层流预混火焰传播速度测定

燃烧学实验指导书

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目 录

实验原理系统图、实验仪器仪表型号规格及燃料物理化学性质………………2

实验一 Bensun火焰及Smithell法火焰分离…………………………………….. 3

实验二 预混火焰稳定浓度界限测定……………………………………………4

实验三 气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定…………………6

实验四 静压法气体燃料火焰传播速度测定……………………………………8

实验五 本生灯法层流火焰传播速度的测定……………………………………11

实验六 水煤浆滴的燃烧实验……………………………………………………13

燃烧喷管及石英玻璃管说明

燃烧喷管共4根，分别标记为：

I号长喷管 — 细的长喷管(喷口内径7.18mm)

II号长喷管 — 粗的长喷管(相配的冷却器出口直径10.0mm)

I号短喷管 — 细的短喷管(喷口内径5.10mm)

II号短喷管 — 粗的短喷管(喷口内径7.32mm)

石英玻璃套管共3个，分别标记为：

I号玻璃管 — 最细的石英玻璃管(本生灯火焰内外锥分离用)

II号玻璃管 — 中间直径的石英玻璃管(观察Burk-Schumann火焰现象及测定射流火焰长度用)

III号玻璃管 — 最粗的石英玻璃管(测定射流火焰温度用)

燃烧学实验注意事项

1．实验台上的玻璃管须轻拿轻放，用完后横放在实验台里侧，以防坠落。

2．燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。

3．燃烧完后的喷嘴口、水平石英管的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。

4．在更换燃烧管时，手应握在下端，尽量远离喷嘴口。 燃烧学实验

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试验用仪器仪表型号规格 名 称 型号规格 生产厂家

浮子式流量计(燃气) LZB-4F 常州热工仪表总厂

浮子式流量计(空气) LZJ-10 常州热工仪表总厂

空气稳压定值器 QGD-101 广东肇庆恒星仪表气动元件厂

燃烧

1． 为什么说能源与环境问题和燃烧学密切相关？

答：当今世界能源的获取超过86%来自于燃料的燃烧，而燃烧会释放出很多的气体：CO2，NOx，S化物等等。其中CO2是大气温室气体导致全球变暖；NOx，S化物是有害气体对人类的健康、工业、农业都有害。

