄭洪濤4學(xué)時(shí))

高等燃燒學(xué)第十三章湍流非預(yù)混火焰主講人：鄭洪濤2023最新整理收集do

something第十三章湍流非預(yù)混火焰13.1概述13.2射流火焰總論簡(jiǎn)化分析火焰長(zhǎng)度火焰輻射推舉和吹熄13.3其他構(gòu)造下的非預(yù)混火焰13.4小結(jié)湍流非預(yù)混火焰易于控制，廣泛應(yīng)用，但污染物排放大。非預(yù)混燃燒應(yīng)用場(chǎng)合多樣，出現(xiàn)了各種類(lèi)型的非預(yù)混火焰。圖13.1顯示了一種輻射管燃燒器，它采用的是帶局部旋轉(zhuǎn)的非預(yù)混受限射流火焰。圖13.2展示的是一種非預(yù)混或者局部預(yù)混的純氧火焰，通過(guò)控制各個(gè)氣流的大小來(lái)控制火焰的特性。燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)中重要的是：火焰形狀和尺寸、火焰維持與穩(wěn)定、傳熱、污染物排放。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.1概述湍流非預(yù)混射流火焰與預(yù)混火焰相似，都可見(jiàn)不光滑或模糊的邊界。碳煙的存在，非預(yù)混火焰比預(yù)混火焰明亮。圖13.3是乙烯在空氣中燃燒的照片。右側(cè)第一張火焰照片曝光時(shí)間4s。這張照片與真正的視覺(jué)效果類(lèi)似。其他三張都是瞬時(shí)照片，可見(jiàn)，火焰的瞬時(shí)可視長(zhǎng)度有很大的變化。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論火焰底部呈藍(lán)色，亮度弱，沒(méi)有碳煙生成。高處碳煙數(shù)量明顯增多，火焰呈亮黃色。不易形成碳煙的甲烷火焰中藍(lán)色區(qū)長(zhǎng)得多，發(fā)光的碳煙區(qū)很短。甲烷-空氣火焰光譜輻射測(cè)量發(fā)現(xiàn)，雖然可以從火焰中看到碳煙發(fā)出的亮光，但碳煙輻射對(duì)于總的輻射損失沒(méi)有太多的影響，而對(duì)于更易生成碳煙的燃料來(lái)說(shuō)，碳煙輻射那么可能是總輻射熱損失的主要形式。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論圖13.4(a)的一系列照片顯示了乙烯射流火焰頂部大渦的燃盡過(guò)程。體繪制技術(shù)(圖13.4(b))那么給出了圖像數(shù)遠(yuǎn)多于圖13.4(a)的一組三維圖像(x,y,t)的視圖，顯示了大渦的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖13.5是氫氣-空氣射流火焰中OH基的瞬時(shí)平面圖像，清楚地顯示了富含OH基的高溫區(qū)的旋卷形褶皺特征。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論可以看到，隨著下游距離的增加，火焰區(qū)域(OH基區(qū)域)也隨之增加，最后在火焰頂部出現(xiàn)一個(gè)很大的高溫區(qū)。溫度場(chǎng)圖像顯示，有的區(qū)域熱量層很薄而溫度梯度很大，有的熱量層寬，其中溫度幾乎一致。在很窄的火焰區(qū)域內(nèi)，流體的構(gòu)造非常復(fù)雜。圖13.6顯示了剪切層由火焰底部噴嘴處旋轉(zhuǎn)上升的圖像，顯示出的火焰構(gòu)造對(duì)污染物的排放有著非常重要的影響。我們要概括介紹的第二局部是初始射流直徑和燃料流率對(duì)火焰尺寸的影響。圖13.7清楚地展現(xiàn)了非預(yù)混火焰的一些重要特征。首先，當(dāng)流率比較低時(shí)，即火焰為層流時(shí)，火焰高度與初始射流直徑無(wú)關(guān)，而只與流率有關(guān)。當(dāng)流率增加時(shí)，湍流逐漸開(kāi)場(chǎng)影響火焰高度，出現(xiàn)圖13.7中所示的過(guò)渡區(qū)。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論在過(guò)渡區(qū)的最后，隨著流速的增加，湍流程度也不斷增加，最后在曲線(xiàn)的極小值點(diǎn)形成比初始的層流火焰要短得多的完全湍流火焰。當(dāng)流速進(jìn)一步增加時(shí)，火焰高度可能維持不變(管徑小于0.133in)，也可能不斷增加，但曲線(xiàn)斜率越來(lái)越小(管徑大于等于0.152in)。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論這是由于隨著燃料流率的增加，夾帶進(jìn)的空氣量和混合速率也會(huì)近似成比例地增加。而且發(fā)現(xiàn)，此時(shí)火焰高度明顯受到初始射流直徑的影響。在足夠低的流速下，火焰根部與燃燒器管子的出口非常接近(只有幾個(gè)毫米)，我們定義為附著火焰。