【清華大學(xué)-燃燒學(xué)】燃燒理論-9-層流擴(kuò)散火焰

燃燒理論九層流非預(yù)混擴(kuò)散火焰

NonpremixedDiffusonal第一講2020/11/21Saturday32020/11/21Saturday4B.S.WorcesterPolytechnicInstitute,1908Ph.D,M.A.,ClarkUniversity,19121926年，在馬薩諸塞州冰雪覆蓋的草原上，戈達(dá)德發(fā)射了人類歷史上第一枚液體火箭(液氧和汽油)?；鸺L(zhǎng)約3.4米，發(fā)射時(shí)重量為4.6公斤。飛行延續(xù)了約2.5秒，最大高度為12.5米，飛行距離為56米。RobertH.Goddard——現(xiàn)代火箭之父普林斯頓大學(xué)R.H.Goddard講座教授R.H.Goddard"Ithasoftenprovedtruethatthedreamofyesterdayisthehopeoftoday,andtherealityoftomorrow."F.A.WilliamsC.K.Law中國(guó)也有這類Scientist——陸家羲?。?！背景(Backgrounds)燃料的射流火焰；蠟燭的火焰；本生燈的外焰；碳煙(Soot)的形成；NO2和CO的形成；控制火焰尺寸和形狀的工業(yè)設(shè)施。2020/11/21Saturday5JetflameCandleflameBunsenouterflame2020/11/21Saturday6預(yù)混火焰非預(yù)混火焰預(yù)混火焰和非預(yù)混燃燒的區(qū)別Thestructureofnonpremixedflameconsistsofthreezones,withareactionzoneseparatingafuel-richzoneandoxidizer-richzone.C.K.Law,Combustionphysics,2006Q-1內(nèi)容未燃常密度層流射流射流火焰的物理描述Burke-Schumann簡(jiǎn)化理論描述圓口和狹縫燒嘴的火焰長(zhǎng)度Soot形成及氧化分解對(duì)吹火焰的介紹2020/11/21Saturday71.未反應(yīng)常密度層流射流NonreactingJet物理描述:燃料射入氧化劑中可通過(guò)其了解基本的流動(dòng)和混合過(guò)程圖9.1顯示了燃料射流的基本特征2020/11/21Saturday8中心線Note:vx,0-x,nthorder火焰勢(shì)核(potentialcore)：速度和燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變且處處相等。從該核到射流邊界，速度與燃料濃度均單調(diào)遞減到0。在勢(shì)核(隱核)之外，(x>xc)，粘性剪切力和質(zhì)量擴(kuò)散在整個(gè)射流區(qū)域內(nèi)都起作用。2020/11/21Saturday在整個(gè)流場(chǎng)里面，初始的射流動(dòng)量是守恒的。當(dāng)燃料流向周圍的空氣時(shí)，它的一部分動(dòng)量就傳給了空氣，因此燃料的速度減?。煌瑫r(shí)在流場(chǎng)中越往下游，進(jìn)入射流區(qū)域里的空氣量就越多。這可以用動(dòng)量守恒的積分表達(dá)式來(lái)表示：其中e和ve分別為噴管口燃料的密度和速度。2020/11/21Saturday10影響流場(chǎng)的是動(dòng)量的對(duì)流和擴(kuò)散，而影響燃料濃度場(chǎng)的則是物質(zhì)的對(duì)流和擴(kuò)散，這兩者具有一定的類似性，因此燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yf(r,x)和無(wú)量綱速度vx(r,x)/ve也應(yīng)該具有類似的分布規(guī)律。和初始射流動(dòng)量類似，從噴嘴流入的燃料質(zhì)量也是守恒的，即：2020/11/21Saturday11Q-1：有反應(yīng)存在的時(shí)候，還守恒嗎？想想混合物分?jǐn)?shù)物理意義？現(xiàn)在需要確定的就是速度場(chǎng)和燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)場(chǎng)的具體分布。2020/11/21Saturday12假設(shè)1、射流和周圍流體的摩爾質(zhì)量相等。有了這個(gè)假設(shè)，加上理想氣體性質(zhì)，并設(shè)流場(chǎng)內(nèi)壓力和溫度都是常數(shù)，那么整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)流體的密度也就是常數(shù)。Q-2？2、物質(zhì)之間的擴(kuò)散為遵從費(fèi)克定律的簡(jiǎn)單二元擴(kuò)散。3、動(dòng)量和組分的擴(kuò)散率都是常數(shù)，且相等，即施密特?cái)?shù)（Sc=γ/D）等于1。4、只考慮物質(zhì)的徑向動(dòng)量擴(kuò)散，忽略軸向擴(kuò)散。因此，下面得出的結(jié)論只在距離噴嘴出口下游一定距離的地方，也就是隱核以外的地方才適用，因?yàn)殡[核內(nèi)部軸向擴(kuò)散起著較大的作用，不能忽略。2020/11/21Saturday13守恒定律方程邊界層方程：(第七章)質(zhì)量守恒軸向動(dòng)量守恒2020/11/21Saturday14組分守恒:針對(duì)燃料射流由于組分只有燃料和氧化劑兩種，所以兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相加應(yīng)該為1。2020/11/21Saturday15邊界條件為了求解未知的vx(r,x),vr(r,x),YF(r,x)在軸線上：(r=0)2020/11/21Saturday16r=0r=在徑向無(wú)窮遠(yuǎn)處(r)，流體速度為0，且沒有燃料：在射流出口，(x=0)，假設(shè)噴嘴內(nèi)部（r≤R）的軸向速度和燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)都相等，而在噴嘴外部其值均為零，即：2020/11/21Saturday172020/11/21Saturday18Solution求解速度場(chǎng)可以通過(guò)相似理論來(lái)實(shí)現(xiàn)，相似性就是指速度的固有形狀在流場(chǎng)內(nèi)的每個(gè)地方都是一樣的。2020/11/21Saturday19對(duì)于現(xiàn)在討論的情況來(lái)說(shuō)，這就意味著用中心線速度vx(0,x)將相同軸向距離處速度vx(r,x)標(biāo)準(zhǔn)化后，得到的無(wú)量綱速度僅僅是相似變量r/x的函數(shù)。SchlichtingH.(1933):粘性流體力學(xué)章梓雄、董曾南其中Je是初始的動(dòng)量流率(單位)，2020/11/21Saturday20ξ里面包含著相似變量r/x，將(9.10)代入(9.8)并加以整理，即可得到軸向速度分布的無(wú)量綱形式：2020/11/21Saturday21回過(guò)去，推導(dǎo)一下再令r=0(ξ=0)，即可得到中心線速度的衰減關(guān)系式：從(9.12)中我們可以看出，該無(wú)量綱速度vx/ve和軸向距離成反比，和射流的雷諾數(shù)（Rej=eveR/）成正比。另外對(duì)于(9.13)，在靠近噴嘴的地方，vx/ve會(huì)大于1，因此這個(gè)解不再適用？？