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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. 预混火焰与扩散火焰介绍 火焰分类 预混火焰 v. 非预混 扩散 火焰 层流火焰 v. 湍流火焰 均相火焰 v. 非均相火焰 亚音速火焰 v. 超音速火焰 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

2 预混火焰与扩散火焰介绍 预混火焰 扩散火焰 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3 emied lame v. diion lame emied lame lat lame Bnen lame emied onte-low lame opagation lame in a be opagating Spheical lame Non-pemied diion lame Jet lame iion onte-low lame Bke-Schmann lame Spheical diion lame doplet, coal 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

3 预混燃烧的类型 均质着火 homogeneo ignition,eploion: 高温高压时 H / 混合物的着火过程, 不存在燃烧波的传播 缓燃波 delagation: 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 5 均质着火 Spply mp - H 4 H, atm 75K Mole action Homogeneo Ignition H 4 /ai hi= =atm, =K H H 3 H H 5 5 empeate K Iothemal liqid bath ime 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 火焰 Q JS - m 3 K 5 6E+9 5 4E+9 - pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K H mola action.3. N. H Q JS - m 3 K 5 6E+9 5 4E+9 - pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K mola action.3. H. H H E+9 5 Q H 4 H. N -5 5 cm E+9 5 H. 4 Q cm 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7 爆震波 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

5 lat lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9 lame intability and lamina lame peed Stable e> ellla lame e< he lame popagating peed, S: lame ont peed elative to a ied eeence ame he lamina lame peed lame bning velocity, S : the peed at which the lame ont moving with epective the eh ga in a plana one-dimenional geomety. o - pemied lame: S n=u n+s U i low velocity, n i the nomal vecto at the lame ont towad the eh mite 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

6 lat lame o chemity validation 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 中国科技大学齐飞教授 Bne tabilized - pemied lame lat lame ylindical lame Spheical lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

7 Bnen lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3 Bnen lame: tabilization mechanim mm S n=u n+s 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

8 Bnen lame with dieent colo el ich el lean ieent lame type o a Bnen bne depend on oygen pply. n the let a ich el with no pemied oygen podce a yellow ooty diion lame; on the ight a lean lly oygen pemied lame podce no oot and the lame colo i podced by molecla adical, epecially H and band emiion. he pple colo i an atiact o the photogaphic poce. 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5 Bnen lame with open/cloed tip open cloed cloed open 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6

9 Bnen bne and lot bne 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7 blent Bnen lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

10 blent Bnen lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9 emied conte-low lame emied el/ai 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

11 low ield o pemied conte-low lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 low ield o pemied conte-low lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

12 opagating lame in a tbe Ma low contolle amea el ai Qatz tbe emied el/ai he lame popagating peed, S: lame ont peed elative to a ied eeence ame he lamina lame peed, S : the peed at which the lame ont moving with epective the eh ga in a plana onedimenional geomety. o - pemied lame: S n=u n+s U i low velocity, n i the nomal vecto towad eh mite itance cm 5 5 = ime 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3 opagating pheical lame high peed camea optical acce lame poition, R cm R =R t R =R t...3 ime, t S XXXX X X X X X X X X X X X X X X X X X XX XXX X X X X =.,H 4 /ai lame adi, R cm 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4 lame peed, S b cm/ ine: imlation A-SUR Symbol: epeiment aylo, 99 =.,H /ai =3.,H /ai =4.5,H /ai 3 4

13 opagating pheical lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5 opagating pheical lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6

14 opagating pheical lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7 opagating pheical lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 8

15 iion lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 9 Attached and lited lame Ai Ignite n-o valve Qatz nozzle ontoed ~. mm ontol valve H A H Nozzle n-btane 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3

16 Attached and lited lame a b c d e d =.95 mm; opane low ate: a Q=.95 b7.3 c8.3 d.3 e ml/min 燃烧学基础 第六章: 层流预混火焰北京大学工学院 3 iion conte-low lame ai emied el/ai el emied el/ai 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3

17 Bke-Schmann lame veventilated lame Undeventilated lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 33 amina lane Jet iion lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 34

18 Mico-gavity diion lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 35 oplet combtion 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 36

19 oal paticle combtion 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 37 iagnotic o jet lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 38

20 Galley o tblent lame eample 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 39 Stcte o - pemied lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

21 Stcte o - pemied lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4 Stcte o - pemied lame 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

