6-层流预混火焰传播与稳定
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燃气燃烧方法——部分预混式燃烧燃气燃烧时,一次空气过剩系数α′在0~1之间,预先混入了一部分燃烧所需空气,这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。
一、部分预混层流火焰产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。
如图3—4—6,燃气从本生灯下部小口喷出,井引射入一次空气,在管内预先混合,预混后的气体自灯口喷出燃烧,产生圆锥形的火焰,周围大气亦供给部分空气,称为二次空气,通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。
这样,在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面:内火焰面,即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。
为圆锥形,呈蓝绿色,强而有力,温度亦商,为部分预混火焰,也称为蓝色锥体;外火焰面,是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧,其形状也近似圆锥形,呈黄色,软弱无力,温度较低,这是扩散火焰。
蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。
若燃气/空气混合物的浓度大于着火浓度上限,火焰就不可能向中心传播,蓝色锥体就不会出现,而成为扩散式燃烧。
若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限,则该混合气根本不可能燃烧。
氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大,而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。
蓝色锥体的实际形状,如图3—5—5,可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
层流时,沿管道截面上气体的流速按抛物线分布,喷口中心气流速度最大,至管壁处降为零。
静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度sn(其方向指向锥体内部)与该点气流的法向分速度vn相平衡,也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式,通常称为米赫尔松余弦定律:sn=vn=vcosψ (5—5)式中ψ——预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。
余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系,火焰虽有向内传播的趋势,但仍能稳定在该点。
另一方面,蓝色锥体焰面上各点,还有一个气流切向分速度,使该处的质点要向上移动。
第六章 层流预混火焰传播§6-1 火焰速度和火焰结构一维层流火焰在预混燃料-氧化剂混合物中传播是最简单的燃烧现象之一,在此火焰中,化学动力学以及能量和组分扩散输运起重要作用。
通过守恒方程和状态方程可以导出Rankine-Hugoniot 曲线。
该曲线把在一维层流预混火焰中未燃气和已燃气状态联系起来。
已燃气体位于Rankine-Hugoniot 曲线下分支(缓燃),并相应于未燃气体状态Rayleigh 线与具有适当反应热的Rankine-Hugoniot 曲线交点L ,如图6.1-6.2中所示。
图6.1 层流预混火焰坐标系图6.2 一维燃烧波的Rankine-Hugoniot 曲线和Rayleigh 线Rayleigh 线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度,即层流火焰速度有关。
22)()/(/u u u A mdv dP ρ−=−=& ==)(u u S u 层流火焰速度=)/()/1(dv dP u ρ−由于缓燃Rayleigh 线斜率比爆震Rayleigh 线斜率小得多,所以缓燃速度比爆震速度小得多。
虽然守恒方程和状态方程提供了缓燃的未燃气体和已燃状态之间的关系,但不能唯一确定层流火焰速度u S 。
为了确定u S ,必须将守恒方程通过缓燃波积分。
由于在第5章中推导的方程是非线性耦合微分方程,其准确解只有通过数值积分才能获得。
它需要很大的计算资源。
为了考察层流火焰的某些特征(如火焰速度和厚度)以及这些特征与燃烧参数如燃料类型、化学配比、压力及未燃气体的温度的关系,对方程组进行了简化,以便能分析求解。
要得到简化的模型,需要引入一系列的假设。
我们从考察参考系建立在火焰上的层流火焰结构的某些方面入手。
如前所述,这些计算是针对等压过程进行的。
但是对一维缓燃的Rankine-Hugoniot 曲线,如图6.2所示,已燃气的压力小于未燃气的压力。
现在我们需要考察压力减少的数值是否小到可以忽略的程度。