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均员崇
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1 燃烧学基础陈正北京大学工学院力学与空天技术系燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6. 预混燃烧的类型均质着火缓燃波 ( 火焰 ) 爆震波 ime (s) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 Mole raction Q JS -1 m 3 6E+9 4E+9 E+9 OH CH 3 HO CH 4 Homogeneos Ignition CH 4 /air (Phi=1) P=1atm, =1K O (K) D premixed CH 4 /air (Phi=1) lame P=1atm, =98K O x(cm) H CH 4 Q CO OH H O CO molar raction OH emperatre (K)

2 预混燃烧的类型均质着火 (homogeneos ignition,explosion): 高温高压时 H /O 混合物的着火过程, 不存在燃烧波的传播缓燃波 (delagration): 亚声速传播的燃烧波爆震波 (detonation): 超声速传播的燃烧波燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3 均质着火 Spply Pmp 1-1 CH 4 H,O 1atm 75K Mole raction Homogeneos Ignition CH 4 /air (Phi=1) P=1atm, =1K OH CH 3 HO O H 5 15 emperatre (K) Isothermal liqid bath ime (s) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

缓燃波 ( 火焰 ) Q JS -1 m 3 (K) 5 6E+9 15 4E+9 1-D premixed CH 4

OH Q JS -1 m 3 (K) 5 6E+9 15 4E+9 1-D premixed CH 4 /air

H O OH E+9 1 5 Q CH 4 OH.1 CO CO NO -5 5 1 x(cm) E+9 1 5 CH.

3 缓燃波 ( 火焰 ) Q JS -1 m 3 (K) 5 6E E+9 1-D premixed CH 4 /air (Phi=1) lame P=1atm, =98K O H O molar raction.3.1 NO. OH Q JS -1 m 3 (K) 5 6E E+9 1-D premixed CH 4 /air (Phi=1) lame P=1atm, =98K O molar raction.3.1 OH. H O OH E Q CH 4 OH.1 CO CO NO x(cm) E CH.1 4 Q CO CO x(cm) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5 爆震波燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6

4 缓燃波 vs. 爆震波燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7 缓燃波 ( 火焰 ) vs. 爆震波缓燃波 ( 火焰 ) 是依靠导热和分子扩散使未燃混合气体温度升高, 并扩散进入反应区而引起化学反应, 从而使燃烧波不断向未燃混合气体中推进 P 兰金 - 雨贡纽曲线 I 区 : 强爆震区 U 上 CJ 点 II 区 : 弱爆震区爆震波的传播不是通过传热传质发生的, 它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的爆震波几乎不受扩散过程的影响, 可以忽略控制方程中的扩散项瑞利线 V 区 : 不可实现区 P 1 瑞利线 III 区 : 弱缓燃区 IV 区 : 强缓燃区下 CJ 点 1/ 1 1/ 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

5 层流火焰速度层流火焰速度 (aminar lame speed, S ): 一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度 S S S b 来流未燃预混气体化学反应区燃烧产物燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9 各种速度及其关系层流火焰速度 :S ( 标量 ) 火焰传播速度 :S ( 矢量 ) 流场速度 :U( 矢量 ) 来流预混未燃气 U 火焰位置 x ( U b S 定义 : 一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度 S ( S U ) n n 为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量 S U dx dt 相对于未燃预混气体的层流火焰速度 : S U dx / dt 相对于燃烧产物的层流火焰速度 : Sb Ub dx / dt S S S b 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 1

6 来流预混未燃气 U 火焰位置 x ( U b 火焰移动的速度来流未燃气的流速推进速度 dx dt U 层流火焰速度 S 推进速度水流速度船移动的速度水流速度船移动的速度燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院火焰结构火焰被看作是一个分隔未燃预混气体和燃烧产物的界面, 不考虑其左右两侧的扩散和化学反应 Y 火焰面 Flame sheet b Y b = 反应区很薄, 厚度近似为零, 可以被看作是一个热源 ( 燃料燃烧释放热量 ) 和质汇 ( 燃烧消耗燃料 ) 结构 (a) 为欧拉方程 : 非稳态项 + 对流项 =, 无扩散项和反应项在火焰面处和 Y 不连续 ; 结构 (b): 非稳态项 + 对流项 = 扩散项, 无反应项在火焰面处和 Y 是连续的, 但 d/dx 和 dy/dx 不连续 ; 结构 (c): 非稳态项 + 对流项 = 扩散项 + 反应项在火焰面处 Y d/dx 和 dy/dx 均连续 Y Y 中间 : 反应区上游 : 预热区下游 : 平衡区 ω δ R b 反应面 Reaction sheet δ Y b = b δ Y b = 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 1