22 el Stcte o - diion lame ai 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 43 NE Mot o the picte ae copied om intenet, tet book, thei, and jonal pape withot pemiion, and the eeence ae N lited hee. hi ile i only ed o the coe, ndamental o ombtion, at ollege o Engineeing o eking Univeity. 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 44

23 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 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 Mole action Q JS - m 3 6E+9 4E+9 E+9 H H 3 H H 4 Homogeneo Ignition H 4 /ai hi= =atm, =K K pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K cm H H 4 Q H H mola action.3... H empeate K

24 预混燃烧的类型 均质着火 homogeneo ignition,eploion: 高温高压时 H / 混合物的着火过程, 不存在燃烧波的传播 缓燃波 delagation: 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 mp - H 4 H, atm 75K Mole action Homogeneo Ignition H 4 /ai hi= =atm, =K H H 3 H H 5 5 empeate K Iothemal liqid bath ime 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

25 缓燃波 火焰 Q JS - m 3 K 5 6E+9 5 4E+9 - pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K H mola action.3. N. H Q JS - m 3 K 5 6E+9 5 4E+9 - pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K mola action.3. H. H H E+9 5 Q H 4 H. N -5 5 cm E+9 5 H. 4 Q 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

26 缓燃波 v. 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 v. 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 兰金 - 雨贡纽曲线 I 区 : 强爆震区 U 上 J 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 瑞利线 III 区 : 弱缓燃区 IV 区 : 强缓燃区 下 J 点 / / 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰 北京大学工学院 8

27 层流火焰速度 层流火焰速度 amina lame peed, 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 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 d dt 相对于未燃预混气体的层流火焰速度 : S U d / dt 相对于燃烧产物的层流火焰速度 : Sb Ub d / 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

28 来流预混未燃气 U 火焰位置 U b 火焰移动的速度来流未燃气的流速 推进速度 d 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 6.3 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 火焰面 lame heet b 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 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 是连续的, 但 d/d 和 d/d 不连续 ; 结构 c: 非稳态项 + 对流项 = 扩散项 + 反应项 在火焰面处 d/d 和 d/d 均连续 中间 : 反应区上游 : 预热区下游 : 平衡区 ω δ R b 反应面 Reaction heet δ b = b δ b = 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

29 火焰厚度 m S d m d m d d d d d d d d q d d 在预热区, 只考虑对流和扩散, 不考虑化学反应项 假设 ρ=cont,λ=cont, =cont d d d m m d d d M M d d d m b b m d d d 物理意义 : M S b b α δ δ M d α ~ d d d M 预热区 S δ δ M S 化学反应区平衡区 M ω δ R S b e 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 3 Mallad and e hatelie 理论 热理论 火焰温度为绝热燃烧温度 : = b = +q / 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 m - - / δ i S b m i R δ R b - i - i S b- i - 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 ~ n/- 通常反应级数满足 <n<, 即 n/-< 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 4 δ S i / R S ~

30 热质理论 Aep E A / R 预热区厚度 :δ,δ M δ R /δ =/β<< 反应区厚度 :δ R 泽尔多维奇 Zel dovich 数, 通常有 5<β<5 预热区反应区平衡区 反应区燃料的质量分数为 : δ R /δ M = δ /δ M δ R /δ =e /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 / Aep E A / R δ / e / Aep 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 = +q /, 上式可写为 : b - qeδ Aep E A / R δ δ e Aep E / R 质量守恒, 反应区燃料消耗量等于来流中燃料的质量, 即 : m / δm δr S e / 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 ~ n/ 通常反应级数满足 <n<, 即 n/ < 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 ewi 数上升, 层流火焰速度变大 北京大学工学院 5 δ δ M δ R b b e Aep E / R A 数学模型 : 6.4 一维层流预混火焰详细理论分析 d d m q d d d d m d d Ea Aep R :,, : b, 绝热火焰温度 : d q d d q 将两个方程组合消去反应项 : m d d d 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 / ad b, 当 e= 时 : m d q d q d d 利用边界条件可解得 : q ad / q b 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 6

31 heoy o Zeldovich, ank-kamenetkii & Semenov Ame: e = Zone I convection and diion dominate: d m d d d d m cont d d m i d Zone II eaction and diion dominate: d d d q q d d d m i q d d b i d q b i d d d m S Zone I d d e A Ze i II δ b d d ep E R b / m b q b d m S A Ze ep E R b / 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 :. 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 8

