燃烧学9非预混火焰

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,燃烧学,9-非预混火焰,1,火焰分类,扩散火焰特点,层流扩散火焰结构,湍流扩散火焰,2,第一节 火焰分类,一 扩散燃烧与预混燃烧概念,预混火焰,在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰,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,和整体的,对流运动,（湍流扩散）使反应物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应,3,燃料燃烧所需的时间,= ,m,+,r,燃料与空气混合时间,m,流动特征时间,燃烧反应时间,r,化学反应时间,D,a,=,m,/,r,扩散燃烧：,m,r,m,化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于,混合速度,，与化学反应速度关系不大,预混燃烧：,m,r,r,混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于,化学反应速度(化学动力因素),，与混合过程关系不大,动力-扩散燃烧,燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关,4,本生灯,一次空气消耗系数,1,：从底部吸入的空气为一次空气量,二次空气消耗系数,2,：从出口引射所得的空气为二次空气量,总空气消耗系数,：,= ,1,+,2,（1）,1,=0，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射提供，属于,扩散燃烧,；,（2）,1,1，从本生灯的底部供入的空气充足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于,动力燃烧,；,（3） 0,1,1，当管中混气为贫油时的动力火焰。此时混气中有足够氧气，不需要从外界获取氧气，故火焰光滑，随着,1,增大，火焰变长,(b),1,=1，化学恰当比下的动力火焰。此时温度高，火焰传播速度快，故火焰高度最短,(c),1,1，富油燃烧，此时混气燃料多而氧气少，故有剩余燃料。此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于,1,=1的动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩散获得外界氧气燃烧而形成，称为扩散火焰，内焰温度较高，外焰则较低,(d),1,=0，管中供应的为纯油气。所需氧气全部从外界获得，故为纯扩散燃烧，火焰最长,6,扩散火焰,层流扩散火焰,质量扩散以,分子扩散,形式实现,湍流扩散火焰,质量扩散以,气团扩散,形式实现,扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数影响不大,强化扩散燃烧的有效措施是,加强混合过程,，改善掺混条件,7,第二节 扩散火焰特点,扩散火焰不产生回火，但温度低,扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解,8,湍流扩散火焰的稳定性：,火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始终“悬挂”在管口。,当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄,9,第三节 层流扩散火焰结构,过通风火焰,氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总的氧化剂过量）。火焰靠近圆柱管的中心线上,欠通风火焰,燃料量超过化学计量值，（即燃料过量），火焰向外壁蔓延,10,在“,快速化学反应,”的极限条件下，化学反应时间,chem,远小于流动特征时间,chem,transport,(或,diffusion,),火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定（即扩散过程是最慢的、控制反应速度的过程），火焰可以从分开燃料和氧化剂的表面取一个薄层来模拟。,火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为,化学恰当比,。,由于,chem,transport,(或,diffusion,),故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0,11,12,13,层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在,=1处形成火焰锋面,在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度达到最大值，然后向两侧扩散,焰面外侧：,空气+燃烧产物,焰面内侧：,燃料+燃烧产物,焰面：,燃料与空气的理论浓度为零,14,层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律,15,16,在射流速度较低时，火焰保持层流状态，火焰前沿面光滑、稳定、明亮、清晰,随着射流速度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此时火焰仍然保持层流,在增大射流速度，顶部开始出现颤动、皱折、破裂，表明端部出现湍流，由于湍流脉动，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短,继续增加射流速度，火焰端部的湍流区长度增加，开始颤动、皱折、破裂的点（转变点）向喷口方向移动，火焰的总高度则明显缩短，直到破裂点靠近喷口。此时火焰达到完全湍流状态，此后破裂点位置不变（或与管口距离略有缩短）、火焰高度趋于定值，但噪音增加,第四节 湍流扩散火焰,17,扩散燃烧火焰长度的变化规律,（1）,层流扩散火焰区,：火焰高度（长度）与气流速度成正比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰长度增加）；,（2）,扩散火焰过渡区,：火焰高度（长度）随气流速度的增大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流速度越大，层流状火焰长度越短；,（3）,湍流火焰区,：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有褶皱和噪音）,18,火焰高度,19,根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：,（1）自由射流湍流扩散火焰,（2）受限射流湍流扩散火焰,（3）同心射流湍流扩散火焰,（4）旋转射流湍流扩散火焰,（5）逆向射流湍流扩散火焰,20,相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分析的方法求解。主要靠,数值方法,求解。也有一些关于火焰长度和半径的,经验公式,对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：,（1）,初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗卢德数F,rf,（2）化学恰当燃料质量百分数f,s,=1/(L,0,+1),（3）喷管内流体密度与环境气体密度之比,e,/,（4）初始射流直径d,i,21,22,23,24,25,26,27,28,甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：,（1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；,（2）甲烷出口密度很小，使得动量直径显著变小，这个较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（尽管甲烷的化学计量系数比丙烷小，但它的影响比动量直径要小得多）,29,30,31,32,