Q-22020/11/21Saturday22由(9.13)作出的中心線速度變化曲線如圖9.2所示，從圖中可以明顯地看到，射流的雷諾數(shù)越低，中心線速度的衰減就越快。這是由于雷諾數(shù)減小時(shí)，射流的初始動(dòng)量和粘性剪切力作用相比，其重要性變小，因此減慢了射流速度。2020/11/21Saturday23下面進(jìn)行濃度場(chǎng)的求救。對(duì)比(9.4)和(9.5)可以看出，如果Sc=γ/D=1，那么燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)YF和無(wú)量綱速度vx/ve的表達(dá)式就完全相同。2020/11/21Saturday24比較一下其中QF是燃料在噴嘴處的體積流率(QF=veR2).對(duì)于(9.16)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到以射流雷諾數(shù)為參數(shù)的表達(dá)式：中心線的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：2020/11/21Saturday25Axialdecay:Radialdecay:其它常用的射流參數(shù)有噴射速率和噴射角α。在此，我們先引入射流半寬，r1/2，這一概念：在射流的某一軸向距離處，當(dāng)射流速度減小到該軸向距離處中心線速度一半時(shí)的徑向距離為此軸向距離處的射流半寬，如圖9.3所示。射流半寬的表達(dá)式可以通過(guò)聯(lián)立(9.12)和(9.13)，并令vx/vx,0=1/2得到。2020/11/21Saturday272020/11/21Saturday28有了射流半寬這一概念，我們就可以這樣來(lái)定義噴射率和噴射角：噴射率是射流半寬和軸向距離的比值，正切值等于噴射率的角度即為噴射角，其表達(dá)式分別如下所示：及2020/11/21Saturday29同前面一樣，這個(gè)解只在距離噴嘴一定距離以外地方才適用，這個(gè)范圍的無(wú)量綱軸向距離和雷諾數(shù)的關(guān)系為：由于(9.18)和(9.13)是一樣的，因此圖9.2也就是中心線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的衰減曲線。2020/11/21Saturday30Break！2020/11/21Saturday31特別祝賀姚強(qiáng)老師成為國(guó)際燃燒會(huì)議的執(zhí)行編委(2008-2013)!例題9.1乙烯射流從直徑10毫米的圓管射入300K，1atm的靜止空氣中。設(shè)初始射流速度為10cm/s和1.0cm/s，比較兩種速度下噴射角以及當(dāng)射流中心線上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于化學(xué)當(dāng)量值時(shí)的高度。乙烯在300K，1atm下的粘度為102.3×10-7N-s/m2.2020/11/21Saturday32答案2020/11/21Saturday33例題9.2根據(jù)例題9.1中的情況2，(ve=1.0cm/s,R=5mm)，如果出口速度上升到10cm/s，試求為了保持流量，出口半徑需要變?yōu)槎啻?。同時(shí)，試求YF,0=YF,stoic的軸向位置并與情況2比較。2020/11/21Saturday34答案A.B.2020/11/21Saturday35燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布取決于初始質(zhì)量流率(體積流率)，而非速度答案B.2020/11/21Saturday36燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的空間分布取決于初始質(zhì)量流率(體積流率)，而非速度2.射流火焰的物理描述層流射流的燃燒情況在很大程度上和前面討論的等溫射流的一樣的。燃料一邊沿著軸向流動(dòng)一邊快速向外擴(kuò)散，同時(shí)氧化劑（如空氣）迅速向內(nèi)擴(kuò)散。BurkeandSchumann(1928)給出了非預(yù)混火焰最早理論分析。2020/11/21Saturday37Burke-SchumannFlame(BSF)是一種受限的層流氣體非預(yù)混火焰！術(shù)語(yǔ)：ConfinedJetQ-4?BSF實(shí)驗(yàn)臺(tái)fromProf.J.Y.ChenUCBerkeleyUnderventilatedflame2020/11/21Saturday38Law2006,combustionphysics(1)Burke-Schumann非預(yù)混火焰的兩種情況過(guò)通風(fēng)火焰過(guò)通風(fēng)火焰欠通風(fēng)火焰過(guò)通風(fēng)火焰2020/11/21Saturday39燃料一邊沿著軸向流動(dòng)一邊快速向外擴(kuò)散，同時(shí)氧化劑（如空氣）迅速向內(nèi)擴(kuò)散。在流場(chǎng)中，燃料和氧化劑之比為化學(xué)當(dāng)量比的點(diǎn)就構(gòu)成了火焰表面。層流非預(yù)混火焰(特征一)：火焰表面定義過(guò)通風(fēng)非預(yù)混火焰在這里需要注意的是，雖然燃料和氧化劑在火焰處都消耗了，但是產(chǎn)物的組成成分只和Φ的取值有關(guān)，因此當(dāng)量比仍然有意義。產(chǎn)物在火焰表面形成后，就向著內(nèi)外側(cè)快速擴(kuò)散。對(duì)于富氧燃燒，周圍存在著過(guò)量的氧化劑，火焰長(zhǎng)度Lf可以這樣定義：2020/11/21Saturday40火焰表面定義在整個(gè)火焰中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域通常來(lái)說(shuō)是很窄的，就像圖9.4中看到的一樣，在到達(dá)火焰頂部以前，高溫的反應(yīng)區(qū)是一個(gè)環(huán)形的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)顯示出來(lái)，即在本生燈的火焰前面垂直于軸線放置一個(gè)金屬濾網(wǎng)，在火焰區(qū)對(duì)應(yīng)的地方濾網(wǎng)就會(huì)受熱而發(fā)光，就可以看到這種環(huán)形的結(jié)構(gòu)。2020/11/21Saturday41層流非預(yù)混火焰(特征二)：火焰長(zhǎng)度定義在垂直火焰的上部，由于氣體較熱，浮力的作用就不能不考慮了。浮力的存在在加快氣體流動(dòng)的同時(shí)，也使火焰變窄。由質(zhì)量守恒定律我們知道，當(dāng)速度變大時(shí)，流體的流線將變得彼此靠近。也就導(dǎo)致了燃料的濃度梯度dYF/dr的增加，也增強(qiáng)了擴(kuò)散作用。2020/11/21Saturday42由于這兩種現(xiàn)象對(duì)圓噴嘴火焰長(zhǎng)度的影響很小[6,7]，因此下面推導(dǎo)的簡(jiǎn)化理論雖然忽略了浮力，也能夠合理地計(jì)算出圓口或方口射流的火焰長(zhǎng)度。層流非預(yù)混火焰(特征三)：浮力的影響在碳?xì)浠衔锏娜紵鹧嬷校捎诮?jīng)常會(huì)有碳黑存在，火焰就可能呈現(xiàn)為橙色或黃色。