當(dāng)燃料流率增加時(shí)，在火焰底部開(kāi)場(chǎng)形成孔隙，當(dāng)進(jìn)一步增大流率時(shí)，會(huì)形成越來(lái)越多的孔隙，直到燃燒器噴口上第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論沒(méi)有連續(xù)的火焰。這種情況叫作推舉火焰。圖13.8就是一個(gè)推舉射流火焰照片。再加大流速，推舉距離增大。流率特別大時(shí)，火焰被吹熄。因此，就火焰的穩(wěn)定性而言存在兩個(gè)臨界狀態(tài)：推舉和吹熄。盡量防止推舉火焰的產(chǎn)生，使得火焰較貼近燃燒器出口且火焰位置不受流率的影響。這樣，就可以用火花或者小火焰進(jìn)展準(zhǔn)確的點(diǎn)火并保證火焰位置。出于平安考慮，應(yīng)當(dāng)防止接近吹熄極限的操作。在接近極限的情況下向大爐膛充入空燃混合物是非常危險(xiǎn)的，一旦無(wú)法及時(shí)點(diǎn)燃，混合物在爐內(nèi)淤積，很可能到達(dá)爆炸極限而突然爆炸。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——總論為湍流火焰建立數(shù)學(xué)模型是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。研究等溫湍流本身就是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，假設(shè)再引入燃燒過(guò)程，那么密度的變化和各種化學(xué)反響都要有所考慮。這里只引入一個(gè)非常簡(jiǎn)單的射流火焰燃燒的數(shù)學(xué)模型，來(lái)展示其物理本質(zhì)。1.與冷態(tài)射流的比照前面對(duì)恒密度湍流射流建立了簡(jiǎn)單混合長(zhǎng)度模型，發(fā)現(xiàn)以下三個(gè)重要特性：①當(dāng)所有的速度都以出口速度為基準(zhǔn)時(shí)，空間坐標(biāo)x和r都以噴嘴半徑R為基準(zhǔn)時(shí)，速度場(chǎng)方程是普適的；②射流擴(kuò)展角是常數(shù)，與射流出口速度和直徑無(wú)關(guān);③所謂的旋渦粘度ε與流場(chǎng)位置無(wú)關(guān)，并且正比于噴嘴出口速度ve和直徑dj。此模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析假設(shè)湍流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)與動(dòng)量傳遞的一樣，那么燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布應(yīng)等于無(wú)量綱速度分布，即YF(x,r)=v(r,x)/ve=f(x/dj)。但這種關(guān)系只有當(dāng)沒(méi)有燃燒時(shí)才成立，因?yàn)橛谢鹧娴那闆r下YF在火焰邊界外為0，但是速度并沒(méi)有減到0。如第9章所述，混合物分?jǐn)?shù)可以代替燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與無(wú)量綱的速度場(chǎng)有相似的性質(zhì)。這樣，當(dāng)給定燃料類(lèi)型后，火焰的高度將與射流速度ve無(wú)關(guān)，而與噴嘴直徑成比例，而且射流擴(kuò)展角與射流速度ve和噴嘴直徑dj均無(wú)關(guān)。圖13.7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)于小口徑的噴管，火焰長(zhǎng)度確實(shí)與ve無(wú)關(guān)，而且火焰長(zhǎng)度大致與噴嘴直徑dj成比例。另外，浮力將破壞射流火焰與絕熱射流之間的近似，正好可以解釋對(duì)于更大直徑的噴管，湍流火焰長(zhǎng)度將不恒定。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析2.守恒標(biāo)量回憶在射流火焰的簡(jiǎn)化分析中，我們希望能用混合物分?jǐn)?shù)代替燃料、氧化劑和產(chǎn)物分別的守恒關(guān)系來(lái)描述任意位置火焰組分的變化。在足夠小的控制體內(nèi)，定義了混合物分?jǐn)?shù)f這個(gè)參數(shù)有兩個(gè)特別重要的特性。首先，它可以用來(lái)定義火焰邊界，且它的值只與當(dāng)量比有關(guān)，即定義Φ=1處為火焰邊界，那么該處的f就有了一個(gè)固定的值fs：混合物分?jǐn)?shù)第二個(gè)重要的性質(zhì)是，由于根據(jù)“無(wú)源項(xiàng)〞控制方程的定義，它在整個(gè)流場(chǎng)中保持守恒。正因這一性質(zhì)，才能用它代替各組分單獨(dú)的守恒關(guān)系，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析3.