32 层流火焰速度的定义 层流火焰速度 amina lame peed, 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 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 d dt 相对于未燃预混气体的层流火焰速度 : S U d / dt 相对于燃烧产物的层流火焰速度 : Sb Ub d / 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

33 S 来流预混未燃气 U 火焰位置 U b 火焰移动的速度来流未燃气的流速 推进速度 d 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 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 amina lame peed, S cm/ 4 H4+Ai 3 ige om US oe Repot at: 反应机理 A 反应机理 B 实验 Eqivalence atio, 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

34 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 H 4 /ai Qin and J 5 3 S amina lame peed, S cm/ A-SUR 9 aylo 99 G et al. Rozenchan et al Eqivalence atio, 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 d dt U S S S U =S U b U S n U 火焰静止 火焰移动 U b. m. m.3 m 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

35 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 d 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

36 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 954 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

37 本森灯火焰法测速原理 S S U n S U in 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 mm 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

38 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 3 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

39 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

40 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 emied el/ai 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 36

41 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

42 对型流火焰法 U<U<U3 U 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 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 Ma low contolle amea el ai Qatz tbe d dt S U U emied el/ai S d dt itance cm 5 5 = ime 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

43 球形传播火焰法 high peed camea optical acce pee tandce lame poition, R cm R =R t R =R t...3 ime, t S ontant-ee Method 定压法 =t...3 ime, t S ontant-volme Method 定容法 ee, atm 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 定容 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

44 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 9 8 Simlation A-SUR Epeiment Elia et al. ee, atm H 4 /ai, =. =atm, =98K ime, t 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 44

45 球形传播火焰法 定容 测速原理 ee meaement? amina bning velocity R Amption: he lame i thin, mooth and pheical; he pee i patially niom, R he bned and nbned ga behave a ideal ga; he diociation podct ae in eqilibim; he bned ga i compeed ientopically; he tempeate i patially niom in the nbned ga egion; No boyancy eect and heat lo ae 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 pee tandce 8 7 R R e e / 3 / =t ee, atm S R 3 e d dt R R /...3 ime, t S 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

46 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

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 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

48 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 5 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

49 球形传播火焰法 定压 high peed camea optical acce ig. om N. ete 99 lame poition, R cm R =R t R =R t dr Sb dt dr K R dt U b lame Speed, S b cm/ 3 7 S b S b =S b - b K b...3 ime, t S 4 3 lame Stetch, K / 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

50 球形传播火焰实验 定压法 R =R t =t,? =t,? 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 hen Z. et al. 9 ombt. heoy 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

51 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 b b R bned gae nbned gae, t R t R t b, t R t R t b, t R S R t R t b 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 S R t R t b 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 W 无限大空间受限空间 W W b R R o dt d R R o dt d t , dt d R b b 3

52 理论与模拟的比较 速度场 5 实线 : 模拟结果 a 点划线 : 理论预测 H 4 /ai, =. R W = cm R =.44 cm cm/ 5 Eq. 7 Simlation b 燃烧学基础 第六章: 层流预混火焰 cm 北京大学工学院 59 理论与模拟的比较 速度场 5 5 实线 : 模拟结果 a b 点划线 : 理论预测 H 4 /ai, =. R W = =5 cm cm R =.44 =.336 cm cm/ Eq. 7 5 Simlation 5 b b < 燃烧学基础 第六章: 层流预混火焰 cm 北京大学工学院 6

53 测试题 : 向里传播的球形火焰 bned gae dr S dt nbned gae 向外传播的球形火焰 nbned gae 无限大空间受限空间?? 无限大空间 受限空间 bned gae dr S dt R, t R b S 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰 R R t t R d 3 b dt, t 3 3 RW d 3 dt o o R W R R R W 北京大学工学院 6 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 : 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

54 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 Bning Velocity cm/ at 98 K Meaed maimm bning velocitie o methane-ai ea o blicat ion 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 64

55 通过各种测量方法测得的结果 Meaed maimm bning velocitie o methane-ai Bning Velocity cm/ at 98 K ea o blication cm/ amina lame peed, S a aylo 99 Haan et al. 998 G et al. Rozenchan et al. Halte et al. 5 hen et al. 7 H et al. 9 ahtoh et al. 9 REMIX Eqivalence atio, 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 Spheical lame ontant volme method Spheical lame ontant pee method ontelow lame method What i the cae? aell et al., SAE pape 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 66

