高等燃烧学讲义第8章(郑洪涛4学时)

高等燃烧学第八章层流预混火焰主讲人：郑洪涛第八章层流预混火焰8.1概述8.2物理描述8.2.1定义8.2.2重要特征8.2.3典型的实验室火焰8.3简化分析8.3.1假设8.3.2守恒定律8.3.3求解8.4详细分析8.4.1控制方程8.4.2边界条件8.4.3甲烷-空气火焰的结构8.5影响火焰速度和火焰厚度的因素8.5.1温度8.5.2压力8.5.3当量比8.5.4燃料类型8.6选定燃料的火焰速度计算式8.7熄火、可燃性、点火8.7.1冷壁熄火8.7.2可燃极限8.7.3点火8.8火焰稳定8.9小结前面几章介绍了传质(第3章)和化学动力学(第4、5章)的概念，并在第6章和第7章中，把这两个概念和热力学及传热学的概念联系起来。用这些概念就可以理解层流预混火焰。本章从第7章中导出的反应流的一维守恒方程出发来分析层流预混火焰。层流预混火焰常常和扩散火焰一起出现，应用于许多住宅、商业和工业的设备与过程中，例如煤气炉灶、加热炉及本生(Bunsen)灯等。层流预混火焰本身就很重要，而且也许更重要的是要研究湍流火焰必须首先对层流预混火焰有深入的理解。在层流和湍流中，发生着同样的物理过程。许多湍流火焰理论都基于对下层层流火焰结构的理解。第八章层流预混火焰——8.1概述首先，给火焰下个定义是有益的。火焰是一个以亚音速、自维持传播的局部燃烧区域。在此定义中有几个关键词。首先，要求火焰是局部的，即火焰在任何时候都只占可燃混合物的很小部分，这与在第6章中研究的假定反应在整个反应容器中处处均匀地发生相反。第二个关键词是亚音速，以音速传播的不连续的燃烧波称为缓燃波。燃烧波以超音速传播也是可能的，这种超音速的燃烧波称为爆震波。由于缓燃和爆震的基本传播机理不同，所以两者是完全不同的现象。爆震现象将在第16章中讨论。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——定义火焰中的温度分布可能是它最重要的特征。图8.2给出了一个典型的火焰剖面的温度分布及其他基本特征。要分析这一示意图，需要为坐标系确定一个参考系。火焰是可以自由传播的，可燃的气体混合物在管中被点燃后就是如此。将参考坐标系固定在传播的燃烧波上是恰当的选择。随火焰移动的观察者可以感觉到未燃的混合物以一定第八章层流预混火焰——8.2物理描述——重要特征的速度向其流动，这个速度就是火焰速度SL。这相当于是在燃烧器上稳定的扁平火焰。这一火焰相对于实验室参考系是静止的。于是，反应物向火焰流动的速度和火焰传播速度SL相等。上述例子中，假定火焰是一维的而且未燃气体以垂直于火焰面的方向流向火焰。由于反应产物被加热，产物的密度小于反应物的密度。因此，连续性要求燃烧产物的速度大于未燃气体的速度，即ρuSLA=ρuvuA=ρbvbA式中，下标u和b分别表示未燃和已燃气体。对典型的常压烃-氧火焰，燃烧前后气体的密度比大约为7。因而，气流在火焰前后有明显的加速。可以把火焰分成两个区域:预热区和反应区。在预热区几乎没有热量释放出来，而在反应区释放出大量的化学能。在常压下，火焰的厚度很小，只有毫米的量级。把反应区进一步划分成一个很窄的快速反应区和一个紧随其后的较宽的慢速反应区是非常有用的。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——重要特征燃料分子的消耗和许多中间组分的生成发生在快速反应区，这一区域发生的主要反应是双分子反应。在常压下，快速反应区很薄，典型的厚度小于1mm。因此，这个区域内的温度梯度和组分的浓度梯度都很大。这些梯度提供了火焰自维持的驱动力：热量和自由基组分从反应区扩散到预热区。慢速反应区由三自由基的合成反应支配着，反应速度比典型的双分子反应要慢得多，CO最终的燃尽通过反应CO+OH→CO2+H来完成。在1atm下的火焰中，慢速反应区可以延伸到几毫米。烃类火焰的另一个特征是可见的辐射。在空气过量时，快速反应区呈蓝色。蓝色的辐射来源于在高温区域被激活的CH自由基。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——重要特征当空气减少到小于化学计量比的时候，快速反应区呈蓝绿色，这是由于被激活的C2辐射之故。在这两种火焰中，OH都会发出可见光。另外，反应CO+O→CO2+hv会发出化学荧光，只是程度要弱一些。