7 火焰厚度 m S dy m dx mc P d dx d dy D dx dx d d ( ) q dx dx 在预热区, 只考虑对流和扩散, 不考虑化学反应项假设 ρd=const,λ=const,c P =const dy d dy Y Y m D m D dx dx dx M M d d d mc P ( ) b b mc P dx dx dx 物理意义 : M D S b b α δ D δ M d α ~ dx Y dy D dx M 预热区 D S δ δ M C S P 化学反应区平衡区 M ω δ R S b e D 即化学反应生成热与消耗的燃料对应的焓相平衡燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 13 Mallard and e Chatelier 理论 ( 热理论 ) 火焰温度为绝热燃烧温度 : = b = +qy /C P i 为着火温度, 即化学反应只发生在 > i 时质量流量 :m=ρ=ρ S =ρ b b ( 等截面一维流动 ) i 反应区 b 根据能量守恒定律, 预热区吸收的热量来自于反应区热传导输送过来的热量, 即 : 预热区 δ R 平衡区 mc ( - ) ( - )/ δ P i S b my i R F δ R ( b - i) C ( - ) Y P i F S ( b- i) C ( - ) δ 根据质量守恒定律, 反应区燃料消耗量等于来流中燃料的质量, 即 : 联列上述两个方程, 消去反应区厚度后得 : ~ R 对于 n 级化学反应, 其反应速率正比于压力的 n 次方因此有 S ~P n/-1 通常反应级数满足 1<n<, 即 n/-1< 因此, 随着压力上升, 层流火焰速度下降, 但质量流量燃烧学基础第六章 m=ρ S 随着压力升高而上升 : 层流预混火焰北京大学工学院 14 P δ S Y i F / C P R S ~ C P

8 热质理论 YAexp( E A / R ) 预热区厚度 :δ,δ M δ R /δ =1/β<<1 反应区厚度 :δ R 泽尔多维奇 (Zel dovich) 数, 通常有 5<β<15 预热区反应区平衡区反应区燃料的质量分数为 : Y Y δ R /δ M = Y (δ /δ M )(δ R /δ ) =ey /β ω 反应区厚度 :δ R =δ /β 反应区燃烧消耗的燃料近似为 : δr ( δ / ) YAexp( E A / R ) ( δ / )( ey / ) Aexp( E A / R ) 能量守恒, 反应释放的热量等于通过热传导输送热量, 即 : ( b- )/ δ δ Rq 由于 b = +qy /C P, 上式可写为 : b - qeδy Aexp( E A / R 1 1 δ δ e C Aexp( E / R ) P 质量守恒, 反应区燃料消耗量等于来流中燃料的质量, 即 : my DY / δm δr S Y DeY / δ S 消去火焰厚度得 : A 对于 n 级化学反应, 其反应速率正比于压力的 n 次方因此有 S ~P n/ 1 通常反应级数满足 1<n<, 即 n/ 1< 因此, 随着压力上升, 层流火焰速度下降, 但质量流量 m=ρ S 随着压力升高而上升另外燃烧学基础第六章: 层流预混火焰, 随着 ewis 数上升, 层流火焰速度变大北京大学工学院 15 δ δ M δ R b ) b e Aexp( E / R ) A C P 数学模型 : 6.4 一维层流预混火焰详细理论分析 d d mc P FqF dx dx dyf d YF m ( D) F F dx dx Ea Y Aexp( R ) F F x :, YF YF, x : b, Y 绝热火焰温度 : d( C P qfyf ) d d ( qfy 将两个方程组合消去反应项 : m ( D) F dx dx dx 将上式从到 + 积分并利用边界条件则可以得到绝热火焰温度为 : q Y / C ad b F F, P F F ) 当 e=1 时 : m d( C P qfyf ) d ( C P qfy ( D) dx dx F F ) 利用边界条件可解得 : C q Y P F F C P ad Y C ( ) / q F P b F 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 16