2020/11/21Saturday43Q-5：乙烯、甲烷、航空汽油層流非預(yù)混火焰(特征四)：碳煙Soot的產(chǎn)生2020/11/21Saturday44如果有充分的時(shí)間碳煙就會(huì)在反應(yīng)區(qū)的燃料側(cè)生成并在流向氧化區(qū)過(guò)程中不斷被氧化、消耗由于燃料和火焰停留時(shí)間的不同，在燃料側(cè)形成的碳煙在向高溫氧化區(qū)移動(dòng)的過(guò)程中可能無(wú)法被完全氧化在這種情況下，soot就會(huì)沖出火焰而形成碳黑的“翼”，這部分從火焰中出來(lái)的碳黑就是我們通常說(shuō)的說(shuō)的煙。2020/11/21Saturday45圖9.6是一個(gè)乙烯火焰的照片，在圖中可以看到焰舌的右邊出現(xiàn)了碳黑翼。在本章的最后一部分，還將對(duì)碳黑的形成和消失做較為詳細(xì)的討論。2020/11/21Saturday46在層流噴射非預(yù)混火焰中，還有一個(gè)突出的特點(diǎn)，就是火焰長(zhǎng)度和初始條件之間的關(guān)系。對(duì)于圓口火焰來(lái)說(shuō)，火焰長(zhǎng)度和初始速度以及管徑都無(wú)關(guān)，但是和初始體積流量QF有關(guān)。再由于QF=veπR2，不同ve和R的組合也可以得到相同的火焰長(zhǎng)度。這一點(diǎn)的合理性可以從非反應(yīng)層流射流中應(yīng)用前面的分析結(jié)果（見例9.2）中得到驗(yàn)證。2020/11/21Saturday47層流非預(yù)混火焰(特征五)：火焰長(zhǎng)度-流量的關(guān)聯(lián)對(duì)前面得出的(9.16)，如果忽略反應(yīng)放熱，并將其中的YF改為YF,stoic，那么(9.16)就可以作為火焰邊界的粗略描述方程。如果再令r=0，就可以得到火焰長(zhǎng)度為：2020/11/21Saturday48由此可以看出，火焰長(zhǎng)度確實(shí)是和體積流量成正比而且還和燃料的化學(xué)當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比。這就意味著如果燃料完全燃燒需要較少的空氣，那么燃燒的火焰也就較短。接下來(lái)，我們將對(duì)更確切的火焰長(zhǎng)度近似解進(jìn)行推導(dǎo)，以便在工程計(jì)算中使用。2020/11/21Saturday49作業(yè)9.19.39.79.9補(bǔ)充一個(gè)作業(yè)：H2射流和甲烷射流，那個(gè)速度衰減快，請(qǐng)給出具體原因分析．2020/11/21Saturday50第二講2020/11/21Saturday511.寫出質(zhì)量分?jǐn)?shù)YF(r,x)和無(wú)量綱速度vx(r,x)/ve的2類形式的表達(dá)式；2020/11/21Saturday522.Peclet數(shù)如何表征？和雷諾數(shù)在什么條件下相等；1.Overviewoflastclass；3.射流火焰的一些特征，火焰面、火焰長(zhǎng)度、易形成Soot、浮力影響為何有時(shí)可忽略；3.簡(jiǎn)化理論描述最早的關(guān)于層流噴射擴(kuò)散火焰的理論描述是Burke和Schumann[4]在1928年發(fā)表的。雖然做了很多假設(shè)，例如認(rèn)為速度場(chǎng)在每個(gè)地方的分布都是恒定，并且平行于火焰軸，他們的理論也僅能夠較為合理地對(duì)軸對(duì)稱（如圓口）火焰的火焰長(zhǎng)度進(jìn)行求解。在此之后，其他的研究者對(duì)其理論進(jìn)行擴(kuò)展提煉，但一直保留著恒速這一假設(shè)。2020/11/21Saturday53

1977年，Roper發(fā)表了他的理論學(xué)說(shuō)，其中保留了Burke-Schumann理論中的基本簡(jiǎn)化，但是去掉了恒速這一條件，他的結(jié)論給出了圓口和方口噴嘴燃燒的火焰長(zhǎng)度的合理解。接下來(lái)我們將推導(dǎo)這個(gè)適用于工程計(jì)算的結(jié)論。2020/11/21Saturday54首先，我們先來(lái)看看問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述，以便了解問(wèn)題固有的難度，從而體會(huì)簡(jiǎn)化理論的妙處。先將給出的是一些通用方程，其中包含了速度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度這些大家熟悉的變量；然后根據(jù)合理的假設(shè)得到用守恒標(biāo)量來(lái)表示的關(guān)系式，再對(duì)這兩個(gè)偏微分方程求解就可以得到該問(wèn)題的解了。2020/11/21Saturday553-1基本假設(shè)1、流動(dòng)為穩(wěn)定的軸對(duì)稱層流，燃料由半徑為R的圓形噴嘴噴出，在靜止的、無(wú)限大的、充滿氧化劑的空間里燃燒。2、只有燃料、氧化劑和產(chǎn)物三種物質(zhì)存在，火焰面內(nèi)部只存在燃料和產(chǎn)物，火焰外部只存在氧化劑和產(chǎn)物。3、火焰表面，燃料和氧化劑按化學(xué)當(dāng)量比進(jìn)行反應(yīng)。化學(xué)動(dòng)力學(xué)速度無(wú)限快，意味著火焰只存在于一個(gè)無(wú)限薄的薄層里；這就是通常說(shuō)的“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)。4、物質(zhì)間的擴(kuò)散為遵從費(fèi)克定律的簡(jiǎn)單二元擴(kuò)散。5、熱擴(kuò)散率和質(zhì)量擴(kuò)散率相等，即路易斯數(shù)（Le=α/D）等于1。6、忽略輻射換熱。7、只考慮徑向的動(dòng)量、熱和物質(zhì)擴(kuò)散，而忽略軸向的各種擴(kuò)散；8、火焰的軸線垂直向上。2020/11/21Saturday562020/11/21Saturday57“火焰面近似”(Flame-sheetapproximation)3-2基本守恒方程質(zhì)量守恒軸向動(dòng)量守恒這個(gè)方程適用于整個(gè)空間，即火焰面內(nèi)部和外部都適用，并且在火焰薄片處保持連續(xù)。2020/11/21Saturday58Q-1:浮力影響物質(zhì)守恒火焰片假設(shè)給出了火焰面內(nèi)、外的產(chǎn)物質(zhì)量產(chǎn)率()均為零這一條件，所有的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象都體現(xiàn)在邊界條件里面，因此(7.20)可以寫作：2020/11/21Saturday59產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：能量守恒（火焰面的前、后）反應(yīng)放熱是邊界條件，其中邊界為火焰表面。2020/11/21Saturday60Q-2:有反應(yīng)時(shí)方程附加關(guān)系和方程歸結(jié)狀態(tài)方程：2020/11/21Saturday615個(gè)方程：質(zhì)量，動(dòng)量，燃料，氧化劑和能量5個(gè)未知的函數(shù)：任務(wù)艱巨未知的火焰面位置：引入守恒標(biāo)量表示。2020/11/21Saturday62守恒標(biāo)量的概念這里我們只討論其中的兩個(gè)：一個(gè)是下面定義的混合物分?jǐn)?shù)；一個(gè)是前面提到的混合物絕對(duì)焓。2020/11/21Saturday63混合分?jǐn)?shù)：f,Z在燃料中為1，在氧化劑中為0!!!