第6章 扩散火焰10.ppt

第6章扩散火焰
热科学和能源工程系
林其钊
2010年3月
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§6-1 引言
扩散火焰的特点:
燃烧之前燃料和氧化剂是分开的
一边混合、一边燃烧,燃烧过程主要受扩散过程控制
工程中的应用:
工业炉窑\锅炉\燃气轮机\柴油机\本生灯
日常生活中的应用:
蜡烛火焰\煤炉
研究扩散燃烧的目的
提高燃烧设备的热强度
扩大稳定运行的范围
提高燃烧效率
合理控制燃烧产物的成分
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§6-2 射流扩散火焰
射流扩散火焰:
从管口喷出的气体燃料的火炬火焰燃烧
天然气管道泄露引起的灾害性火焰燃烧
开口油池表面燃烧
发动机中的射流燃烧
气体燃料射流扩散燃烧过程:
气体燃料与氧化剂的混合
混合物的加热\着火
混合物的燃烧
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气体燃料射流扩散燃烧的分类:
射向空间情况
自由射流火焰\ 受限射流火焰
喷嘴气流结构
直喷射流火焰\ 旋转射流火焰
喷嘴之间的几何关系
平行射流火焰\ 相交射流火焰
环形射流火焰\ 同轴射流火焰
按照喷嘴几何形状
平面射流火焰\ 圆柱射流火焰
按照流动状态分类
层流射流火焰\ 湍流射流火焰
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自由射流和自由射流扩散燃烧的特征
自由射流(如图所示)
速度\温度\燃料组分\氧气组分质量份数分布曲线
自由射流火焰结构(如图所示)
任意横断面的速度\温度\组分分布
扩散火焰呈圆锥形
由于DI数很大,可以把火焰前沿厚度视为0
火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的,在燃料侧不存在氧气,在氧气侧不存在燃料
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自由射流自由射流扩散火焰
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层流扩散火焰前沿位置必定在化学当量比处:
理想情况下,火焰面上不可能有过剩空气,也不可能有过剩燃料,否则火焰前沿位置将不可能稳定
假定在火焰前沿有过剩燃料:
过剩燃料将扩散到火焰前沿外侧,遇到氧化剂将继续燃烧,消耗掉扩散进来的氧化剂,使火焰前沿面的氧化剂减少
火焰前沿面上的燃料则更加过剩,火焰前沿位置势必不可能稳定,而要向外移动
假定在火焰前沿处有过剩空气:
火焰前沿则要向内移动
层流射流扩散火焰只有在燃料和氧化剂组成化学当量比的位置上才能稳定
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层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构(即断面速度\浓度\温度分布)
射流轴线上燃料浓度最大,沿径向逐渐下降,至火焰前沿面处燃料浓度为0
环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降,至火焰前沿处氧化剂浓度为0
火焰前沿是反应中心,温度最高,为燃料的理论燃烧温度
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实际射流扩散火焰:
火焰前沿有一定的厚度,燃料和氧化剂的反应速度不是无限快
在火焰前沿内,燃料和氧化剂浓度分布曲线呈交叉状
反应在有限空间内发生,有散热,燃烧达到的最高温度低于理论燃烧温度
火焰前沿靠近燃料一侧,燃料浓度比氧化剂浓度大很多,在高温缺氧条件下将产生热分解,生成固体碳,在火焰前沿内固体碳呈明亮的淡黄色火焰,有较高的辐射强度
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火焰类型随气流速度的变化:
随喷嘴流速的增加,层流射流扩散火焰过渡到湍流射流扩散火焰(下页图)
射流速度比较低, 火焰保持层流状态, 火焰前沿光滑\稳定\明亮, 随射流速度增加,火焰高度增加, 直到最大值, 此时火焰仍然保持层流
如果再增大射流速度,火焰顶部开始出现颤动\皱折\破裂
由于湍流影响, 湍流扩散混合加快, 燃烧速度增加, 火焰高度缩短
如果继续增加喷射速度, 开始颤动\皱折\破裂的点向喷口方向移动, 直到破裂点靠近喷口, 此时火焰达到完全湍流状态
在湍流射流扩散燃烧的范围内,增加射流速度,开始破裂的位置不变, 火焰高度趋于定值, 噪音增加
如果过分增加射流速度,火焰会脱离喷口, 直至吹熄
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