56 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 H4//M 的混合物, 其中 M 为, N, He 氦气 中的一种 混合物各组分摩尔比为 H4::M=mol:mol:3mol 当 M 为 时, 其定容下的层流火焰速度为 S ; 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 <S He ;B, S <S N <S He ;, S He <S N <S 对于给定初始温度 3K 的 H4//M 的混合物, 其中 M 为, N, He 氦气 中的一种 混合物各组分摩尔比为 H4::M=mol:mol:3mol 当 M 为 时, 其定容下的绝热燃烧温度为 ; 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 < < He ;B, < N < He ;, He < N < 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 68

57 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/ amina lame peed, S H 4 /ai 98K, atm Eqivalence atio, + + aylo 99 Haan et al. 998 G et al. Rozenchan et al. Halte et al. 5 hen et al. 7 H et al. 9 ahtoh et al. 9 REMIX a ine: Simlation Symbol: Epeiment 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7

58 化学反应当量比的影响 3 H /ai, atm cm/ amina lame peed, S A-SUR REMIX aylo 99 e et al. ine: Simlation Symbol: Epeiment Eqivalence atio, 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7 化学反应当量比的影响 Epeiment Simlation 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 7

59 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

60 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

61 添加剂的影响 cm/ 5 5 a A-SUR Miao et al. 8 Hang et al. 6 Halte et al. 5 aylo 99 ine: Simlation Symbol: Epeiment S a H /H 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

62 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 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

63 压力的影响 S p 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 总包反应的级数 S p 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

64 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

65 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 - m 3 6E+9 4E+9 K pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K H mola action.3. N. H E+9 Q H 4 H. 5 N -5 5 cm 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 86

66 层流预混火焰详细结构 Q JS - m 3 6E+9 4E+9 K pemied H 4 /ai hi= lame =atm, =98K mola action.3. H. H H E+9 H 4 Q 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

67 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

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

69 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

70 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 e e 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

71 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

72 6.8 预混火焰稳定性 Stable e> ellla lame e< 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 99 iional-themal cellla intability 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

73 Hydodynamic intability 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院

74 lating intability 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 3 lating intability 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 4

75 NE Mot o the picte ae copied om intenet, tet book epecially o. aw ombtion hyic, thei, and jonal pape withot pemiion, and the eeence ae N lited hee. hi i ile i only ed o the coe, ombtion heoy and Modeling, at ollege o Engineeing o eking Univeity. 燃烧学基础 第六章 : 层流预混火焰北京大学工学院 5

76 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 7, 扩散火焰 北京大学工学院 预混火焰与扩散火焰介绍 预混火焰 扩散火焰 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院

77 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 3 扩散火焰 扩散火焰受制于燃料和氧化剂向彼此间的扩散 由于化学反应远远快于扩散, 而且化学反应只是集中在燃料和氧化剂混合物当量比为 的区域, 因此可以将反应区近似为一个反应面 eaction heet 反应面为热源 释放化学反应热 和质汇 消耗燃料和氧气 的组合 该近似相对于假设化学反应速率为无穷大, 燃料和氧气一遇到就会反应生成产物并释放出热量 由于实际燃烧过程中化学反应速率为有限值, 会有少量的燃料和氧气漏过反应区 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 4 控制方程 ep R E A W W W W A ep R E A W A W W i i i i t i i i i t i i i i q t 假设单步 不可逆 二级化学反应 : 为每一千克燃料对应消耗的氧气的质量 q 为燃烧单位质量燃料所释放出的热量 为每一千克燃料对应消耗的氧气的质量

78 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 5 守恒标量 opling nction 方程假设 : / e e 定义耦合函数 :, q / q / 3 将控制方程消去化学反应项, 上述耦合函数均满足守恒标量方程 : i k i i k i k t k=,,3 i i i i t i i i i t i i i i q t 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 6 混合物分数守恒标量燃料侧的值为 β k 氧气侧的值为 β k β - β + /q /q β 3 /q + /q i k i i k i k t 上标 表示位于边界的值, 下标 和 分别表示燃料侧和氧气侧 k k k k z k i k i i k i k z z t z 归一化处理 : 在氧气侧有 z k =, 在燃料侧有 z k =, 且 z k k=,,3 z =z =z 3 =z