推導(dǎo)過(guò)程Q-22020/11/21Saturday642020/11/21Saturday652020/11/21Saturday66守恒標(biāo)量能量方程最原始式子3-3新建立的4個(gè)守恒方程a.混合物分?jǐn)?shù)守恒方程(New)b.絕對(duì)焓守恒方程(New)c.連續(xù)性方程d.動(dòng)量守恒方程2020/11/21Saturday67(a)守恒標(biāo)量的推導(dǎo)混合分?jǐn)?shù)：f的邊界條件2020/11/21Saturday68因?yàn)樵诨鹧嫣巉=fstoic，所以只要知道了f(r,x)的分布，也就能得到火焰的位置。(b)絕對(duì)焓守恒方程能量方程可以寫為：和混合分?jǐn)?shù)一樣，h在火焰面也連續(xù)，其邊界條件如下：2020/11/21Saturday69如何構(gòu)造(c-d)質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程質(zhì)量守恒軸向動(dòng)量守恒這個(gè)方程適用于整個(gè)空間，即火焰面內(nèi)部和外部都適用，并且在火焰片處保持連續(xù)。2020/11/21Saturday70我們只需要用守恒量來(lái)代替物質(zhì)組分方程和能量方程，這對(duì)連續(xù)方程和軸向動(dòng)量方程沒有影響，因此不對(duì)前面得到的(9.23)和(9.24)做變換。速度的邊界條件和非反應(yīng)射流的邊界條件一樣：最后，要確定密度：(r,x)?。?！2020/11/21Saturday713-4無(wú)量綱方程在這里，我們使用噴嘴半徑R為特征長(zhǎng)度，噴嘴出口速度ve為特征速度來(lái)定義下面的無(wú)量綱空間坐標(biāo)和速度：2020/11/21Saturday72混合分?jǐn)?shù)f（0≤f≤1）本身就是一個(gè)無(wú)量綱變量，可以直接使用。而混合物的絕對(duì)焓h具有量綱，對(duì)此則做如下定義：注意，在燒嘴出口，h=hF,e且h*=1；而在環(huán)境中(r),h*=02020/11/21Saturday73再定義如下的無(wú)量綱密度，來(lái)使控制方程完全無(wú)量綱化：其中e是燒嘴出口的燃料密度2020/11/21Saturday74將這些無(wú)量綱變量和參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的物理量聯(lián)系起來(lái)，再代入前面的基本守恒方程里面，就可以得到下面的無(wú)量綱控制方程：連續(xù)性2020/11/21Saturday75軸向動(dòng)量雷諾數(shù)和Freud數(shù)混合分?jǐn)?shù)2020/11/21Saturday76無(wú)量綱焓上述方程無(wú)量綱的邊界條件為：2020/11/21Saturday77中心線R無(wú)窮遠(yuǎn)中心線對(duì)稱出口通過(guò)觀察這些無(wú)量綱控制方程和邊界條件，我們可以得到一些有意思的結(jié)論。首先，混合分?jǐn)?shù)和無(wú)量綱焓的方程以及邊界條件是一樣的形式，就是說(shuō)f和h*在他們各自的控制方程里的所處的地位是一樣的。因此只需要對(duì)(9.38)和(9.39)中的一個(gè)進(jìn)行求解就可以了，例如已經(jīng)解出了f(r*,x*)，那么就可以認(rèn)為h*(r*,x*)=f(r*,x*)。2020/11/21Saturday78附加假設(shè)如果忽略浮力的作用，那么軸向動(dòng)量方程(9.37)的右邊項(xiàng)就為零，這個(gè)方程和混合分?jǐn)?shù)以及無(wú)量綱焓方程相對(duì)比，就只有其中的μ和后者中的ρD是不一樣的了。如果再假設(shè)μ和ρD相等，那么問(wèn)題就可以得到進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。施密特?cái)?shù)Sc定義如下：2020/11/21Saturday79如果μ=ρD，那么即施密特?cái)?shù)為1（Sc=1）。前面已經(jīng)做了熱擴(kuò)散率和質(zhì)量擴(kuò)散率相等的假設(shè)（Le=1）。忽略了浮力的作用，并做了Sc=1這個(gè)假設(shè)，前面的軸向動(dòng)量、混合分?jǐn)?shù)（物質(zhì)）和焓（能量）方程（9.37～9.39）就可以用下面這個(gè)統(tǒng)一的式子來(lái)表達(dá)：式中的通用變量=vx*=f=h*，雷諾數(shù)Re=eveR/。2020/11/21Saturday80狀態(tài)關(guān)系式為了對(duì)上述射流火焰的問(wèn)題進(jìn)行求解，需要將無(wú)量綱密度ρ*（=ρ/ρe）和混合分?jǐn)?shù)或其它任何一個(gè)守恒量聯(lián)系起來(lái)。為此將引入理想氣體狀態(tài)方程(9.28)，但是這又必須知道各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度，因此接下來(lái)要做的就是將各組分的Yi和T表示為混合分?jǐn)?shù)的函數(shù)，然后就可以得到所需要的函數(shù)關(guān)系式ρ=ρ(f)了。對(duì)于我們考慮的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，在火焰內(nèi)部只有燃料和產(chǎn)物，火焰外只有氧化劑和產(chǎn)物（參見假設(shè)2），需要確定的是下面的狀態(tài)關(guān)系式：2020/11/21Saturday812020/11/21Saturday82由火焰面的假設(shè)（假設(shè)3），對(duì)于火焰內(nèi)、火焰面處和火焰外的YF、YOx和YPr，都可以用混合分?jǐn)?shù)的定義將其同f聯(lián)系起來(lái)，如圖9.7所示，其關(guān)系為：2020/11/21Saturday83火焰內(nèi)部(fstoic<f1)2020/11/21Saturday84從定義式出發(fā)在火焰面上(f=fstoic)2020/11/21Saturday85火焰外部(0f<fstoic)2020/11/21Saturday862020/11/21Saturday87由上面的結(jié)論可知所有組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都與混合分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系，如圖9.8所示。SecondBreak2020/11/21Saturday88狀態(tài)關(guān)系式-溫度分布為了將混合物的溫度表示為混合物分?jǐn)?shù)f的函數(shù)，還需要引入熱量狀態(tài)方程(2.4)。像前面幾章那樣，這里也應(yīng)用Spalding理論，并做下面的假設(shè)：1、所有組分的比熱均為常數(shù)，并且彼此相等，即cp,F=cp,Ox=cp,Pr≡cp。2、氧化劑和產(chǎn)物的生成焓均為零，即hof,Ox=hof,Pr=0。這就使得燃料的生成焓和燃燒熱相等。2020/11/21Saturday89將(9.48)代入無(wú)量綱焓h*的定義式(9.35e)中，并利用控制方程中h*=f這一相似性，可以得到：2020/11/21Saturday90式中用到了和這兩個(gè)焓定義式。