如果火焰更加缺氧的话，就会生成碳烟，形成黑体辐射。尽管碳烟辐射强度的最大值处于光谱的红外区(回忆一下维恩定律)，但人眼的感光性使我们看到的是从亮黄(近白)到暗橘色的发射光，具体的颜色取决于火焰的温度。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——重要特征本生灯及其产生的火焰如图8.3(a)所示。试管底部的燃料射流从一个面积可调的入口将一股空气引射入管内，在管内向上流动的过程中燃料与空气充分混合。典型的本生灯火焰是竞争火焰:里面是富燃料的预混火焰，外面包着扩散火焰。当富燃料火焰产生的一氧化碳和氢气遇到周围空气时就形成了第二层的扩散火焰。火焰的速度分布和向管壁的热量损失的共同作用决定了火焰的形状。因为火焰静止不动，火焰速度和未燃气流速度在火焰面法线方向的分量处处相等，火焰呈圆锥形的特征，如图8.3(b)的矢量图所示。因而有(SL是层流火焰速度)SL=vusinα第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰一维扁平层流火焰常在实验室中研究，也常用在某些辐射加热燃烧器中(图8.4)。实验室的燃烧器类型如图8.5所示。在绝热燃烧器中，燃料和空气的混合物以层流状态流过一束小管子，在管出口上方形成稳定的火焰。此时，要产生稳定的扁平火焰，条件十分苛刻。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰若在非绝热的燃烧器中采用一个水冷面，将火焰产生的热量散发出去，就可以降低火焰的速度，产生稳定火焰的条件也就可以放宽许多。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰例8.1如图8.6的下半部分所示，一维气流形成一个稳定的预混火焰，未燃气体流动的垂直速度vu随水平坐标x成线性变化。试求火焰的形状和从垂直方向火焰局部角度的分布。假设火焰速度与位置无关并等于0.4m/s，这可以看成是化学当量比下甲烷-空气火焰的名义速度。解：从图8.7可以看出火焰面与垂直面形成的火焰局部角度α为α=arcsin(SL/vu)从图8.6可得：因此：结果如图8.6的上半部分所示，α值从x=0时的30º到x=20mm时的19.5º之间变化。第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰为了计算火焰的位置，先求在x~z平面上火焰面的局部斜率，然后将这一表达式对x进行积分可得到z(x)。从图8.7，有进一步，由于vu=A+Bx，上式变为积分并取A/SL=2及B/SL=0.05，有火焰位置z(x)画在图8.6的上半部。从图8.6可以看出，火焰面是相当陡地倾斜的。火焰的形状与未燃气体来流的速度分布紧密相连第八章层流预混火焰——8.2物理描述——典型的实验室火焰(1)一维、等面积、稳态流。(2)忽略动能、势能，忽略粘性力做功，忽略热辐射。(3)忽略火焰前后的很小的压力变化，即压力是常数。(4)二元的热扩散和质量扩散服从傅里叶定律和菲克定律。(5)表示热扩散系数和质量扩散系数比值的路易斯数为：并假定Le=1，从而k/cp=ρƊ，这将大大简化能量方程。(6)混合物的比热容与温度及组成无关。即假设各种组分的比热容都相等，且是和温度无关的常数。(7)燃料和氧化剂通过一步放热反应生成产物。(8)氧化剂等于化学当量或者过量混合。所以，燃料在火焰中完全被消耗。第八章层流预混火焰——8.3简化分析——假设为了理解火焰传播，对如图8.8所示的微分控制体应用质量、组分、能量守恒定律。这些守恒定律的表达式如下。1.质量守恒2.组分守恒或者，应用菲克定律为第八章层流预混火焰——8.3简化分析——守恒定律简化的总包反应方程式为所以：每一种组分的组分守恒方程为：在分析中，组分守恒关系仅仅用于简化能量方程。由于假定质量扩散是由菲克定律控制的二元扩散，且路易斯数等于1，因此就不必解组分方程了。第八章层流预混火焰——8.3简化分析——守恒定律3.能量守恒分析中采纳了和能量守恒方程的Shvab-Zeldovich形式(方程(7.63))同样的假设，即忽略动能项。