层流预溷火焰传播与稳定课件.pptx
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1、6.1 基本概念一一预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧 燃烧燃料所需要的时间燃烧燃料所需要的时间=m+r m燃料与空气混合时间;r燃料反应时间 扩散燃烧(非预混)扩散燃烧(非预混)m r;m 化学反应进行很快,燃烧的快慢化学反应进行很快,燃烧的快慢取决于混合扩散速取决于混合扩散速 度度,与化学反应速度关系不大,与化学反应速度关系不大 动力燃烧(预混)动力燃烧(预混)m r;r 混合过程进行很快,燃烧的快慢混合过程进行很快,燃烧的快慢取决于化学反应速度取决于化学反应速度 (或化学动力因素(或化学动力因素),而与扩散过程关系不大,而与扩散过程关系不大 动力动力
2、-扩散燃烧扩散燃烧:燃烧的快慢既与化学动力因素有关,也与混合:燃烧的快慢既与化学动力因素有关,也与混合 过程有关过程有关第1页/共59页二二 火焰传播速度(火焰传播速度(即移动速度,只有预混气才有此概念即移动速度,只有预混气才有此概念)火焰前锋:向新鲜混气传播的火焰前沿(薄薄的化学反应发光区,具有一定厚度,存在参数变化梯度);火焰传播速度:火焰前锋沿法线向新鲜混气传播的速度(相对速度,即相对于未燃混气的速度);方向:从已燃气指向未燃气三三 火焰传播类型:层流、湍流和爆震火焰传播类型:层流、湍流和爆震第2页/共59页四四 火焰结构火焰结构(1)通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01-0.1mm
3、左右的狭窄区域;(2)此区域内,可燃混合气的温度和成分都有急剧的变化(浓度与温度梯度极大)第3页/共59页大多数研究者以温度变化曲线上的拐点大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点,把整个火焰面划分为分界点,把整个火焰面划分为为预热区预热区phph和和反应区反应区r r第4页/共59页五五 通过火焰的压降通过火焰的压降第5页/共59页对于稳态的一维燃烧波,质量守恒方程变为:对于稳态的一维燃烧波,质量守恒方程变为:d(u)/dx=0 u=常数常数忽略粘性影响和体积力(浮力、重力),动量方程可以写作:忽略粘性影响和体积力(浮力、重力),动量方程可以写作:dP/dx+u(du/dx)=0联立质
4、量守恒方程与动量方程,估算通过火焰的压力降:联立质量守恒方程与动量方程,估算通过火焰的压力降:由理想气体状态方程由理想气体状态方程第6页/共59页由于反应物与产物的分子量近似相等,预期穿过火焰的压力降与由于反应物与产物的分子量近似相等,预期穿过火焰的压力降与温度降相比很小,因此温度降相比很小,因此碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在15-40cm/s范围内,范围内,Tb/Tu的典型值在的典型值在5-7范围内,范围内,u的典型值为的典型值为110-3g/cm3。故。故P典型值为:典型值为:P=0.11N/m2一般可以忽略通过
5、火焰的压力降一般可以忽略通过火焰的压力降第7页/共59页层流火焰特点层流火焰特点火焰锋面很薄,通常只有火焰锋面很薄,通常只有0.01-0.1mm层流火焰压力变化很小,可以认为是等压流动燃烧过程层流火焰压力变化很小,可以认为是等压流动燃烧过程层流火焰的传播速度很低,通常在层流火焰的传播速度很低,通常在1m/s以下以下第8页/共59页6.2 一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型层流火焰传播机理的层流火焰传播机理的三种理论三种理论:热理论热理论:认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传:认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传 导;导;扩散理论扩散理论:认为来自反应区的链
6、载体的逆向扩散是控制层流火焰:认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰 传播的主要因素传播的主要因素综合理论综合理论:认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同:认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能有同 等重要的影响等重要的影响第9页/共59页一一 层流火焰传播的热理论内容层流火焰传播的热理论内容第10页/共59页层流火焰传播的热理论内容层流火焰传播的热理论内容(1)假设火焰前锋在一绝热管内以速度)假设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播(一维)传播(一维)(2)假定火焰前锋为平面形状,并且与管轴线垂直)假定火焰前锋为平面形状,并且与管轴线垂直(3)若新鲜混气以层流流速)若新鲜混
7、气以层流流速v0流入管内,则当流入管内,则当v0=un时时(方向相反),可以得到驻定的火焰前锋(方向相反),可以得到驻定的火焰前锋(4)将火焰前锋分为两个区域)将火焰前锋分为两个区域预热区和反应区。在预热区和反应区。在预热区内忽略化学反应的影响,在化学反应区内忽略混气预热区内忽略化学反应的影响,在化学反应区内忽略混气本身焓的增加(即认为着火温度与绝热火焰温度近似相同)本身焓的增加(即认为着火温度与绝热火焰温度近似相同)(5)火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传)火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导导分区思想分区思想第11页/共59页二二层流火焰传播速度层流火焰传播速度u un
8、 n的确定(运用热理论)的确定(运用热理论)一维带化学反应的定常层流流动的基本方程为:一维带化学反应的定常层流流动的基本方程为:混气本身热焓的变化-对流项传导的热流-对流项化学反应生成量第12页/共59页边界条件如下:边界条件如下:根据分区近似解法,求根据分区近似解法,求un:将火焰分成预热区和反应区,在将火焰分成预热区和反应区,在预热区中忽略化学预热区中忽略化学反应影响反应影响,而在,而在反应区中忽略能量方程中温度的一反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项阶导数项第13页/共59页预热区:预热区:不考虑化学反应影响,不考虑化学反应影响,RR=0,则能量方程变为:,则能量方程变为:气体冷边界条
9、件为:气体冷边界条件为:T=Tu以及以及dT/dx=0方程方程(6-5)的物理意义为:来自已燃气体的导热通量对预的物理意义为:来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进行热区未燃气体混合物进行“预热预热”,将其温度从,将其温度从Tu提高提高到到Ti第14页/共59页反应区:反应区:能量的对流通量比扩散通量小(热理论假设),故可以忽略对流能量的对流通量比扩散通量小(热理论假设),故可以忽略对流项,能量方程为:项,能量方程为:方程方程(6-6)的物理意义为:在反应区流出的,经热传导进的物理意义为:在反应区流出的,经热传导进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量入预热区的能量扩散通量等于化
10、学反应释放的热量第15页/共59页令在令在x=xi处,来自方程处,来自方程(6-5)和和(6-6)的热通量相等,于是的热通量相等,于是第16页/共59页由火焰前后总的能量平衡关系,得到:由火焰前后总的能量平衡关系,得到:可见火焰速度可见火焰速度SL受到受到扩散输运扩散输运和和化学动力学化学动力学的影响。层流火焰传的影响。层流火焰传播速度与导热系数以及反应速率的平方根成正比。即播速度与导热系数以及反应速率的平方根成正比。即SL是可燃混是可燃混气的物理化学常数气的物理化学常数第17页/共59页例例6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷-
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