通過(guò)求解(9.49)，再注意到Y(jié)F也是混合分?jǐn)?shù)f的函數(shù)，就可以得到關(guān)于T的狀態(tài)關(guān)系式：2020/11/21Saturday91將YF在火焰內(nèi)、火焰面處和火焰外的表達(dá)式（9.44a、9.45a和9.46a）代入(9.50)，就可以得到下面的結(jié)論：火焰內(nèi)部(fstoic<f1)2020/11/21Saturday92在火焰面上(f=fstoic)火焰外部(0f<fstoic)2020/11/21Saturday932020/11/21Saturday94溫度在火焰面內(nèi)部和外部均為線性分布，并在火焰面處達(dá)到最大值4各種不同的解法4.1Burke-Schumann解；4.2常密度近似解；4.3變密度近似解；4.4Ropper的近似解；4.5數(shù)值解(不做要求)4.6P.Sutherland的最新工作2020/11/21Saturday95P.B.Sunderland,et.al,Combust.Flame116(1999)376–386;Combust.Flame152(2008)60–684.1Burke-Schumann的簡(jiǎn)化解在忽略浮力作用的基礎(chǔ)上，再加上速度不變這個(gè)假設(shè)，就可以去掉軸向動(dòng)量方程(9.24)了。雖然那個(gè)時(shí)候還沒有正式地提出守恒標(biāo)量這個(gè)概念，但他們對(duì)物質(zhì)方程的處理后也得到了和守恒標(biāo)量方程一樣的形式。由于vr=0，質(zhì)量守恒定律(9.23)決定了ρvx為常數(shù)，因此物質(zhì)守恒方程(9.25)就可以寫作：2020/11/21Saturday96Burke和Schumann最早得到了層流圓管射流火焰問(wèn)題的近似解[4]。對(duì)于軸對(duì)稱和二維模型，他們都使用了火焰面近似，并簡(jiǎn)單地認(rèn)為流體的速度不變，即vx=v，vr=0。這個(gè)方程里面不包含物質(zhì)生成率項(xiàng)，因此對(duì)它求解還需要知道火焰邊界。為了回避火焰邊界的問(wèn)題，Burke和Schumann將燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定義擴(kuò)展到整個(gè)流場(chǎng)里面，認(rèn)為燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在燃料流中內(nèi)取1，火焰面處取0，純氧化劑取-1/v，即–fstoic/(1–fstoic)。這樣，在火焰外面就出現(xiàn)了為負(fù)值的燃料濃度。2020/11/21Saturday97將這個(gè)定義式代入(9.53)中，就可以得到前面的f守恒標(biāo)量方程(9.30)。2020/11/21Saturday98從前面的知識(shí)中可以知道，他們定義的燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)YF可以用混合分?jǐn)?shù)表示如下：用ρrefDref替換(9.52)中的ρD，并將其從微分符號(hào)里面提出，再注意到ρvx=constant=ρrefvx,ref，就可以從中消去ρref從而得到下面這個(gè)式子：2020/11/21Saturday99進(jìn)一步假設(shè)密度和質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)的乘積為常數(shù)，即ρD=constant=ρrefDref。Q-3：在第三章里面，已知ρD和T1/2近似成正比，因此這只是一個(gè)近似的假設(shè)。這個(gè)式子里面，J0和J1分別為第零階和第一階貝塞耳函數(shù)，可參見相應(yīng)的數(shù)學(xué)參考書（如參考書19）；λm為方程J1(λmR0)=0的所有正根[19]；R和R0分別為燃料流動(dòng)和外部流動(dòng)的半徑；S在噴嘴和外部分別為燃料和氧化劑的化學(xué)當(dāng)量摩爾比。2020/11/21Saturday100這個(gè)偏微分方程的解YF(x,r)的表達(dá)式較復(fù)雜，并含貝塞耳函數(shù)?；鹧骈L(zhǎng)度Lf并不能直接解出，需求解下面的超越方程：Burke-Schumann的簡(jiǎn)化解總結(jié)由于做了一些近似的假設(shè)，Burke和Schumann理論得出的火焰長(zhǎng)度和圓管燃燒器理論得出的結(jié)果是基本一致的。Roper[6]提到過(guò)浮力的存在會(huì)使火焰變窄，使擴(kuò)散作用增強(qiáng)。Burke和Schumann也注意到了這種現(xiàn)象，并認(rèn)為Roper的觀點(diǎn)是正確的。Kee和Miller[10]對(duì)有無(wú)浮力作用的情況做了數(shù)值分析并進(jìn)行了對(duì)比，也精確地給出了浮力所帶來(lái)的影響。2020/11/21Saturday101Sunderland,etal(1999)4.2常密度解法如果認(rèn)為流體的密度為常數(shù)，那么方程組(9.23)、(9.24)和(9.30)的解就和未反應(yīng)射流的解一樣。此時(shí)，火焰長(zhǎng)度由(9.22)給出：2020/11/21Saturday1024.3變密度近似解Fay[5]對(duì)變密度的層流噴射火焰問(wèn)題進(jìn)行了求解。在他的求解中，忽略了浮力，因此軸向動(dòng)量方程得到了化簡(jiǎn)。對(duì)于熱物性參數(shù)，假設(shè)施密特?cái)?shù)和路易斯數(shù)都為1，這和建立控制方程過(guò)程中的假設(shè)是一致的，并設(shè)絕對(duì)粘度μ和溫度成正比，即：2020/11/21Saturday103Fay給出的火焰長(zhǎng)度的解為：其中是噴嘴的質(zhì)量流率，是遠(yuǎn)離火焰處環(huán)境流體的密度，I(/f)是Fay解里面通過(guò)數(shù)值積分得到的函數(shù)。2020/11/21Saturday104對(duì)于不同的環(huán)境與火焰密度比，/f/ref和I(/f)的值都列與表9.2注意到和則(9.57)可以寫成和常密度的解(9.56)相似的形式：2020/11/21Saturday105變密度層流射流火焰動(dòng)量積分近似2020/11/21Saturday106Ambient-to-flame變密度理論的求解結(jié)果比常密度理論的解大，二者之間相差倍數(shù)為：對(duì)于碳?xì)浠衔镌诳諝庵腥紵鹧妫扇?f=5和F=，此時(shí)根據(jù)變密度理論求得的火焰長(zhǎng)度約為常密度解的2.4倍。不管哪種計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)際數(shù)值，這兩種理論都指出了火焰長(zhǎng)度和噴嘴的體積流量成正比，和噴射流體的當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比，而與噴嘴直徑的大小無(wú)關(guān)。2020/11/21Saturday107火焰長(zhǎng)度的特征:FromUCBerkeley的學(xué)生實(shí)驗(yàn)：J.Y.Chen4.4Roper的簡(jiǎn)化解Roper[6]沿用了Burke-Schumann分析的主要思想，并加以擴(kuò)展，考慮了浮力的作用，認(rèn)為特征速度會(huì)隨著軸向距離改變，這和連續(xù)性也是一致的。除了圓口以外，Roper還分析了長(zhǎng)方形口和弧形口[6,8]燃燒器。他給出的分析解和經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)修正后的解將在下面單獨(dú)列出。