假設(shè)構(gòu)造非預(yù)混湍流射流火焰的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型的假設(shè)如下：(1)穩(wěn)態(tài)、軸對(duì)稱(chēng)的時(shí)均流場(chǎng)，燃料由半徑為R的圓管射出，在靜止、無(wú)限大的空氣中燃燒。(2)與湍流輸運(yùn)相比，動(dòng)量、組分和能量的分子輸運(yùn)不重要。(3)湍流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)，即旋渦粘度ε(=μturb/ρ)在整個(gè)流場(chǎng)中守恒，且等于0.0285veR(參考公式(11.46))。通過(guò)忽略密度的脈動(dòng)，從而將第11章提出的恒密度射流的混合長(zhǎng)度假設(shè)擴(kuò)展到變密度反響射流。(4)忽略所有關(guān)于密度脈動(dòng)的相關(guān)項(xiàng)。(5)動(dòng)量、組分和能量的湍流輸運(yùn)都相等，即湍流的施密特?cái)?shù)、普朗特?cái)?shù)和路易斯數(shù)均相等，ScT=PrT=LeT。有了這個(gè)假設(shè)，湍流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)(旋渦粘度ε)可以用湍流質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)或熱擴(kuò)散率來(lái)代替，即ε=?T=αT。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析(6)忽略浮力。(7)忽略輻射傳熱。(8)只考慮徑向動(dòng)量、組分和能量的湍流擴(kuò)散，忽略軸向的。(9)噴嘴出口處燃料射流速度一樣，即帽式分布。(10)混合物性質(zhì)由燃料、氧化劑和產(chǎn)物三種組分決定。三種組分的摩爾質(zhì)量均為29kg/kmol，比定壓熱容均為cp=1.2kJ/kg?K)，燃料熱值為4×107J/kg，空氣-燃料的化學(xué)當(dāng)量比為15:1(fs=1/16=0.0625)。(11)在采用狀態(tài)關(guān)系式確定平均密度時(shí)，忽略混合物分?jǐn)?shù)的脈動(dòng)。在更嚴(yán)格的分析中，平均密度應(yīng)該由假定的混合物分?jǐn)?shù)的概率分布函數(shù)(既有平均值也有方差)來(lái)計(jì)算。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析4.守恒定律的應(yīng)用根據(jù)上述假設(shè)，根本的守恒方程與第7章推導(dǎo)出的和第9章用于層流射流火焰的方程根本類(lèi)似。不同點(diǎn)在于時(shí)均量代替了瞬時(shí)值，湍流輸運(yùn)性質(zhì)(即動(dòng)量、組分、能量的擴(kuò)散系數(shù))代替了分子輸運(yùn)性質(zhì)。同時(shí)通過(guò)用特征長(zhǎng)度R和特征速度ve做基準(zhǔn)，定義了兩個(gè)無(wú)量綱的變量，那么由式(9.36)，總質(zhì)量守恒方程為:軸向動(dòng)量守恒方程(式(9.37))那么變?yōu)榛旌衔锓謹(jǐn)?shù)的守恒方程(式(9..38))變?yōu)榈谑峦牧鞣穷A(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析

第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析

第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析

第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——簡(jiǎn)化分析研究者們一直致力于解釋和預(yù)測(cè)湍流射流火焰長(zhǎng)度。1.火焰長(zhǎng)度的定義從文獻(xiàn)可以看到各種火焰長(zhǎng)度的定義和測(cè)量方法，但迄今沒(méi)有一個(gè)為大家所公認(rèn)。在對(duì)不同研究者結(jié)果的比較時(shí)及在不同修正公式的應(yīng)用等方面要加倍小心?；鹧骈L(zhǎng)度的定義一般包括：從一系列瞬時(shí)火焰長(zhǎng)度照片中取可視火焰長(zhǎng)度的平均值；或用熱電偶測(cè)量軸線(xiàn)上溫度最高點(diǎn)，量出其軸向位置；或用氣體采樣的方法測(cè)量平均混合物分?jǐn)?shù)，確定化學(xué)當(dāng)量值所處的軸向位置?？傮w而言，火焰的可視長(zhǎng)度要大于靠溫度或濃度測(cè)量所得出的長(zhǎng)度。文獻(xiàn)中提到，根據(jù)燃料的不同，基于溫度特性測(cè)量的火焰長(zhǎng)度大約是時(shí)均可視火焰長(zhǎng)度的65%~80%。