79 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 7 混合物分数 k k k k z k i k i i k i k z z t z 在氧气侧有 z k =, 在燃料侧有 z k =, 且 z k z =z =z 3 =z, q / q / 3 / / / / q q q q z z / 为由边界值而确定的当量比, 称为边界当量比 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 8 当量混合物分数 i i i i z z t z 在氧气侧有 z=, 在燃料侧有 z=, 且 z / / / / q q q q z z / 燃料和氧气混合的当量比为., 燃料与氧气恰好完全反应时, 则有 =, 即 : / t z z z t 为当量混合物分数 扩散火焰的反应面出现在 z=z t 处 因此, 求解出 z 的空间分布后即可根据条件 z=z t 确定扩散火焰的位置

80 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 9 当量混合物分数 / t z z 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 扩散火焰中,, 随混合物分数 z 的分布 / / / / q q q q z / t z z z z z z q z z z / z / / t t z z z z z z / / t t z z z q z z z 假设不可逆无穷快化学反应, 反应区为反应面 热源和质汇! 氧气侧, 无燃料, z<z t : 燃料侧, 无氧气,z t <z : 线性分布!

81 氧气侧 z<z t : z z / z z z c c z 燃料侧 z t <z : z z z z / z z c3 c4z t t t 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 扩散火焰的绝热燃烧温度 z z z z q / z ad t t t / t W W q z / ad t z t 为将燃料和氧化剂按化学反应当量比为. 混合后得到混合物中燃料的质量百分数 : 个质量单位的燃料来流中含有燃料的质量为 ; / 个质量单位的氧化剂来流中含有氧化剂的质量为, 由于每消耗 个质量单位的燃料正好对应消耗 个质量单位的氧化剂, 因此当量比正好为. 此时混合物中燃料的质量百分数为 /+ / = z t 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院

82 扩散火焰的绝热燃烧温度 z t 为将燃料和氧化剂按化学反应当量比为. 混合后得到混合物中燃料的质量百分数. q z / 例题 : 估计扩散火焰的温度, 燃料侧为纯 H4, 氧化物为空气 %+79%N 则扩散火焰温度为以下混合物的绝热燃烧温度 : H4+./..+.79N, 即 H4::N=::.58/. 体积比, 燃料侧为 H4 和 N 的混合物 %H4+8%N, 氧化物为空气 %+79N 则扩散火焰温度为以下混合物的绝热燃烧温度 : /..H4+.8N+./..+.79N, 即 H4::N=::4+.58/. 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 3 ad t 最高温度与平均温度 z z q / z ad t t t 最高温度与质量流量无关! m m m / m g / m / g m / / q min g,. g g / g / 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 4

83 扩散火焰的绝热燃烧温度 z z z z q / z ad t t t / t W W q z / ad t z t 为将燃料和氧化剂按化学反应当量比为. 混合后得到混合物中燃料的质量百分数 : 个质量单位的燃料来流中含有燃料的质量为 ; / 个质量单位的氧化剂来流中含有氧化剂的质量为, 由于每消耗 个质量单位的燃料正好对应消耗 个质量单位的氧化剂, 因此当量比正好为. 此时混合物中燃料的质量百分数为 /+ / = z t 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 5 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 6

84 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院练习题 已知预混气体 H 4 : : N = mol : mol : mol 的绝热燃烧温度为 7K 有一绝热扩散火焰, 其燃料侧由 H 4 和 N 组成 体积比为 H 4 : N = mol : mol, 其氧化物侧为纯, 则该绝热扩散火焰的火焰温度 7K 填 大于 或 等于 或 小于 相同的液滴分别在不同的环境中燃烧 : 环境 I 为空气 % 为,79% 为 N ; 环境 II 为由 3% 的 和 7% 的 N 组成的混合气体 百分比均为体积百分比 在环境 I 和环境 II 中对应的火焰半径分别为 R,I 和 R,II, 则 R,I R,II 填 大于 或 等于 或 小于 7 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 8 一维静态扩散火焰,, :, :, t t q t 定常问题解法 :, 混合物分数法 Mite action omlation;, 耦合函数法 opling nction omlation; 3, 反应面法 Reaction-Sheet omlation