9 heory o Zeldovich, Frank-Kamenetskii & Semenov Assme: e = 1 Zone I (convection and dision dominate): d mc P dx d dx d mc P const dx d mc P ( i ) dx x Zone II (reaction and dision dominate): d d d Fq Fq F ( ) dx dx dx mc P ( i ) qf d dx b i x d F qf b i F F d dx d m S Zone I d dx e A C P Ze i II δ r b d dx x x exp( E R b ) 1/ mc P ( b ) qf b d F m S 1 A C P Ze exp( E R b ) 1/ 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院层流预混火焰速度及其测量方法本节内容 : 1. 层流火焰速度的定义. 测量层流火焰速度的重要性 3. 测量层流火焰速度的各种方法 4. 各种测量方法评估燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 18

10 层流火焰速度的定义层流火焰速度 (aminar lame speed, S ): 一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度 S S S b 来流未燃预混气体化学反应区燃烧产物燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 19 各种速度及其关系层流火焰速度 :S ( 标量 ) 火焰传播速度 :S ( 矢量 ) 流场速度 :U( 矢量 ) 来流预混未燃气 U 火焰位置 x ( U b S 定义 : 一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度 S ( S U ) n n 为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量 S U dx dt 相对于未燃预混气体的层流火焰速度 : S U dx / dt 相对于燃烧产物的层流火焰速度 : Sb Ub dx / dt S S S b 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

11 S 来流预混未燃气 U 火焰位置 x ( U b 火焰移动的速度来流未燃气的流速推进速度 dx dt U 层流火焰速度 S 推进速度水流速度船移动的速度水流速度船移动的速度燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 1 为什么要测量火焰速度? 火焰速度是燃料燃烧特性的重要参数从实际应用的角度上看 : 火焰速度是影响燃烧器内燃料燃烧状况和效率的重要因素从基础研究的角度上看 : 火焰速度是用来验证各种燃料的化学反应机理的重要参数, 同是也是模拟湍流预混火焰传播的重要输入参数之一近半个世纪以来, 多种实验方法已经被用来测量火焰速度 aminar lame speed, S (cm/s) 4 CH4+Air 3 1 (Figre rom US DoE Report at: 反应机理 A 反应机理 B 实验 Eqivalence ratio, 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

/air Qin and J (5) 3 S aminar lame speed, S (cm/s) 1 A-SURF (9) aylor (1991) G et al.

12 S 如何测量火焰速度? S 定义 : 一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度 ( S U ) n 层流火焰速度 :S ( 标量 ) 火焰传播速度 :S ( 矢量 ) 流场速度 :U( 矢量 ) 4 CH 4 /air Qin and J (5) 3 S aminar lame speed, S (cm/s) 1 A-SURF (9) aylor (1991) G et al. () Rozenchan et al. () Eqivalence ratio, 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3 稳态火焰与非稳态火焰 dx dt U S S ( S ) U =S x U b U S ( n Ux ( 火焰静止火焰移动 U b.1 ms. ms.3 ms 本森灯火焰球形传播火焰燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

13 层流火焰速度的测量方法稳态火焰法平面火焰本森灯火焰对型流火焰非稳态火焰法管内传播火焰球形传播火焰 ( 定容 ) 球形传播火焰 ( 定压 ) 肥皂泡法燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5 平面火焰法 dx dt U S U S 层流火焰速度 = 来流流速燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6

14 平面火焰法 S U 火焰通过热传导向平面火焰器传递热量 ( 热损失 ), 因此不是理想状态下的平面火焰热损失会导致层流火焰速度降低不同平面火焰器的热损失不一样, 因此测出来的层流火焰速度也不一致实验结果线性拟合修正热损失的方法 : 线性拟合法 (Botha & Spalding 1954) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7 本森灯火焰法燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

15 本森灯火焰法测速原理 S ( S U ) n S U sin a 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9 本森灯火焰法测速原理 1mm S ( S U ) n 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3