则：利用上述的总包反应化学当量关系，上式的右边部分可变成下面的形式:用Δhc表示燃料的燃烧热，根据给定的化学计量数则能量方程右侧：因Le=1，用k取代ρcpƊ，代入能量方程，则第八章层流预混火焰——8.3简化分析——守恒定律为了确定质量燃烧速度，先假设一个满足下面边界条件的温度分布，并利用假设的温度分布对能量方程作积分运算。火焰上、下游无穷远处的边界条件为第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解如图8.9所示，假设在一很小的距离δ内，温度从Tu变化到Tb，且满足线性关系。把δ定义为火焰厚度。能量方程含有两个未知数ṁ"和δ，也就是燃烧学文献中的特征值。已知的四个边界条件，而不是两个，使得我们可以确定特征值。对能量方程进行积分，注意消去dT/dx在x=0和x=δ处的不连续性，应用-∞~+∞的条件，有求得四个边界值，上式简化为由于只在区域δ内的Tu和Tb之间不等于0，因此可以把上式右边的反应速度的积分限从距离变成温度。即第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解利用这一变换，得到注意到平均反应速度的定义，有从而可以获得简化的结果为这一结果是含有两个未知参数ṁ"和δ的简单代数方程，需要再找一个方程才能求解。利用和上面一样的方法，只是从x=-∞到x=δ/2积分，可以得到另一个方程。因为火焰反应区处于高温区域，所以假设在区间-∞<x<δ/2上=0是合理的。第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解注意到在x=δ/2处有和改变能量方程的积分限就可以得到将两个积分结果联立，得到应用火焰速度和热扩散率的定义，SL=ṁ"/ρu和α=k/ρucp，并且注意到Δhc=(ν+1)cp(Tb-Tu)，可获得如下最终解：或用SL表示为：第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解例8.2用方程(8.20)所表示的简化方法计算化学当量下的丙烷-空气混合物的层流火焰速度。采用总包的一步反应机理(表5.1中的式(5.2))来计算平均反应速度。解：从方程(8.20)计算层流火焰速度为问题是如何求和α。因上述简化理论假设反应是在火焰厚度的后半部进行的(δ/2<x<δ)，设Tb=Tad=2260K(第2章)及Tu=300K，采用下述的平均温度来计算反应速度:假设在生成物中既无燃料也无氧气，则计算速度方程中的平均质量分数为第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解式中，化学当量的丙烷-空气混合物的A/F=15.625(=ν)，而O2的质量分数为0.2331。反应速度可以用下式求得:进一步可用平均值表示为：根据表5.1数据，可得：第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解根据质量生成率与净生成率的关系(方程(6.29))，有：热扩散率定义为：平均温度应该是在整个火焰厚度(0≤x≤δ)的平均，因为导热发生在整个火焰区域，而不仅在反应的半个区域内，则式中采用空气的特性来估算k、cp和ρ的值。最后将各值代入到SL表达式，得：第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解注：对这一混合物，SL的实验值是38.9cm/s。考虑到目前理论分析的粗糙性，实验值与计算值42.5cm/s相符是偶然的。若用更严格的理论并采用详细的动力学将得到更精确的预测值。注意，采用分析中所用的假设，燃料和氧化剂的浓度与温度是线性关系，所以只要对单步不可逆的总包反应速度进行积分，就可以精确地计算。而不必像在例题中那样用平均的浓度和温度进行计算。第八章层流预混火焰——8.3简化分析——求解连续方程：组分守恒方程:第七章得到的通用组分守恒方程如下：简化成一维稳态流，并用ώiMWi替换，上式就变为：能量守恒方程:第七章得到的能量方程，经忽略动能和一维稳态简化，有：注意:和作简化的分析时一样，假设压力是常数，因而并不需要动量守恒方程。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——控制方程除了以上三个守恒方程外，还需要下面的辅助方程和数据:(1)理想气体状态方程:式(2.2)。