85 反应面法 反应区被看作一个反应面 eaction heet 反应面为热源 释放化学反应热 和质汇 消耗燃料和氧气 的组合 在 < 和 < 处可以忽略化学反应项 假设化学反应无穷快, 在火焰处有 : =, =,= 火焰位置 和火焰温度 待确定 忽略化学反应项后的控制方程为 : d d d d d d 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 9 反应面法 忽略化学反应项后的控制方程为 : d d d d d d 根据相应的边界条件, 可以解出质量分数与温度的分布为 : < 时 : < 时 :, 接下来确定火焰位置 和火焰温度, 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院

86 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院反应面法 根据控制方程可以推出 : 对上式在火焰面前后进行积分得 : 上式被称为间跃条件, 前一个等式的物理含义为扩散进入到火焰面的燃料和氧气正好满足当量比为. 这一条件, 后一个等式的的物理含义为进入火焰面的化学焓正好等于通过热传导从火焰面传递出来的热量 t t q t d d q d d d d d d q d d d d 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院反应面法 火焰面处的间跃条件 : 质量分数与温度的分布为 : < 时 : < 时 : 代入间跃条件得 :,, d d q d d d d,, q

87 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院反应面法 火焰面处的间跃条件 : 将分布,, 代入间跃条件得 : 上述两个方程可以确定确定火焰位置 和火焰温度 : 3 d d q d d d d,, q /,,, /,, q q 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 4 反应面法求解步骤 :. 忽略化学反应项, 解出,, 的分布 ;. 由控制方程推导出火焰面前后的间跃条件 ; 3. 将 中解出的,, 的分布代入间跃条件, 从而确定火焰位置 和火焰温度

88 扩散火焰位置的确定,,, d d d d,, 扩散进入到火焰面的燃料和氧气正好满足当量比为. 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 5 本章习题 Rewok the chambeed lame poblem o the ollowing ige, allowing o a contant ma l m=ρ and contant vale o, +, p ±, and ±. eive and dic the oltion o vey mall low ate m. 反应面法 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 6

89 本章习题 o the one-dimenional chambeed lame poblem, let the el and oidize gae be epectively epeented by and, which ndego a two-tep eaction occing at two ditinct ininiteimally thin lame ont a hown in the ollowing ige. onide the initial diociation o occ o that both and eit with known ma action at =. eive the el bning ate, the lame location, and,, and the lame tempeate, and,. Ame e=. Ma action, i 耦合函数法 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 7 非定常问题 t t t q,,,, 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 8

90 伯克 - 舒曼 Bke-Schmann 火焰 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 9 对冲扩散火焰 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 3

91 液滴蒸发与燃烧 反应面 汽化过程 液滴,, 燃料蒸汽 燃烧产物 环境,, 液滴 环境,, 内对流扩散区 外对流扩散区,, 液化过程 反应面,,, =,, 组分 液体 = 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 3 Joeph Stean 4 Mach Janay 893 wa a ainthian Slovene phyicit, mathematician, and poet o Atian citizenhip. Stean Boltzmann law 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 3

92 史蒂芬 Stean 流 Stean 流不是外界强加的对流场, 而是由于燃料汽化 / 液化而导致的流动, :,,, :,,,, di d i d d i i, di cont i, d 假设空气 组分 完全不溶于液态燃料, 则有 : d d d d 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 33 史蒂芬 Stean 流 d d d d d d,, ln B m,v Bm, V, 当, >, 时,B m,v >, 则有 >,>, 即为汽化过程 ; 当, <, 时,B m,v <, 则有 <,<, 即为液化过程 通常, 不是给定的, 而且为了确保 ==,, 在液面处有持续不断的汽化 / 液化过程, 因此在液面处有热交换, 我们需要考虑能量方程即温度方程 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 34

93 / 史蒂芬 Stean 流 ln B h,v d d d d d cont d d / d d d B h, V q q V V 汽化潜热 q V 当 > 时, 热量传向液面, 为汽化过程, 即 B h,v >, 则有 >,>; 当 < 时, 热量由液面传向外界, 为液化过程, 即 B h,v <, 则有 <,< 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 35,, q, 燃烧学基础 7, 扩散火焰 V 史蒂芬 Stean 流,, ln B m,v Bm, V, / ln Bh,V Bh, V qv 北京大学工学院 / ln Bm V ln Bh,, V 若已知, 和, 需要确定, 和 的值, 则还需一个关于, 和 的方程 : M ga M liqid 根据组分方程和温度方程得 : e= qv k e ep[ R 本问题同时涉及传质与传热, 两者的耦合通过什么条件体现出来? e ] 36

