第5章 预混火焰10.ppt

第5章预混火焰
热科学和能源工程系
林其钊
2010年3月
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引言
回顾预混火焰与非预混火焰
燃烧系统常常有两种反应物组成——燃料和氧化剂,在化学反应能够进行之前,两种反应物必须在分子水平上进行混合,然而混合机制是影响燃烧的基本要素
由于混合的需要,也就是说至少一种反应物应该是气态或液态,因此他们的分子能够分散到另一种反应物之中
由于分子水平混合的重要性,燃烧系统的差别主要以在燃烧开始时反应物是混合好的或分开的
预混火焰—在发生化学反应之前,反应物已经均匀地混合
非预混火焰(或扩散火焰) —在发生化学反应之前,燃料和氧化剂是分开的,依靠分子扩散和整体对流运动使反应物分子在某一个区域相遇,接着进行燃烧反应
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非预混火焰也叫做扩散火焰,是因为反应物在分子水平的混合主要是依靠分子扩散过程进行的
注意的是:预混火焰中也存在扩散过程
预混火焰仍然需要将可燃预混合气扩散到反应区,将燃烧产物和热能从反应区输运出去
因为反应区是在不断消耗反应物,和不断产生燃烧产物和释放出燃烧产生的能量
根据流动状态,预混火焰又分为层流预混火焰和湍流预混火焰
实际的燃烧都发生在湍流中,但是层流预混火焰的研究结果,对于阐明燃烧中的基本现象,特别是反应动力学规律是很重要的
因此,本章将从层流预混火焰研究开始
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许多学者对这一问题进行了大量的研究:
Mallard (马兰特),Le-Chatelier(利-恰及利耶),Daniel(丹尼尔),MиXEльcoH(米海尔松) :
最早从事层流火焰传播速度的研究
最先得出燃烧速率正比于化学反应速率及导温系数的平方根
CeMeHoB(谢苗诺夫)、Zeldovich(泽尔多维奇)、фpaнқ-KameHeцикий(弗朗克-卡门涅茨)、Xиtpин(希特林) 等
研究火焰传播理论
Von Karman(冯-卡门)、Toong T. Y.(董道义)、Spalding (斯泊尔汀)
完善了火焰传播理论
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本章的主要内容:
阐明层流燃烧的本质,弄清层流火焰传播的机理,影响火焰传播速度的主要因素及其实验方法
介绍几种分析燃烧问题的方法
对于燃烧问题,应善于观察现象,突出某些主要因素,合理地建立物理模型,并运用相应的数学方法建立数学模型
在燃烧问题的研究中,对于一个问题往往可以建立不同的模型或运用不同的分析方法,而达到大致相同的结论
从本章开始,我们将陆续介绍这些分析方法
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§5-1 正常燃烧波与爆震波
由于所处的条件不同,可以有两种火焰传播形式,即正常燃烧和爆震
正常燃烧波:
火焰面背后气体密度减小,导致压力下降,产生膨胀波,火焰面以亚音速在混合气中移动。传播速度1~3m/s
传播过程是通过传热、传质发生的
爆震波:
随着燃烧过程进行,在混合气中产生冲击波,使压力、温度激烈升高,火焰面以极高的速度向前传播,通常大于每秒一千米
通过激波压缩,使混合气温度不断升高
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从化学流体力学的观点来阐明这一问题:
考察最简单的情况,即一维定常流动的平面波,假定:
混合气流动(或燃烧波的传播速度) 是一维稳定流动;
忽略粘性力及体积力;
假定混合气为理想气体;
其燃烧前后的定压比热容cp为常数;
其分子量也保持不变;
反应区相对于管子的特征尺寸(如管径)是很小的;
与管壁无摩擦、无热交换。
在分析过程中,我们不是分析燃烧波在静止可燃混合气中的传播,而是把燃烧波驻定下来,让可燃混合气不断流向燃烧波。
这时燃烧波相对于无穷远处可燃混合气的流速u,就是燃烧波本身的传播速度(如图)
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根据以上假设,其守恒方程如下:
连续方程:
pup = u=m = 常数(1)
下标“”表示燃烧波上游无穷远处可燃混合气参数
下标“p”表示燃烧波下游无穷远处燃烧产物参数
忽略粘性力与体积力,动量方程:
pp + pup2 = p+u2 = 常数(2)
忽略粘性力丶体积力,无热交换,能量方程:
hp + = h+2 = 常数(3)
状态方程:
p = RT 或 pp= pRpTp p= RT
燃烧区
T,u,
p,c,
,
Tp, up ,
图层流火焰传播过程
pp,cp,
p,
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