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度2.影響火焰長(zhǎng)度的因素對(duì)于燃料射流噴入靜止環(huán)境中所產(chǎn)生的豎直火焰來(lái)說(shuō)，火焰長(zhǎng)度由4個(gè)主要因素決定:火焰中射流初始動(dòng)量與作用在火焰上浮力的比Frf;化學(xué)當(dāng)量值fs;射流密度與環(huán)境氣體密度的比ρe/ρ∞;初始射流直徑dj。第一個(gè)因素，火焰中射流初始動(dòng)量與浮力之比可以由火焰的弗勞德數(shù)Frf來(lái)表示。回憶第9章，引入弗勞德數(shù)Frf是為了區(qū)分層流射流火焰中的動(dòng)量控制模式和浮力控制模式(參考式(9.68)和式(9.69))。對(duì)于湍流射流火焰，弗勞德數(shù)Frf定義為：第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度其中，ΔTf

=Tf-T∞，表示因燃燒產(chǎn)生的特征溫升。

Frf小，火焰受浮力控制；Frf大，火焰受動(dòng)量控制。上面忽略了浮力影響，只能適用于Frf較大的情況。圖13.11可見(jiàn)，浮力增強(qiáng)了各成分混合，使火焰長(zhǎng)度要短得多?；鹧嫒鐩](méi)被吹熄，很可能射流速度增加使火焰長(zhǎng)度最終接近同一漸近值。圖13.12的火焰高度漸近值大約為21.8cm。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度另三個(gè)影響因素也十分重要。單位質(zhì)量的當(dāng)量混合物分?jǐn)?shù)fs值較小的燃料需要更多的空氣才能到達(dá)燃燒的化學(xué)當(dāng)量。這意味著，fs越小其火焰越長(zhǎng)。比方，丙烷所需的當(dāng)量空氣質(zhì)量是一氧化碳的6倍，而丙烷火焰的長(zhǎng)度那么大概是一氧化碳火焰長(zhǎng)度的7倍。密度比ρe/ρ∞和初始射流直徑dj可以組合成一個(gè)參數(shù)，定義為動(dòng)量直徑dj*：dj*=dj(ρe/ρ∞)0.5上式需要假設(shè)出口速度分布是均勻的。以上定義的根本含義就是初始射流動(dòng)量一樣的射流也具有一樣的速度場(chǎng)。因此加大噴嘴出口流體密度與增加噴嘴直徑效果一樣。根據(jù)文獻(xiàn)的射流理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比照，上述結(jié)論是合理的。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度3.關(guān)聯(lián)性圖13.12顯示了4個(gè)主要影響因素對(duì)火焰長(zhǎng)度綜合影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中橫坐標(biāo)為火焰的弗勞德數(shù)Frf，其余三個(gè)因素用來(lái)確定無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度。如圖13.12所示，這個(gè)無(wú)量綱的火焰長(zhǎng)度可以表示為：或：圖13.12中定義了兩種火焰狀態(tài)：浮力控制公式修正為另一種由動(dòng)量控制的無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度變?yōu)槌?shù)，即上面的公式易于使用，而且和其他公式一樣準(zhǔn)確。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度例13.1試估計(jì)丙烷射流在空氣中燃燒的火焰長(zhǎng)度。環(huán)境條件為P=1atm，T∞=300K。丙烷質(zhì)量流量3.66×10-3kg/s，噴嘴出口直徑6.17mm，假設(shè)噴嘴出口丙烷密度1.854kg/m3。解：用無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度的浮力控制關(guān)系式(公式(13.11)和動(dòng)量控制式(13.12))來(lái)確定丙烷火焰長(zhǎng)度。首先確定火焰的弗勞德數(shù)Frf。所需要的參數(shù)計(jì)算如下：所以：第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度由于Frf<5，用公式(13.11)來(lái)計(jì)算無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度L*，即：因?yàn)椋核詫?shí)際火焰長(zhǎng)度為：或：注：查圖13.12得知，這個(gè)火焰在兩種狀態(tài)的交匯區(qū)，即既受初始動(dòng)量控制，又受火焰所引起的浮力控制。