16 本森灯火焰 : 示踪粒子法将很细的氧化镁粒投入气流中, 产生间歇性的光亮, 对示踪粒子的拍照便可显示它的方向由一级连续照片还可确定出粒子的速度所采用的喷口宽度很小, 只有.755cm, 如果采用大的喷口, 则由于燃烧速度均匀分布会使火焰传播更快不足之处是引入固体粒子将对火焰表面起催化作用, 以致影响燃烧过程, 从而改变层流火焰速度燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 31 本森灯火焰 : 示踪粒子法燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3

17 本森灯火焰法受拉伸率影响层流火焰速度受热损失影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 33 本森灯火焰法燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 34

18 奇妙的本森灯火焰燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 35 对型流火焰法 Premixed el/air 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 36

19 对型流火焰法 : 示踪粒子测速燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 37 对型流火焰法测速原理 S ( S U ) n S U 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 38

对型流火焰法 U1<U<U3 U1 U 实验结果线性拟合 U3 修正拉伸率的影响 : 线性拟合法 (W & aw 1984) http://www.mae.

Mass low controller Camera el air Qartz tbe ( dx dt S U U Premixed el/air S

20 对型流火焰法 U1<U<U3 U1 U 实验结果线性拟合 U3 修正拉伸率的影响 : 线性拟合法 (W & aw 1984) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 39 管内传播火焰法 Mass low controller Camera el air Qartz tbe ( dx dt S U U Premixed el/air S dx dt Distance (cm) = ime (s) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

球形传播火焰法 high speed camera optical access pressre transdcer Flame position, R (cm) 6 5 4 3 1 R =R (t) R =R (t).1..3 ime, t (S) Constant-Pressre Method 定压法 P=P(t).

21 球形传播火焰法 high speed camera optical access pressre transdcer Flame position, R (cm) R =R (t) R =R (t).1..3 ime, t (S) Constant-Pressre Method 定压法 P=P(t).1..3 ime, t (S) Constant-Volme Method 定容法 Pressre, P (atm) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 41 球形传播火焰法 ( 定容 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

22 球形传播火焰法 ( 定容 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 43 球形传播火焰法 ( 定容 ) Simlation (A-SURF) Experiment (Elia et al. 1) Pressre, P (atm) CH 4 /air, =1. P =1atm, =98K ime, t (s) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 44

23 球形传播火焰法 ( 定容 ) 测速原理 Pressre measrement? aminar brning velocity P R Assmptions: he lame is thin, smooth and spherical; he pressre is spatially niorm, P R he brned and nbrned gas behave as ideal gas; he dissociation prodcts are in eqilibrim; he brned gas is compressed isentropically; he temperatre is spatially niorm in the nbrned gas region; No boyancy eects and heat loss are negligible. 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 45 球形传播火焰法 ( 定容 ) 测速原理 pressre transdcer 8 7 R R 1 Pe P P P e 1/ 3 P 1/ ( ) P P=P(t) Pressre, P (atm) S R 1 3 ( P e P ) dp dt R ( R ) P ( P ) 1/.1..3 ime, t (S) 1 ( 详细推导请参阅本章阅读材料 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 46

24 球形传播火焰法 ( 定容 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 47 球形传播火焰法 ( 定压 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 48

25 球形传播火焰法 ( 定压 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 49 球形传播火焰法 ( 定压 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5 X X

26 球形传播火焰法 ( 定压 ) X X X X 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 51 球形传播火焰法 ( 定压 ) S ( S U ) n 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5

27 球形传播火焰法 ( 定压 ) high speed camera optical access Fig. rom N. Peters (199) Flame position, R (cm) R =R (t) R =R (t) dr Sb dt dr K R dt U b Flame Speed, S b (cm/s) 3 17 S b S b =S b - b K b.1..3 ime, t (S) Flame Stretch, K (1/s) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 53 球形传播火焰法 ( 定压 ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 54

28 球形传播火焰实验 ( 定压法 ) R =R (t) =(t, r)? =(t, r)? 为什么需要知道速度场? 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰 X X 北京大学工学院 55 速度场的重要性 Chen Z. et al. (9) Combst. heory Model U b < 受限空间中压力升高, 导致燃烧产物 U b < 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 56