(2)扩散速率的基本关系:式(7.23)和式(7.25)或式(7.31)。(3)组分性质与温度的关系:hi(T)、cp,i(T)、ki(T)和Ɗij(T)。(4)根据组分性质及摩尔(或质量)分数计算混合物的性质MWmix、k、Dij以及DiT等的关系式(例如计算Dij的式(7.26))。(5)可计算值的详细化学动力学机理(例如表5.3)。(6)χi、Yi和[Xi]之间的相互转换关系式(式(6A.1)--(6A.10))。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——控制方程上述三个守恒方程是一个边值问题，需要给定组分守恒方程和能量守恒方程中未知函数(T，Yi)在上游边界和下游边界信息，来确定函数T(x)和Yi(x)。假设火焰是自由传播的，因此可以将坐标系固定在火焰上。能量方程是二阶的，需要以下两个定解边界条件:T(x→-∞)=Tu在数值解中，区域-∞<x<+∞的绝大部分都截断了，留下的边界只有几厘米的间距。Yi和vi,diff同时出现在导数项中，组分守恒方程对Yi和vi,diff都是一阶的。但在定义vi,diff的基本关系中，vi,diff和浓度梯度dχi/dx或dYi/dx有关。因而，也可把组分守恒方程看作Yi的二阶微分方程。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——边界条件组分守恒方程的边界条件是:已知上游各组分的Yi值，下游各组分的质量分数梯度趋于零，即Yi(x→-∞)=Yi,0和前面讨论预混火焰的简化分析时一样，质量流量ṁ“预先并不知道，而是要求解的特征值。确定ṁ”值及函数T(x)和Yi(x)，需要同时求解总的连续方程，以及组分守恒方程和能量守恒方程。求解总的连续方程需要增加一个边界条件。在Sandia的程序代码中，通过确定自由传播的火焰在某固定位置的温度，即和火焰一起移动的坐标系中的一个固定位置的温度，作为边界条件，即T(x1)=T1第八章层流预混火焰——8.4详细分析——边界条件现在用上面的分析来理解预混火焰的详细结构。在1atm、化学当量下的甲烷-空气火焰，用表5.3给出的甲烷燃烧的化学动力学机理、利用CHEMKIN库代码进行模拟。图8.10给出了其温度分布和选定组分的摩尔分数分布。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——甲烷-空气火焰的结构主要的含C组分CH4、CO和CO2的分布如图8.10(a)所示，可以看出燃料组分的消耗、中间组分CO的出现以及CO燃尽生成CO2的过程。近似的，在CH4的浓度达到零的位置，CO的浓度达到峰值；CO2浓度的增大过程起初落后于CO，而在此位置之后，由于CO的氧化作用，CO2的浓度持续增大。图8.10(b)显示了含C的中间组分CH3、CH2O和HCO的生成和消耗都发生在一个狭小区间内(0.4~1.1mm)，CH自由基也是这样(图8.10(d))。含H的中间组分HO2和H2O2的分布范围比含碳组分要稍宽一些，并且其浓度峰值在火焰中出现的位置也稍微靠前一些(图8.10(c))。还可以注意到，达到其平衡摩尔分数的80%时，H2O比CO2要快得多，大约是0.9mm对2mm。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——甲烷-空气火焰的结构燃料大约在1mm之内就彻底燃尽了，温度升高的主要部分(73%)也发生在这一区域，但达到平衡条件则相对要慢一些，并超出这→区域。实际上，从图8.10中可以看到大约到了3mm的位置才达到平衡状态。达到平衡状态过程缓慢的主要原因是，这个区域是由三分子合成反应控制的。图8.10中将摩尔分数表示为距离而不是时间的函数，夸大了达到平衡状态的缓慢性，这是通过连续性(ρvx=常数)表示的距离-时间关系(dx=vxdt)的自然结果。比如说，在同一时间段中，在热的、高速火焰区域中的流体分子移动的距离比在冷的、低速火焰中要大得多。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——甲烷-空气火焰的结构图8.11给出了CH4、CO、CO2等组分的生成速率分布。从图中可见，燃料消耗速率的峰值与CO生成速率的峰值同时出现，而CO2最初落后于CO的生成速率。