上述計(jì)算值略小于文獻(xiàn)測(cè)量的(Lf/dj=341)可視火焰長(zhǎng)度。這與用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)測(cè)量Lf小于可視長(zhǎng)度的結(jié)論是一致的。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度例13.2如果釋熱速率與噴嘴出口直徑與例13.1一樣，試計(jì)算甲烷火焰長(zhǎng)度，并與丙烷火焰長(zhǎng)度做比較。甲烷密度為0.6565kg/m3。解：用例13.1中的方法來(lái)計(jì)算Lf，但首先要求出甲烷的質(zhì)量流量。根據(jù)兩個(gè)火焰釋放出一樣的化學(xué)能，可得?CH4LHVCH4=?C3H8LHVC3H8從附表B.1中查甲烷的低熱值，可求出甲烷的質(zhì)量流量：因?yàn)椋旱谑峦牧鞣穷A(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度所以最后求得：兩種火焰長(zhǎng)度比為：結(jié)論是甲烷火焰只比丙烷火焰短12%。注：是什么原因使得甲烷火焰變短呢?首先，甲烷火焰更接近動(dòng)量控制狀態(tài)(Frf大)，得到更大的無(wú)量綱火焰長(zhǎng)度(L*)。但由于甲烷密度很小，導(dǎo)致動(dòng)量直徑明顯變小(dj*)，小的dj*是造成甲烷火焰變短的決定因素，它超過(guò)了化學(xué)當(dāng)量比f(wàn)s減小導(dǎo)致火焰長(zhǎng)度增長(zhǎng)的相反趨勢(shì)。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰長(zhǎng)度

第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射表9.5指出C2H2和C3H6的發(fā)煙點(diǎn)分別是?sp=0.51和1.12mg/s，而甲烷那么不生成碳煙；相應(yīng)的最大輻射分?jǐn)?shù)分別近似等于0.6、0.45和0.15。這清楚地說(shuō)明，火焰內(nèi)的碳煙對(duì)火焰的輻射分?jǐn)?shù)有重要影響。②χR由火焰尺寸(dj)和釋熱率決定。當(dāng)固定燃燒速率而減小火焰尺寸，或者固定火焰尺寸而增大燃燒速率時(shí)，都會(huì)造成輻射分?jǐn)?shù)的減小。雖然在實(shí)際中，特別是考慮碳煙形成反響動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，整個(gè)輻射過(guò)程要復(fù)雜得多，但是用簡(jiǎn)單量綱分析仍然可以解釋其變化趨勢(shì)。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射如果認(rèn)為整個(gè)火焰是一個(gè)均勻的釋放熱量或?qū)ν廨椛涞脑?，那么火焰能量的減少速率可近似寫(xiě)為其中，ap是一個(gè)較為合理的火焰吸收系數(shù)，Vf和Tf分別是火焰的體積和溫度。那么輻射分?jǐn)?shù)可寫(xiě)為：根據(jù)前面的討論，在動(dòng)量控制狀態(tài)下火焰長(zhǎng)度正比于噴嘴直徑dj，可如下估計(jì)火焰體積：且：將折算后的Vf和?F代入上式得：第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射

第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射圖13.14顯示了含微量碳煙的甲烷火焰的光譜輻射強(qiáng)度，圖13.15顯示了富含碳煙的乙烯火焰的光譜輻射強(qiáng)度。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射比照?qǐng)D13.14和圖13.15，發(fā)現(xiàn)在2.5~3μm和4~5μm兩個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)都出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)度峰值，這對(duì)應(yīng)于分子輻射。相反，乙烯火焰那么在相對(duì)短的波長(zhǎng)內(nèi)有連續(xù)的強(qiáng)輻射光譜，峰值出現(xiàn)在1.5μm左右。這一特性在甲烷火焰中是沒(méi)有的?？捎镁S恩(Wien)位移定律估計(jì)乙烯火焰中碳煙黑體輻射最大強(qiáng)度所處的波長(zhǎng)，即：其中：Tf表示乙烯-空氣化學(xué)當(dāng)量絕熱火焰溫度(2369K)。由于火焰并不絕熱，實(shí)際的火焰溫度必然低于2369K，而λmax那么必然大于1.22μm。如果用圖13.15的實(shí)驗(yàn)結(jié)果λmax=1.5μm，那么計(jì)算出的特征火焰溫度大約為1930K。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——火焰輻射