29 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院无穷大空间中球形传播火焰的速度场 57 R r b b R r (r) brned gases nbrned gases ) ( ) ( ), ( t R r t R r t r b ) ( ) ( ), ( t R r t R r t r b ) ( ) ( ) ( ), ( t R r S r R t R r t r b 1 无穷大空间, 为等压情况利用火焰面模型进行分析得温度和密度分布为 : 流速分布根据质量守恒求得 : dt dr S 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院受限空间中球形传播火焰的速度场 58 ) ( ) ( ) ( ), ( t R r S r R t R r t r b 1 在受限空间中, 燃烧产物中的流速不为零 : 在有显著压力变化时, 燃烧产物中的流速不断增大 R r (r) R r (r) R W 无限大空间受限空间 W W b R r R or dt dp P r r R R r or dt dp P r t r ), ( dt dp P R b b 3

30 理论与模拟的比较速度场 15 实线 : 模拟结果 (a) 点划线 : 理论预测 CH 4 /air, =1. R W = cm R =1.414 cm (cm/s) 1 5 Eq. (7) Simlation b 燃烧学基础第六章: 层流预混火焰 r(cm) 北京大学工学院 59 理论与模拟的比较速度场实线 : 模拟结果 (a) (b) 点划线 : 理论预测 CH 4 /air, =1. R W = =5 cm cm R =1.414 =.336 cm (cm/s) 1 1 Eq. (7) 5 Simlation 5 b b < 燃烧学基础第六章: 层流预混火焰 r(cm) 北京大学工学院 6

31 测试题 : 向里传播的球形火焰 brned gases dr S dt nbrned gases 向外传播的球形火焰 nbrned gases (r) 无限大空间受限空间?? 无限大空间 (r) 受限空间 brned gases dr S dt R r ( r, t) R b ( 1 ) S r 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰 r R r R ( t) ( t) R r r dp 3 bp dt ( r, t) 3 3 RW r 1 dp 3r P dt or or R W r R R r R W 北京大学工学院 61 肥皂泡法这种方法是将一些均匀可燃混合物吹进附近有一对电火花塞极的肥皂泡中, 点火如果反应区域中的平均有效温度不变, 则反应机理不会随成分的改变而变化假定 : (1) 球形火焰沿径向传播 () 压力保持不变 (3) 用照相法确定火焰锋面的发展过程燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6

32 肥皂泡法一个明显不足是难于确定温度比 / b 虽然可以假定烟气具有理论火焰温度, 但对比膨胀比的计算值与实测值, 往往出现严重偏差而且, 由于计算中要用到肥皂泡半径的立方, 所以必需很准确地知道肥皂泡的初始和最终尺寸, 而实际上最终尺寸却难于精确测量此外, 还有一些其它问题 : 去研究干可燃物的火焰速度是不合适的, 这是因为肥皂溶液的蒸发会使混合物变潮不可避免地会产生向电极的传热对于缓慢的燃烧, 火焰锋面不可能保持球形, 而且反应区会变厚对于快速反应, 由于火焰结构呈蜂窝状, 火焰锋面不可能总是光滑的燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 63 通过各种测量方法测得的结果 Brning Velocity (cm/ s) at 98 K Measred maximm brning velocities or methane-air Year o Pblicat ion 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 64

33 通过各种测量方法测得的结果 Measred maximm brning velocities or methane-air Brning Velocity (cm/ s) at 98 K Year o Pblication (cm/s) aminar lame speed, S x + x + x + + x + x + x + x + x + (a) aylor (1991) x Hassan et al. (1998) G et al. () Rozenchan et al. () Halter et al. (5) Chen et al. (7) H et al. (9) ahtoh et al. (9) PREMIX Eqivalence ratio, 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 65 通过各种测量方法测得的结果 Spherical lame Constant volme method Spherical lame Constant pressre method Conterlow lame method What is the case? (Farrell et al., SAE paper ) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 66