在CH4未燃尽，还有新CO生成时，CO净生成速率已成为负值，CO开始被消耗。CO消耗速率的最大值刚好发生在CO2的生成速率达到峰值位置的下游。大量的化学反应发生在0.5~1.5mm的区间内。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——甲烷-空气火焰的结构图8.10(d)表示了氮氧化物的生成。在火焰中存在自由基CH的相同区域内，可以看到NO摩尔分数快速增加；然后，NO的摩尔分数则持续的、几乎线性的增大。在后一区域，NO的生成是由Zeldovich机理支配的。当然，NO摩尔分数曲线在下游某点一定会出现转折，此时逆反应显得更重要并逐渐达到平衡状态。通过研究在火焰区域中的生成速率(图8.12)，可以更好地理解NO摩尔分数的分布。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——甲烷-空气火焰的结构根据图8.12，由于NO在火焰区域(图8.10(d)中0.5~0.8mm)的生成速率是零。所以，开始时出现在这一区域的NO是纯扩散作用的结果。有趣的是，我们观察到和NO相关的第一个化学反应是NO的消耗过程(0.8~0.9mm)。在CH和O原子的浓度达到峰值点之间的轴向位置上，氮氧化物的生成速率达到最大值。此处，很有可能Fenimore和Zeldovich机理都很重要。在O原子浓度达到峰值x=1.2mm(图8.10(d))之后，NO的生成速率开始迅速下降，然后，缓慢下降。由于这一区域温度持续上升，因而，NO净生成速率的下降一定是O原子浓度下降和逆反应共同作用的结果。第八章层流预混火焰——8.4详细分析——甲烷-空气火焰的结构第八章层流预混火焰——8.5影晌火焰速度和火焰厚度的因素——温度化学当量条件下甲烷-空气火焰温度对火焰速度的影响的经验关系式如下：其结果和几组实验数据如右图所示。初温从300K升高到600K，使SL提高3.3倍，与估算值3.64吻合良好。第八章层流预混火焰——8.5影晌火焰速度和火焰厚度的因素——温度第八章层流预混火焰——8.5影晌火焰速度和火焰厚度的因素——压力除了非常富燃料的混合气，当量比对相似燃料的火焰速度的首要影响是由它影响火焰温度而引起的。火焰速度在稍稍缺氧的情况下达到最大值，偏离时火焰速度都会下降。图8.15以甲烷气为例表明了这种特点。火焰厚度则相反，在接近化学当量时达到最小值(图8.16)。值得注意的是，在不同的实验测量中定义了许多不同的δ，因而在比较不同文献中的数据时，应该保持谨慎。第八章层流预混火焰——8.5影晌火焰速度和火焰厚度的因素——当量比氢的最大火焰速度要比丙烷大许多倍，这是几种因素共同作用的结果：①纯H2的热扩散率比烃类大很多倍；②H2的质量扩散率比烃类大得多；③在氢的燃烧中反应速度很快，而在烃类燃烧中，影响反应速度的主要因素是CO→CO2，这个反应步骤相当慢。第八章层流预混火焰——8.5影晌火焰速度和火焰厚度的因素——燃料类型第八章层流预混火焰——8.6选定燃料的火焰速度计算式例8.3针对下述工况，对汽油(用RMFD-303模拟)-空气混合物在Φ=0.8条件下的层流火焰速度进行比较:(1)在参考状态T=298K，P=1atm下。(2)在典型的电火花点火的条件下，即全开节流状态:T=685K，P=18.38atm。(3)条件与(2)相当，但有15%的废气回流量。解：（1）298K和1atm火焰速度用下式确定(系数见表8.3)：（2）685K和18.38atm火焰速度用下式确定：第八章层流预混火焰——8.6选定燃料的火焰速度计算式（3）有15%的废气回流量时的火焰速度：当用尾气再循环进行稀释后，火焰速度以因子(1-2.1Ydil)减少，即:注：在内燃机条件下的层流火焰速度要比参考状态下大很多，最重要的影响因素是温度。本例题也表明，稀释可减少火焰速度，如果太多的烟气回流，可能成为内燃机性能的决定性因素。本题用到的Tu值小于350K，这会引起在298K下的SL值的低估。第八章层流预混火焰——8.6选定燃料的火焰速度计算式下面简单讨论三个概念：熄火距离、可燃极限、最小点火能量。在讨论中，假定这三种现象都是受热损失控制的。当火焰进入一个足够小的通道中时就会熄灭。如果通道不是太小，火焰就会传播过去。火焰进入圆管熄灭而无法传播的临界直径，称为熄火距离。