2020/11/21Saturday1084.3數(shù)值解法(僅了解)火焰面假設(shè)不再必要熱輻射擴(kuò)散比不考慮輻射時(shí)低150K2020/11/21Saturday109第三講2020/11/21Saturday1105.圓口和扁口燃燒器的火焰長(zhǎng)度Roper關(guān)聯(lián)式對(duì)于各種幾何形狀（圓形、方形、槽形和弧形）的燃燒器，Roper都做了研究[6,8]，得出了對(duì)應(yīng)于不同控制情況（動(dòng)量控制、浮力控制和過(guò)渡區(qū)）下的層流射流火焰長(zhǎng)度，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了校核[7,8]。表9.3中簡(jiǎn)單列舉了Roper得到的結(jié)果，在下面還將對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行較為詳細(xì)的討論。2020/11/21Saturday1115.1圓口燃燒器2020/11/21Saturday112其中S是化學(xué)當(dāng)量氧化劑－燃料摩爾比，D是氧化劑在其溫度下的平均擴(kuò)散系數(shù)，TF和Tf分別是燃料流溫度和火焰平均溫度。5.2方口燃燒器式中inverf是反誤差函數(shù)。表9.4中列出了誤差函數(shù)erf的部分取值。從誤差函數(shù)表中查取反誤差函數(shù)和查反三角函數(shù)的方法一樣，即有ω=inverf(erfω)。和上面一樣，式中的所有量均采用國(guó)際單位制單位。2020/11/21Saturday1135.3槽形口－動(dòng)量控制式中的b為槽的寬度，h為槽的長(zhǎng)度（參見表9.3），β由下面的函數(shù)給出2020/11/21Saturday114bhI為實(shí)際流動(dòng)時(shí)槽流出的初始動(dòng)量流率與均勻流動(dòng)時(shí)值的比值，即：如果流動(dòng)是均勻的，則有I=1；若h>>b，則在流動(dòng)充分發(fā)展段內(nèi)有I=1.5。(9.63)和(9.64)僅適用于氧化劑靜止的情況。對(duì)于流動(dòng)氧化劑的情況，讀者可以參考文獻(xiàn)[6]和[7]。2020/11/21Saturday115槽形口-浮力控制式中a為平均浮力加速度，由下面的式子來(lái)計(jì)算2020/11/21Saturday116火焰長(zhǎng)度隨著a的變化不大，僅和a的-1/3次方成正比。槽形口-過(guò)渡區(qū)控制為了判斷火焰是受動(dòng)量控制還是受浮力控制，需要計(jì)算火焰的Froude數(shù)。從物理意義上來(lái)說(shuō)，F(xiàn)roude數(shù)為射流初始動(dòng)量流率和火焰處的浮力作用之比。對(duì)于噴入靜止介質(zhì)中的層流噴射火焰，有Frf,2020/11/21Saturday117而流動(dòng)為何種控制則可以由下面的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷：注意到在判斷流動(dòng)控制的時(shí)候，需要用到Lf，因此需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，看選取的控制是否正確。對(duì)過(guò)渡區(qū)，動(dòng)量和浮力都起著比較重要的作用，Roper給出了下面的處理方法：其中角標(biāo)M，B和T分別代表動(dòng)量控制、浮力控制和過(guò)渡區(qū)。2020/11/21Saturday1185.4火焰高度的影響因素2020/11/21Saturday119a)流率和幾何形狀的影響圖9.9中將圓口燃燒器和不同長(zhǎng)寬比的槽形口燃燒器的火焰長(zhǎng)度的對(duì)比.(各種情況下的噴口面積都相等，因此平均出口速度也都相等)

從圖中可以看到，圓口燃燒器的火焰長(zhǎng)度和燃料的體積流率成線性關(guān)系，而槽形口燃燒器的火焰長(zhǎng)度對(duì)燃料體積流量的變化率呈上升趨勢(shì)。1.火焰的弗勞德數(shù)都很小，即火焰是受浮力控制的2.當(dāng)h/d變大時(shí)，火焰會(huì)明顯地變短b)影響化學(xué)當(dāng)量的因素前面得出式子里面，用到了化學(xué)當(dāng)量摩爾比S這個(gè)概念，它是用噴射流體和環(huán)境流體來(lái)定義的：2020/11/21Saturday120可以看出，噴射流體和環(huán)境流體的化學(xué)成分都會(huì)影響到S的值。例如，對(duì)于純?nèi)剂虾陀玫獨(dú)庀♂尯蟮娜剂显诳諝庵腥紵@兩種情況，它們的S的取值就不同。類似的，氧氣在環(huán)境流體中的摩爾分?jǐn)?shù)也會(huì)影響到S。在大多數(shù)的應(yīng)用中，我們關(guān)心的主要是下面的幾個(gè)參數(shù)對(duì)S的影響。b-1)燃料類型對(duì)于純?nèi)剂?，化學(xué)當(dāng)量摩爾空燃比可以根據(jù)簡(jiǎn)單的原子平衡來(lái)計(jì)算。對(duì)于碳?xì)浠衔顲xHy，這個(gè)比值根據(jù)下面的式子來(lái)計(jì)算,其中xO2是空氣中的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)。2020/11/21Saturday1212020/11/21Saturday122在圖9.10給出了由圓口表達(dá)式(9.60)計(jì)算得出的氫氣、一氧化碳以及含1-4個(gè)碳的烷烴的火焰相對(duì)長(zhǎng)度。(其中的每種情況均具有相同的燃料流率，并都以甲烷的火焰長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn))。在這個(gè)式子中，認(rèn)為各種混合物都具有相同的平均擴(kuò)散系數(shù)，這只是一個(gè)近似的假設(shè)；而對(duì)于氫氣來(lái)說(shuō)，這個(gè)假設(shè)根本就不合理。一氧化碳和氫氣的火焰和碳?xì)浠衔锏南啾纫痰枚唷?Q-1?)b-2)一次風(fēng)對(duì)一個(gè)應(yīng)用層流射流擴(kuò)散火焰的燃?xì)庠O(shè)備，通常在氣體燃料在燃燒以前都要和空氣進(jìn)行部分預(yù)混，這部分預(yù)混的空氣就是一次風(fēng)。一次風(fēng)量一般為完全燃燒所需空氣量的40-60℅，它使得燃燒的火焰變短，防止了碳黑的生成，通常會(huì)產(chǎn)生藍(lán)色的火焰。引入一次風(fēng)量的最大值受到了安全性的限制，如果加入的量過(guò)大，就可能超過(guò)可燃上限(richflammabilty)，即此時(shí)混合物具備形成預(yù)混火焰條件。此時(shí)，燃燒中可能有回火現(xiàn)象，當(dāng)氣流速度足夠大就可能產(chǎn)生類似Bunsen燈內(nèi)焰的預(yù)混火焰。2020/11/21Saturday1232020/11/21Saturday124一次風(fēng)量會(huì)影響到火焰長(zhǎng)度，圖9.11中給出了一次風(fēng)對(duì)圓口燃燒器中甲烷火焰長(zhǎng)度的影響情況。一次風(fēng)量為40-60℅時(shí)，Lf和不加一次風(fēng)相比，減小了85－90℅。