34 层流火焰速度的测量方法稳态火焰法平面火焰 X 本森灯火焰对型流火焰非稳态火焰法管内传播火焰 X 球形传播火焰 ( 定容 ) 球形传播火焰 ( 定压 ) 肥皂泡法 X 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院影响层流预混火焰速度的因素对于给定初始温度 (3K) 的 CH4/O/M 的混合物, 其中 M 为 CO, N, He( 氦气 ) 中的一种混合物各组分摩尔比为 CH4:O:M=1mol:mol:3mol 当 M 为 CO 时, 其定容下的层流火焰速度为 S CO ; 类似地, 当 M 为 N 时, 其定容下的层流火焰速度为 S N ; 当 M 为 He 时, 其定容下的层流火焰速度为 S He 则有 A, S N <S CO <S He ;B, S CO <S N <S He ;C, S He <S N <S CO 对于给定初始温度 (3K) 的 CH4/O/M 的混合物, 其中 M 为 CO, N, He( 氦气 ) 中的一种混合物各组分摩尔比为 CH4:O:M=1mol:mol:3mol 当 M 为 CO 时, 其定容下的绝热燃烧温度为 CO ; 类似地, 当 M 为 N 时, 其定容下的绝热燃烧温度为 N ; 当 M 为 He 时, 其定容下的绝热燃烧温度为 He 则有 A, N < CO < He ;B, CO < N < He ;C, He < N < CO 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 68

35 6.6 影响层流预混火焰速度的因素化学反应当量比的影响燃料化学结构的影响添加剂的影响惰性物质含量的影响初始温度的影响压力的影响热扩散系数和比热的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 69 化学反应当量比的影响 (cm/s) aminar lame speed, S CH 4 /air 98K, 1 atm x + x + x + + x + x + x x Eqivalence ratio, + x + x aylor (1991) Hassan et al. (1998) G et al. () Rozenchan et al. () Halter et al. (5) Chen et al. (7) H et al. (9) ahtoh et al. (9) PREMIX (a) ine: Simlation Symbols: Experiments 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7

36 化学反应当量比的影响 3 H /air, 1 atm (cm/s) aminar lame speed, S 1 A-SURF PREMIX aylor (1991) se et al. () ine: Simlation Symbols: Experiments Eqivalence ratio, 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 71 化学反应当量比的影响 Experiments Simlation 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7

37 S 化学反应当量比的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 73 燃料化学结构的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 74

38 燃料化学结构的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 75 添加剂的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 76

39 添加剂的影响 (cm/s) 5 15 (a) A-SURF Miao et al. (8) Hang et al. (6) Halter et al. (5) aylor (1991) ine: Simlation Symbols: Experiments S a H /(CH 4 +H ) 天然气掺氢比燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 77 惰性物质含量的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 78

40 初始温度的影响 S m S 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 79 压力的影响 S p 1 n S p n 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

41 压力的影响 S p 1 n S p n 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 81 总包反应的级数 S p 1 n S p n 总反应级数燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

42 总包反应的活化能总反应活化能燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 83 火焰厚度随压力的变化燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 84

43 热扩散系数和比热的影响燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院层流预混火焰详细结构 Q JS -1 m 3 6E+9 4E+9 (K) D premixed CH 4 /air (Phi=1) lame P=1atm, =98K O H O molar raction.3.1 NO. OH E+9 Q 1 CH 4 OH.1 CO 5 CO NO x(cm) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 86

44 层流预混火焰详细结构 Q JS -1 m 3 6E+9 4E+9 (K) D premixed CH 4 /air (Phi=1) lame P=1atm, =98K O molar raction.3.1 OH. H O OH E+9 1 CH 4 Q CO.1 5 CO x(cm) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 87 层流预混火焰详细结构燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 88

45 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 89 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9

46 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 91 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9

47 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院火焰拉伸率及其对预混火焰的影响拉伸率定义 : 质点导数! 切向流速火焰传播速度火焰曲率燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 94

48 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 95 Ka S / Ka Ka 1 ( e 1 ( e 1) 1) 火焰变强火焰变弱燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 96

49 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 97 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 98

50 6.8 预混火焰稳定性 Stable (e>1) Celllar lame (e<1) 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 99 Disional-thermal celllar instability 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 1

51 Hydrodynamic instability 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 11 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 1

52 Plsating instability 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 13 Plsating instability 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 14

53 NOE Most o the pictres are copied rom internet, text books (especially Pro. aw s Combstion Physics), thesis, and jornal papers withot permission, and the reerences are NO listed here. his is ile is only sed or the corse, Combstion heory and Modeling, at College o Engineering o Peking University. 燃烧学基础第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 15

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