实验中，对一特定直径的管子，在反应物流突然停止的时候，通过观察稳定在管子上方的火焰是否回火来确定熄火距离。也可以用高长宽比的矩形扁口来确定熄火距离。此时，熄火距离是指两个长边之间的距离，即开口的开度。基于圆管测量的熄火距离值比基于矩形口的测量值大一些(约大20%~30%)第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火1.点火准则和熄火准则Williams给出了确定着火和熄火的两个基本准则。第二个准则可用于冷壁熄火问题。准则1——仅当足够多的能量加入到可燃气体中，使和稳定传播的层流火焰一样厚的一层气体的温度升高到绝热火焰温度，才能点燃。准则2——板形区域内化学反应的放热速率必须近似平衡于由于热传导从这个区域散热的速率。2.简化的熄火分析如图8.18所示，火焰进入到两平行壁组成的一个狭缝中。利用Williams的第二个准则，按照Friedman的方法，可以写出反应生成的热量与由于壁面导热损失的热量相等的能量平衡式，即第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火面积A可表示成2δL，其中L是狭缝的宽度(垂直于纸面)，乘以2是因为火焰和两边的壁面接触。得到温度梯度dT/dx的近似值要难得多。合理的dT/dx的最小值是(Tb-Tw)/(d/2)，这是假设中心面的温度Tb到壁面温度Tw是线性变化的结果。由于dT/dx很可能远大于这个数值，所以引入一个任意常数b，由下式定义:式中，b通常是一个比2大很多的数。将后三式代入熄火判别式，则：整理得：第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火例8.4考虑设计一个层流绝热平面火焰燃烧器，用薄壁管组成如例8.4图所示的正方形。燃料-空气混合物流过管子及其缝隙。设计要求达到化学当量的甲烷-空气混合物在管子出口的温度为300K，压力为5atm。(1)求在设计条件下单位横截面积的混合物质量流量。(2)估计为了避免回火允许的最大管径。解：(1)要建立一个平面火焰，就要求在设计温度与压力下其平均流速与层流火焰速度相等，从图8.14有质量通量为：设是理想气体混合物，其密度可计算出为：第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火所以：(2)假设如果管径小于熄火距离，并有一定的安全系数，燃烧器可以避免回火。设计条件下的熄火距离应该基于最坏的情形来进行，此时的熄火直径处于第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火最小值。从图8.16可知，在1atm下扁口的这一最小的熄火距离是接近于Φ=0.8时的值，大约是1.7mm。由于扁口的熄火距离比圆口的要小20%---50%，用这一不同当作安全系数直接计算。第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——冷壁熄火实验表明，只有在所谓的可燃上、下限之间的特定浓度范围内的混合气中，火焰才能传播。可燃极限：通常用混合气中燃料体积百分数的形式表示，或者用当量百分数，即Φ×100%来表示。表8.4给出了各种燃料-空气混合物在大气压下的可燃极限，这些数据是用"管内方法"实验获得的。这一方法通过实验观察在一垂直管内(直径大约50mm，长约1.2m)底部引燃的火焰能否传播通过整个管子来确定其可燃极限。能维持火焰通过的混合气体就称为可燃的。通过调整混合气的浓度，可燃极限就可以确定了。可燃极限可以通过燃料-空气混合气的物理化学性质来定义，但实验测得的可燃极限除了和混合物的性质有关外，还和系统的热量损失有关。因此，可燃极限通常和实验装置相关。第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——可燃极限尽管热传导损失的热量很小，但辐射损失引起的热量损失可以解释可燃极限的存在性。图8.19所示的是火焰在管中传播时沿着管中心线的瞬时温度沿轴向的分布。因为高温的产物气体向低温环境辐射散热，使得它们得以冷却。这一冷却作用使火焰区域后面的温度梯度为负值，然后进一步通过热传导失去火焰中的热量。当损失的热量足够多，不再满足Williams准则的时候，火焰传播就终止了。