在加入一次風(fēng)情況下，可以將噴射流體當(dāng)作是純?nèi)剂虾涂諝獾幕旌衔铮瑏?lái)計(jì)算(9.71)定義的化學(xué)當(dāng)量摩爾比S：其中ψpri是一次風(fēng)量占所需空氣的百分比，Spure是純?nèi)剂蠈?duì)應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量摩爾比。推導(dǎo)并解釋一下b-3)氧化劑的含氧量氧化劑中的含氧量對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響很大，由圖9.12中，空氣中的含氧量為21℅，如果氧氣含量在此基礎(chǔ)上的減少一點(diǎn)，所產(chǎn)生的火焰長(zhǎng)度就會(huì)大大增加。以甲烷在純氧中和空氣中燃燒為例，前者的火焰長(zhǎng)度只有后者的四分之一左右。通過(guò)(9.72)來(lái)計(jì)算碳?xì)浠衔镌诓煌趿肯禄瘜W(xué)當(dāng)量摩爾比，觀察含氧量的影響。2020/11/21Saturday125b-4)惰性氣體的稀釋用惰性氣體來(lái)對(duì)燃料進(jìn)行稀釋，也會(huì)影響到化學(xué)當(dāng)量比，從而影響到火焰長(zhǎng)度。對(duì)碳?xì)浠衔飦?lái)說(shuō)，其中χdil是燃料流中稀釋劑（惰性氣體）的摩爾分?jǐn)?shù)。2020/11/21Saturday126例題9.3實(shí)驗(yàn)室一個(gè)方口燃燒器，預(yù)得到一個(gè)500毫米長(zhǎng)的丙烷擴(kuò)散火焰，求所需的體積流率，同時(shí)試確定火焰的放熱量。如果是甲烷火焰又如何？2020/11/21Saturday127解運(yùn)用公式如果假設(shè)：T=TF=300K，那么在求QF之前，我們只需求空氣－燃料的化學(xué)當(dāng)量摩爾比，S。對(duì)于丙烷：S=(3+8/4)4.76=23.8kmol/kmol.則有：inverf[(1+23.8)-0.5]=inverf(0.2008)=0.18解方程9.62求出QF2020/11/21Saturday128根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程求丙烷的密度(P=1atm,T=300K)，并根據(jù)附錄B查出燃燒熱值：則反應(yīng)放熱為：2020/11/21Saturday129對(duì)于甲烷，可以求出S=9.52，F(xiàn)=0.65，hC=50,016,000J/kg；則：和評(píng)述：從結(jié)果中可以看出，雖然甲烷的體積流率是丙烷的2.4倍，但二者的反應(yīng)放熱卻很接近。2020/11/21Saturday130例題9.4設(shè)計(jì)一個(gè)餐飲業(yè)用的天然氣的燃燒器，多個(gè)圓口燒嘴呈圓形分布。圓管直徑為160mm(6.3in.)。在滿負(fù)荷時(shí)，燃燒器功率必須達(dá)到2.2KW，且混入40％的一次風(fēng)。為了穩(wěn)定燃燒，每一個(gè)圓口燒嘴的功率不得超過(guò)10W/mm2。（設(shè)計(jì)時(shí)參見圖8.23）同時(shí)，滿負(fù)荷時(shí)火焰高度不得超過(guò)20毫米。試求需要布置多少個(gè)圓形燒嘴，每一個(gè)直徑是多少？2020/11/21Saturday131時(shí)間限制，可略過(guò)不講，課下復(fù)習(xí)解假設(shè)燃料為甲烷，當(dāng)然，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該用天然氣的性質(zhì)。接下來(lái)要做的就是將燒嘴數(shù)量N和它們的直徑D與題目給出的條件建立聯(lián)系；選擇合適的N和D；然后檢驗(yàn)火焰長(zhǎng)度是否超標(biāo)，最后，我們要看所做設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際的物理意義。2020/11/21Saturday132Step1根據(jù)符合的限制，總的燒嘴橫截面積為：Step1其中，要求即：2020/11/21Saturday133現(xiàn)在，我們?nèi)我庠O(shè)定一個(gè)N（D）來(lái)計(jì)算D（N）。如設(shè)：N=36求得D=2.79mm.Step2.求體積流率。根據(jù)設(shè)計(jì)的放熱率求燃料的體積流率：一次風(fēng)確定預(yù)混入燃料的空氣流量：2020/11/21Saturday134總的體積流率為：求解,我們運(yùn)用理想氣體方程，其中，平均摩爾質(zhì)量根據(jù)空氣－燃料混和物的比例確定：其中Z是一次空燃比：2020/11/21Saturday1352020/11/21Saturday136狀態(tài)方程：Step3.檢驗(yàn)火焰長(zhǎng)度。每個(gè)燒嘴的流率為：環(huán)境空氣和燒嘴流體的當(dāng)量摩爾比S由公式9.73給出：2020/11/21Saturday137利用公式9.60我們可以求出火焰長(zhǎng)度：19.6mm的火焰長(zhǎng)度符合要求Lf<20mm。2020/11/21Saturday138Step4檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性。如果在直徑160毫米的圓周上均勻布置36個(gè)燒嘴，則燒嘴間距為：2020/11/21Saturday139Break！2020/11/21Saturday您愿意參與2010combustionsymposium的banner設(shè)計(jì)？6.碳黑(Soot)的形成與破壞本章開頭對(duì)層流射流火焰的概述中提到過(guò)碳黑的形成和氧化，這是碳?xì)浠衔锓穷A(yù)混火焰的一個(gè)重要特點(diǎn)?；鹧胬锩娴奶己谑軣岷髸?huì)發(fā)光，這是擴(kuò)散火焰發(fā)光體的主要來(lái)源，歷史上最早應(yīng)用在油燈燃燒。碳黑發(fā)出的波長(zhǎng)大多位于光譜的紅外區(qū)域，因此還能導(dǎo)致火焰的輻射熱損失。雖然煤氣爐、柴油機(jī)、燃煤爐燈實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免碳黑的形成，但是在對(duì)燃燒中碳黑形成的基礎(chǔ)研究中，因?yàn)閷恿鲾U(kuò)散火焰和碳黑的形成有很大的關(guān)系，因此層流非預(yù)混火焰通常是一種研究soot工具。參考書[20-25]對(duì)燃燒中碳黑的形成做了一些概述。141在碳?xì)浠衔锏娜紵鹧嬷?，由于?jīng)常會(huì)有碳黑存在，火焰就可能呈現(xiàn)為橙色或黃色。2020/11/21Saturday142Q-2：乙烯、甲烷、航空汽油柴油機(jī)煤燃燒層流非預(yù)混火焰：碳煙Soot的產(chǎn)生2020/11/21Saturday1436-1碳煙顆粒的形貌分析——TEM燃燒器出口沿程變化Zhao,Uchikawa&HaiWang;Proc.Combust.Inst.31(2007)851–860HaiWang2020/11/21Saturday144研究普遍認(rèn)為擴(kuò)散火焰中的碳黑是在一定的溫度范圍形成的，這個(gè)范圍大致為1300K<T<1600K;圖9.13以甲烷為例描述了這種現(xiàn)象。圖中給出了燃燒器和焰舌之間的兩條變化曲線，一條是溫度沿徑向的變化曲線，另一條是被碳黑顆粒散射的光線強(qiáng)度曲線，而后一條曲線的峰值所處區(qū)域里面，存在著大量的碳黑。碳黑含量峰值對(duì)應(yīng)的溫度大約為1600K，并且位于溫度峰值的內(nèi)部。含有碳黑的區(qū)域很窄，并且只存在于一定的溫度范圍之內(nèi)。1、顆粒前驅(qū)體的形成。