94 液滴蒸发 物理模型 : 单个液滴, 半径为, 处于环境温度为, 气相燃料的质量百分数为, 下标 对应燃料 液滴表面温度为, 表面处气相燃料的质量百分数为, 假设 : 准稳态, 一维球对称, 忽略重力, 绝热 无热辐射 无热源, 液滴内温度均匀为 因为液体的热传导系数远远高于气体的热传导系数, 单个液滴在静止 无穷大的环境中蒸发, 液滴由单组分燃料组成 热物性系数为常数 =cont,ρ =cont 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 37 课堂练习 连续方程 : d d 组分方程 : d d d d m V d d 4 cont 边界条件 = =, 和 = =, d d d d d d 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 38

95 液滴蒸发 连续方程 : d d 燃烧学基础 7, 扩散火焰 m V 4 cont 组分方程 : d d d d d d m V d d d 4 d d d / m~ m~ V / e V m~ V m d d ~ V 利用边界条件 = =, 和 = =, : ~ m mv e,,, m~ e / ~ V V ~ / /4 北京大学工学院 39 mv e,,, m~ e 液滴蒸发 假设另一种组分 空气, =- 完全不溶于液滴中, 且有 ρ =ρ : ~ d m V d d m ~ V m~ V d 组分方程 : m~ ~ / ~ ln B / V B m,v 温度方程 : m~ ln V B h,v,,, qv V m, V,,, B / q h, V qv k e ep[ R V e ] 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 4

96 燃烧学基础 7, 扩散火焰 液滴蒸发 蒸发过程中, 液滴半径如何随时间变化? 蒸发率为单位面积的质量流量 : mv / V ln B, h V 4 d 4 3 mv dt 3 d / ln Bh, V dt, K V t K V / ln B 上述关系称为液滴蒸发的平方率 d -aw 液滴的寿命为 : t / K c, V h,v 北京大学工学院 4 液滴燃烧 应用 : 柴油机 燃气轮机 火箭燃料 : 液态易于携带 管道运输, 其体积能量密度高燃烧 : 通常发生在气相 分子碰撞导致化学反应, 而且取决于燃料和空气 氧化剂 的接触面积, 因此需要将液态燃料通过喷雾过程分散为小的单元体, 即液滴 液滴蒸发与燃烧涉及流体力学 传热传质 化学反应和相变过程 影响液滴蒸发与燃烧的因素有 :, 流场, 非惯性运动导致的液滴内部流动 非球对称问题 ;, 浮力 ;3, 非单一组分液滴燃料 ;4, 非稳态效应 准稳态假设 qai-teady amption: 由于液体的密度远远大于气体密度, 因此可以近似认为液滴表面随时间变化远远慢于气相中的对流扩散过程, 即非稳态项很小, 可以忽略 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 4

97 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 43 扩散火焰求解方法,, :, :, t t q t 定常问题解法 :, 混合物分数法 Mite action omlation;, 耦合函数法 opling nction omlation; 3, 反应面法 Reaction-Sheet omlation 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 44 反应面法求解步骤 :. 忽略化学反应项, 解出,, 的分布 ;. 由控制方程推导出火焰面前后的间跃条件 ; 3. 将 中解出的,, 的分布代入间跃条件, 从而确定火焰位置 和火焰温度

98 液滴燃烧 假设 : 类似于液滴蒸发, 假设化学反应无穷快, 热物性为常数 =cont, ρ =cont,ρ =cont,λ=cont 单步 不可逆 二级化学反应 : W 控制方程 : d d d d d d d d 燃烧学基础 7, 扩散火焰 E A Aep R W W d d q m d d d d d d d d d d 4 cont 边界条件 : d m :, d 4 d,, qv d, :,, 北京大学工学院 45 液滴燃烧 求解 :,, 的分布以及火焰位置 R 与火焰温度 方法 : 反应面法, 在燃料区 和氧气区 均可忽略化学反应项 假设火焰位置为 =, 则火焰处有 = 和 = = 燃料区, 控制方程及边界条件为 : m 4 cont d d d d d d d m [ ] d d d d 4 d d d, d d d d d d, 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 46