第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——可燃极限例8.5从一便携式炉子充满了丙烷气体的圆筒中将其0.464kg的燃料渗漏到一个3.66m×4.27m×2.44m的房间中，房间的温度为20℃和1atm，燃料气与空气充分混合。请问房间中的混合物是否可燃?解：从表8.4可知，丙烷-空气混合物可燃极限为0.51<Φ<2.83，本题是计算房间中混合物的当量比。假设是理想气体，可以计算出丙烷的分压和摩尔分数为空气的摩尔分数为第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——可燃极限房内混合物的空气-燃料比为根据Φ的定义及从表8.4获得的(A/F)stoic，就有由于Φ远小于可燃极限的下限(Φmin=0.51)，因此在房间内的混合物不可能支持火焰的传播。注：尽管题中的计算表明，在完全混合的状态下混合物不会燃烧，但在泄漏过程中，在房间内的某个地方是可能存在可燃混合物的。丙烷分子比空气的要重，因此会趋于在房内低处积累，直到由于宏观流动和分子扩散达到完全混合。在有可燃气体存在的地方，在低处和高处都应放置监控器以相应 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 重燃料和轻燃料的泄漏。第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——可燃极限本节仅限于讨论电火花点火，而且特别集中在最小点火能量的概念上。电火花点火是实际装置中应用最普遍的点火方法。电火花点火高度安全，不像间接点火一样需要预先存在火焰。下面用一个简单分析确定压力和温度对最小点火能量的影响。同时介绍一些实验数据，以便和简单理论预测的数据作比较。1.简化的点火分析将Williams的第二个准则用于球形体内的气体，来模拟电火花引燃的初始火焰传播过程。用这个准则，可以定义临界半径的概念，即如果实际半径小于临界值，火焰就不会传播了。分析的第二步是假设由电火花提供的最小点火能量等于临界体积内的气体从最初的状态升至火焰温度所需的热量。第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——点火为了确定临界半径Rcrit，令反应释放热量的速率和由导热向冷气体损失热量的速率相等，如图8.20示，根据热流密度和傅立叶定律：(dT/dr)crit了(努塞尔数Nu=2的结论就是从这一分析中得出的)。由此可得代入上式可得：第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——点火由边界条件T(Rcrit)=Tb和T(∞)=Tu可确定球形体外(Rcrit≤r≤∞)的温度分布，也就可以计算在球形体边界的冷气体中的温度梯度第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——点火第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——点火2.压力和温度的影响压力对最小点火能量间接地通过热扩散系数α和火焰速度SL产生影响(式(8.47))。将α和SL的表达式代入式(8.47))，可得压力对最小点火能量的总影响是第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——点火这和实验结果吻合得相当好。图8.21示出了实验确定的最小点火能量和压力的函数关系，同时也给出了上面方程(8.48)表示的幕律关系。升高混合气体的初温会降低最小点火能量，如表8.5所示。根据本章的简化分析，也可确定初温对最小点火能量的影响第八章层流预混火焰——8.7熄火、可燃性、点火——点火避免回火和火焰推举是设计气体燃烧器的重要 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。当火焰进入燃烧器管中和喷口内继续传播而不熄灭的现象就是回火。火焰和燃烧器管子或喷口不接触，而是稳定在离喷口一定距离的位置，这种现象则称为火焰推举。回火不仅有害，更有安全危险。在燃气装置中，火焰回火能引燃和进口相通的混合器中的大量燃气，可能引起爆炸。反过来，引燃火焰到喷口通过"回火管"传播，则可用来点火。