FormationofSootparticleprecursor2、開始生成初始顆粒

Particlenucleationtoprimaryparticles3、顆粒的長(zhǎng)大和團(tuán)聚。

Surfacegrowthandparticlecoagulation4、顆粒被氧化

Particleoxidation2020/11/21Saturday1455-2碳煙形成過(guò)程分析2020/11/21Saturday146MichaelFrenklachUCBerkeleyH.WangandM.Frenklach,Combust.Flame,1997,110,173.引用率近300次！HaiWangUSCSheldonFriedlanderUCLAMitchellSmookeYaleUniv2020/11/21Saturday147擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰中微粒的生成部分預(yù)混火焰Bensen(Partlypremixed)Flame擴(kuò)散火焰DiffusionFlame2020/11/21Saturday148擴(kuò)散火焰中微粒的生成KatharinaKohse-Horinghuas第一個(gè)步驟是前驅(qū)物的形成。在這一步中多環(huán)芳烴(PAH)是燃料分子向初始碳黑顆粒轉(zhuǎn)變過(guò)程中的一種重要的中間產(chǎn)物[20]，其中化學(xué)動(dòng)力學(xué)起著很重要的作用。149(1)FormationofSootparticleprecursor1-Formationofaromatics2-GrowthofaromaticsH.WangandM.Frenklach,1997在顆粒的生成中，通過(guò)化學(xué)和凝結(jié)成核作用，形成了臨界尺寸（3000-10000原子質(zhì)量單位）的小顆粒。通過(guò)這一步，大分子轉(zhuǎn)變成為了顆粒。2020/11/21Saturday150(2)Particlenucleationtoprimaryparticles接下來(lái)的第三步中，小的初始碳黑顆粒被置于燃料流中，在隨著燃料流向火焰運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，不斷長(zhǎng)大和聚合，并且通過(guò)火焰的氧化區(qū)。2020/11/21Saturday151(3)particlecoagulationCoagulation：collision-coalescenceTime2020/11/21Saturday152(4)SootoxidationWarnatz,Maas&Dibble,combustion,4thedition包含了Soot的4個(gè)過(guò)程。JürgenWarnatz在圖9.14中，對(duì)丙烯和丁烷的層流非預(yù)混火焰，分別對(duì)有煙和無(wú)煙的不同情況做了分析。在焰舌外面（x/xstoic≥1.1），如果碳黑的體積流量不為零，就意味著SootingFlame,即含煙火焰。從圖9.14中可以看出，擴(kuò)散火焰中是否會(huì)有煙的生成和燃料類型有很大的關(guān)系。2020/11/21Saturday153Smoke如果將表9.5中的燃料進(jìn)行分類，就可以看到不同種類燃料的發(fā)煙趨勢(shì)從小到大依次為烷烴、烯烴、炔類和芳香烴；表9.6中給出了這些燃料的分類，顯然燃料的分子結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)煙趨勢(shì)起著很重要的作用。對(duì)于煙形成的化學(xué)機(jī)理，環(huán)狀化合物及其通過(guò)和乙炔反應(yīng)而長(zhǎng)大是其中的重要特征，在這點(diǎn)上面和這里得出的分類也是一致的。2020/11/21Saturday154(4)發(fā)煙點(diǎn)Smokepoint定義7.對(duì)吹火焰過(guò)去幾十年里，人們對(duì)圖9.15中所示的對(duì)吹火焰，即燃料和氧化劑對(duì)射產(chǎn)生的火焰，做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。這種火焰可以近似看作是一維的，并且其火焰區(qū)的停留時(shí)間較容易調(diào)節(jié)，因此被當(dāng)作是一種基礎(chǔ)理論研究而被人們所重視。2020/11/21Saturday前面討論二維(軸對(duì)稱)射流火焰是很復(fù)雜的，而一維對(duì)吹火焰在試驗(yàn)和計(jì)算等方面都容易實(shí)現(xiàn)。例如在試驗(yàn)中，只需要測(cè)量一條線上面的溫度和物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；理論研究中，即使是使用復(fù)雜的化學(xué)動(dòng)力學(xué)（見表5.3）來(lái)計(jì)算，也不需要太多的時(shí)間。NonpremixedPremixed在對(duì)對(duì)吹火焰進(jìn)行數(shù)學(xué)描述以前，有必要知道它的一些基本特征。典型的對(duì)吹火焰實(shí)驗(yàn)如圖9.15所示，燃料和氧化劑相對(duì)噴射，在兩個(gè)噴嘴之間形成了一個(gè)滯止面（vx=0），其位置由燃料和氧化劑的初始噴射動(dòng)量通量的相對(duì)大小來(lái)決定。2020/11/21Saturday156Fig9.15Counterflowdiffusionflameliesabovestagnationplane(dashedline)createdbyoppposingstreamsoffuelandoxidizer如果二者的動(dòng)量通量相等，即那么這個(gè)滯止面就位于兩個(gè)噴嘴的中點(diǎn)處，否則滯止面就會(huì)向低動(dòng)量通量的流體側(cè)移動(dòng)。由于火焰位于化學(xué)當(dāng)量比下混合物分?jǐn)?shù)fstoic的地方，就可以根據(jù)這些條件來(lái)確定火焰在噴嘴之間的位置。Q-3:火焰面在滯止面的那個(gè)位置對(duì)于大多數(shù)碳?xì)浠衔镌诳諝庵械娜紵齺?lái)說(shuō)，其化學(xué)當(dāng)量比f(wàn)stoic≈0.06，因此需要空氣量比燃料量多很多才能滿足這個(gè)條件。在這種情況下，燃料就必然通過(guò)滯止面向火焰面擴(kuò)散，如圖9.15所示。相反的，如果按化學(xué)當(dāng)量比混合時(shí)所需的燃料量大于氧化劑量，即fstoic>0.5，那么火焰面就位于靜止面的燃料側(cè)。2020/11/21Saturday1577.1數(shù)學(xué)描述對(duì)對(duì)吹火焰的建模由兩種不同的處理方法。第一種將無(wú)限遠(yuǎn)處點(diǎn)源產(chǎn)生的駐點(diǎn)勢(shì)流(stagnation-point)和邊界層分析結(jié)合起來(lái)[31]，在這種分析里面，兩個(gè)噴嘴之間的有限距離無(wú)法得以考慮。第二種方法[32,33]明確指出了流體是從噴嘴流出的，而不是由無(wú)限遠(yuǎn)處的點(diǎn)源產(chǎn)生的。本節(jié)重點(diǎn)介紹這種方法。2020/11/21Saturday158這個(gè)模型最初是針對(duì)預(yù)混火焰建立的[32]，后來(lái)才擴(kuò)展到了