99 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院液滴燃烧 47 燃料区 : d d d d d d d d d d d d d d d d d d cont m 4 方程的解为 : ] /4 ep[ m /4 /4 /4 /4 m m m m e e e e 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院液滴燃烧 48 d d d d d d d d d d d d d d d d d d cont m 4 方程的解为 : 氧气区 : /4 /4 /4, m m m e e e /4 /4 /4 m m m e e e

100 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院液滴燃烧 49 燃料区 : ] /4 ep[ m /4 /4 /4 /4 m m m m e e e e 氧气区 : /4 /4 /4, m m m e e e /4 /4 /4 m m m e e e 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院液滴燃烧 5 确定火焰位置 与火焰温度 间跃条件 : 将控制方程在火焰面前后进行积分 d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d d q d d d d d d d d q d d q d d d d d d d d d q

101 液滴燃烧 d q d d d d d d d 由, 和 的分布得 : d m d 4 d d d d d d m 4 m m 4 4, e e e m m /4 m /4 /4 /[ e /[ e /[ e m m /4 m /4 /4 e ] m ] /4 ] 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 5 液滴燃烧 d q d d d d d d d m 4 d d d d m /4 m, e m /4 4 e e m e m /4 /[ e m /4, /4, / ] m /4 ln /,, 越大, 则 越小 ;ρ 越大, 则 越小 因此, 火焰将调整自己的位置以使得扩散进入火焰面的燃料和氧气正好满足当量比为 这个条件 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 5

102 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院 53 d d d d d d d d q 4 m d d / ln /4, m... d d... d d q m m 4 ep ] 4 ep[ 将温度分布代入 = 处的边界条件 λd/d=ρq V 得 : V q m ] 4 ep[ 液滴燃烧 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院液滴燃烧 54 d d d d d d d d q / ln /4, m q m m 4 ep ] 4 ep[ V q m ] 4 ep[ / /, V e q q 化学反应释放的热量 : 用于汽化液态燃料 + 用于将燃料的温度由 上升到 + 最后一部分用于将消耗的氧气的温度由 上升到

103 液滴燃烧 如何确定液滴表面温度? 方法, 近似为液态燃料的沸点 ; 方法, 由 的分布可以知表明液滴表面处气态燃料的质量百分数, 进而可以算出其分压, 将其代入描述相变平衡的克劳修斯 - 克拉伯龙方程则可以解出 m /4 m ep[ ] ln / 4 q /, ln[ ln / q, / 火焰半径与液滴半径的比值为常数! V ] cont V 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 55 液滴燃烧 已知 :,,,ρ,ρ,λ,,q,q V 求解 :,,m,, 和, m /4 ln, / q q V /, / e / ln[ ep[ m ln / q, / V /4, ] cont 描述相变平衡的克劳修斯 - 克拉伯龙方程 :,, = ] 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 56

104 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院液滴燃烧 57 燃烧过程中, 液滴半径如何随时间变化? dt d dt d m / ln ] / ln[ /, q V / ln /4, m } ] / [ / ln{ 4 /, V q m V q dt d /, ] / [ / ln{ t K, V q K /, ] / [ / ln{ 液滴燃烧的平方率 d -aw 燃烧学基础 7, 扩散火焰北京大学工学院单组分液滴燃烧 58

105 单组分液滴燃烧 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 59 单组分液滴燃烧 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 6

106 双组分液滴燃烧 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 6 双组分液滴燃烧 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 6

107 碳的燃烧 煤粉燃烧 :, 挥发性物质脱离 ;, 焦炭生成, 伴随大部分热量释放 简化模型 :, 单膜模型 : 气相中没有火焰面, 最高温度点发生在碳表面, 双膜模型 : 火焰面位于距离碳表面一定距离处, 在火焰表面 与 发生反应 3, 连续膜模型 : 火焰区域分布在整个边界层内, 而非集中在一个薄层内 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 63 碳的燃烧 : 单膜模型 假设 :, 准稳态过程 ;, 单个球形碳颗粒在无限大静止环境中燃烧 ;3, 只考虑碳表面反应 +, 实际上 更容易生成, 但单膜模型中不考虑 ;4, 碳颗粒对气相组分具有不透过性, 即颗粒内部无扩散 ;5, 颗粒内部温度均匀 固体热传导系数远大于气体热传导系数 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 64

108 碳的燃烧 : 双膜模型 燃烧学基础 7, 扩散火焰 北京大学工学院 65