在实际燃烧器中，通常不希望出现火焰推举的现象，这有几个原因。首先，火焰推举可能引起未燃气体的逃逸，即形成不完全燃烧；其次，超过了推举极限，则很难点火；另外精确地控制推举火焰的位置是很困难的事，还会导致传热变差；而且，火焰推举有噪声。第八章层流预混火焰——8.8火焰稳定回火和火焰推举都和局部的层流火焰速度与局部的气流速度之间的匹配有关。速度矢量图8.22描绘了这一匹配情形。回火通常是瞬态的，发生在燃料气流减小或关闭时。当局部火焰速度超过局部气流速度时，火焰会通过管子或喷口逆向传播(图8.22)。当燃料气流停止时，火焰会通过任何比熄火距离大的管子或喷口而发生回火。因此，控制回火的参数和影响熄火的因素是一样的，即燃料类型、当量比、气流速度以及燃烧器形状。第八章层流预混火焰——8.8火焰稳定图8.23描绘了天然气和含氢的人工煤气两种不同燃料对同一几何形状的燃烧器的回火稳定性。横坐标正比于气流的喷口速度。在回火线左边区域运行会发生回火；而回火线右边的气流速度相对较大不会发生回火。由于稍稍富燃料的情况下层流火焰速度最大(见图8.15)，也就最易出现回火。主要成分是甲烧的天然气的回火稳定性比人工煤气强得多。这主要是由人工煤气中含氢而火焰速度较高所致。第八章层流预混火焰——8.8火焰稳定火焰推举依赖于燃烧器喷口附近的局部火焰和气流的性质。考虑稳定在圆形管口的火焰，气流速度较低时，火焰的边缘离燃烧器开口很近，即所谓附着。当气流速度上升时，根据式(8.2)α=sin-1(SL/vu)导出的火焰锥角减小，则火焰的边缘移动到下游一小段距离的地方。随着气流速度的进一步增加，会达到临界速度，使火焰边缘跳离到距燃烧器喷口较远的位置，这就称为火焰被推举了。此后进一步增加气体速度使火焰推举距离增加，最终，火焰会突然彻底吹离管口，显然，这是不希望看到的情形。火焰推举和吹离可用下述两种变化的相互抵消作用来解释。当气流速度增加时，一方面是气流向燃烧器管子的散热和自由基损失减少，另一方面是周围流体对气流的稀释增强。第八章层流预混火焰——8.8火焰稳定对稳定在离燃烧器边缘很近的火焰，由于在管内形成的边界层的作用，在稳定位置的局部气流速度很小。因为火焰离冷壁很近，热量和活性组分扩散到壁面，使得在稳定位置的局部层流火焰速度变小。这样，由于火焰速度和气流速度相等，而且数值很小，火焰的边缘就贴近燃烧器喷管。气流速度增加时，火焰的稳定位置向下游移动，此时，火焰离冷壁变远，热量和自由基损失减少，SL增加，火焰稳定位置往回调整了一点点，火焰仍保持附着。再增大气流速度时，由于扩散作用，周围流体对混合气的稀释作用变得重要起来。由于稀释作用补偿了热量损失的影响，火焰被推举，如图8.22(b)所示。继续增大气流速度时，会达到某个点，此时整个气流中的气流速度都不可能等于局部的火焰速度，火焰就被吹离了管口。第八章层流预混火焰——8.8火焰稳定图8.23示出了不发生推举的运行区域随化学当量(一次风的百分比)和气流速度(单位入口面积的燃气输入率)变化的关系。可以看出，天然气火焰推举的倾向比人工煤气火焰大。还是可用人工煤气中含氢使火焰速度较大来解释人工煤气稳定性好的原因。第八章层流预混火焰——8.8火焰稳定本章讨论了层流火焰的如下性质：火焰传播速度和火焰厚度，熄火距离，可燃极限，以及最小点火能量。介绍了简化的理论来说明这些火焰的基本物理、化学性质。利用这些简化分析得出的结论，可以来探究火焰速度和火焰厚度随压力和温度的变化关系。SL随温度升高迅速增大，和压力之间则有较弱的反比关系。和绝热火焰温度最大值一样，烃类层流火焰速度的最大值一般发生在稍微富燃料的混合气中。给出了几种燃料的层流火焰速度关系式。这对估算实际装置的性质很有用，比如发动机等，应该熟练掌握其应用。介绍了判断火焰熄灭和点燃的简单准则，建立了这些现象的简单模型。分析结果表明，熄火距离正比于热扩散，反比于火焰速度。第八章层流预混火焰——8.9小结定义了可燃上限和可燃下限，并介绍了几种燃料的可燃上下限的值。在对点火过程的分析中，引入了临界半径以及产生自传播所需要的最小点火能量的概念。最小点火能量和压力呈很强的反比关系，这一点很重要，如在发动机中要在很宽的压力范围内，发动机点火都要确保安全可靠。在本章的最后，讨论了层流火焰的稳定性，即火焰的回火和推举性质，这在实际中是很重要的。第八章层流预混火焰——8.9小结