第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄有趣的是，推舉高度與噴嘴直徑之間并沒(méi)有多少相關(guān)性，而層流火焰速度越小，h曲線(xiàn)增加的斜率也越大，且SL,CH4<SL,C3H8<SL,C2H4文獻(xiàn)[34]用第一個(gè)理論對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了解釋?zhuān)⑶医⒘诉m用于描述“碳?xì)浠衔?空氣〞推舉火焰特性的關(guān)系式：第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄其中，SL,max表示最大層流火焰速度，對(duì)于碳?xì)浠衔飦?lái)說(shuō)，最大速度出現(xiàn)在化學(xué)當(dāng)量比(Φ=1)附近。同樣，假設(shè)假設(shè)推舉火焰的根底是預(yù)混火焰，那么用“理論一〞中預(yù)混湍流火焰的概念也可以去解釋吹熄現(xiàn)象。當(dāng)湍流燃燒速度隨下游距離增加而減小的速度要快于滿(mǎn)足SL,max位置處局部氣流流速的減少速度時(shí)，將發(fā)生吹熄現(xiàn)象。譯者注:當(dāng)流速增加時(shí)，推舉高度不斷上升，比照來(lái)看，火焰根部的流速和湍流燃燒速度都隨推舉距離的增加而相應(yīng)減小，而在某臨界點(diǎn)以后，湍流燃燒速度的減小速率要快于最大層流燃燒速度處局部流速的減小速度，即再也找不到可以平衡的點(diǎn)，而差距只會(huì)越來(lái)越大，此時(shí)，發(fā)生吹熄。因此，即使混合物仍然處在著火范圍內(nèi)，只要一超過(guò)臨界推舉高度，火焰馬上被吹熄。文獻(xiàn)[35]建立了以下關(guān)系式來(lái)計(jì)算射流火焰吹熄速度:第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄其中，雷諾數(shù)：特征長(zhǎng)度H是平均燃料濃度降到化學(xué)當(dāng)量以下時(shí)的軸向距離?？捎上旅婀角蟪觯旱谑峦牧鞣穷A(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄如圖13.17所示，上面的公式(13.18)對(duì)許多燃料都適用。當(dāng)燃料固定，吹熄速度將隨射流直徑的增加而增加。這就是為什么油井熄火十分困難的原因(通常油井直徑比較大)。例13.3計(jì)算丙烷-空氣射流火焰的吹熄速度，并計(jì)算在初始吹熄條件下，火焰的推舉高度。噴嘴直徑6.17mm，環(huán)境條件：P=1atm，T∞=300K。丙烷出口溫度300K，丙烷密度1.854kg/m3。解：用文獻(xiàn)[35]的公式(13.18a)來(lái)確定吹熄速度。首先確定特征長(zhǎng)度H(公式(13.18c)，并求出所對(duì)應(yīng)的ReH(式(13.18b))。求H：為了求出ReH，還需要求出丙烷-空氣的最大層流火焰速度SL,max，以及丙烷在300K時(shí)的動(dòng)力粘度μ：第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄引用Metghalchi和Keck的火焰速度關(guān)聯(lián)式(表8.3)注意，這里SL,max發(fā)生在Φ=ΦM=1.08處?？傻茫翰捎么迪ㄋ俣汝P(guān)聯(lián)式(公式(13.18a))進(jìn)展計(jì)算最后計(jì)算初始吹熄速度ve為第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄根據(jù)求出的速度，查圖13.16，可以得到初始吹熄時(shí)的推舉高度:注：將上述結(jié)果與例13.1比較可以看出，例13.1中的火焰已經(jīng)相當(dāng)接近吹熄極限了。這時(shí)需要一些穩(wěn)燃的措施防止其進(jìn)一步推舉。與例13.1相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，可以采用小氫氣火焰(約1.4%丙烷量)來(lái)引燃，從而防止進(jìn)一步推舉。第十三章湍流非預(yù)混火焰——13.2射流火焰——推舉和吹熄在大多數(shù)應(yīng)用非預(yù)混火焰的實(shí)際設(shè)備中，燃燒需要的空氣經(jīng)常以與燃料同流的形式引入，這和我們上面所討論的燃料都是射入靜止的空氣中有區(qū)別。圖13.18所示的簡(jiǎn)單設(shè)備用來(lái)產(chǎn)生較長(zhǎng)的明亮火焰。在這項(xiàng)設(shè)計(jì)中，空氣在燃料管的同心外環(huán)內(nèi)流動(dòng)。燃燒器耐火磚將