2． 试写出两个以上燃烧学者的名字：Zeldovich、Spalding、Williams、Robert Bensen

3． 煤油和氢气的理论空气量各为多少？答：煤油约为15，氢气约为35

4． 某燃料由C、H两种元素组成，则其含H量越高，理论空气量 越大 。

5． 一般燃料的理论燃烧温度(空气)大约为多少？答：2000℃左右

6． 油/气比？当量比？余气系数？相互关系？ RP-3燃料与空气化学恰当混合时，各自的值？

答：油/气比ƒ：在燃烧过程中，参加反应的燃料质量与参加反应的空气质量之比。

当量比Φ：在燃烧过程中，实际的油气比与化学恰当的油气比之间的比值。

余气系数α：在燃烧过程中，实际的空气消耗量与化学恰当时的空气消耗量之比。

两者之间的关系：Φ= ƒ/ƒs （其中ƒs为化学恰当的油气比）、Φα =1

RP-3燃料，甲烷：ƒ≈0.05882，汽油/煤油：ƒ≈0.06667，氢气：ƒ≈0.02857

7． 影响燃料的理论燃烧温度的因素有哪些？答：燃料的种类、当量比、压力

8． 不考虑离解时所计算的燃烧温度比理论燃烧温度高低？相差？答：离解时温度低，约100℃

9． 定压燃烧与定容燃烧的理论燃烧温度谁高？大约相差多少？答：定容理。大约相差600℃

10． 一般碳氢燃料化学恰当比下定容燃烧所造成的压力上升大约为？大约上升10atm

11． 用空气和纯氧作助燃剂的燃烧温度谁高？相差？答：用纯氧高。相差3500℃

12． 理论上，当量比1时，燃料绝热火焰温度Tf达到最大值。实际上出现在当量比1.1 时。

层流燃烧速率和马克斯坦长度

层流燃烧速率和马克斯坦长度是表征层流燃烧特性的重要参数。层流燃烧速率可用于分析和预测发动机的燃烧性能，对指导发动机的优化设计有重要意义。目前，测量可燃气体层流燃烧速率的方法主要有逆流双火焰法(eounterflowdouble flames)，平面火焰燃烧法(flat flameburner)和球形火焰扩散法(spherically expandingflames)。Bradley和Gu等许多学者都认为，火焰拉伸对层流燃烧速率有较大影响，是引起测量误差的主要因素。燃烧速率对火焰拉伸的敏感程度可通过马克斯坦长度参数来表征。它表征出火焰的稳定性。由于球形火焰传播模型的拉伸率定义简单明确，火焰面上拉伸分布均匀，模型简单，操作方便。被广泛地应用在测量层流燃烧速率中。

层流燃烧速率和马克斯坦长度的测量原理

燃烧气体的层流燃烧速度是混合气状态参数的函数，受未燃气体压力、温度以及燃气物性和当量比等诸多因素的影响，在封闭空间内进行的球形火焰传播过程中，必然伴随着压力和温度的逐渐升高，因此只有在未燃区温度和压力变化范围均很小，并且火焰辐射损失较小的情形下，此时已燃气体经历的是一个准定压绝热燃烧过程，才可以认为此时的火焰燃烧速度是混合气的层流燃烧速度．预混燃烧气体在定容燃烧弹中的燃烧属于球形膨胀燃烧，对于球形膨胀火焰，拉伸火焰传播速度可由火焰半径与传播时间的关系式给出：

dtdrSun （1）

式中：ur 为火焰半径；t为时间。实际采用下式进行计算

)/()(1111iiiiniTTrrS （2）

式中：niS为i时刻拉伸火焰传播速度；1ir和1ir分别是1i和1i时刻的火焰半径。

广义的层流燃烧速度定义的对象是理想化的无限大的平面火焰，但在实际条件下，层流平面火焰仅仅是一种理想化的火焰形态，遇到的火焰不是平面而大多是曲面的，其火焰前锋受有火焰拉伸的作用．火焰拉伸率通常定义为火焰表面上一个无限小面积元素的对数时间变化率，即 dtdAA1 （3）

《燃烧学》课程笔记

第一章 燃料与燃烧概述

一、燃烧学发展简史

1. 古代时期

- 早期人类通过摩擦、打击等方法产生火，火的使用标志着人类文明的开始。

- 古埃及、古希腊和古罗马时期，人们开始使用火进行冶炼、烹饪和取暖。

2. 中世纪时期

- 炼金术的兴起，炼金术士们试图通过燃烧和其他化学反应来转化金属。

- 罗杰·培根（Roger Bacon）在13世纪对火进行了研究，提出了火的三要素理论：燃料、空气和热。

3. 17世纪

- 法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验证明了燃烧是物质与氧气的化学反应，推翻了燃素说。

- 拉瓦锡的氧化学说为现代燃烧理论奠定了基础。

4. 18世纪

- 约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）和卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm

Scheele）分别独立发现了氧气。

- 拉瓦锡和普利斯特里的实验揭示了氧气在燃烧过程中的作用。

5. 19世纪

- 热力学第一定律和第二定律的发展，为理解燃烧过程中的能量转换提供了理论基础。

- 化学反应动力学的发展，科学家们开始研究燃烧反应的速率和机理。

6. 20世纪

- 燃烧学作为一门独立学科得到发展，研究内容包括火焰结构、燃烧污染物生成与控制等。

- 计算流体力学（CFD）的应用，使得燃烧过程的模拟和优化成为可能。

- 环保意识的提高，促进了清洁燃烧技术和低污染燃烧技术的发展。

二、常见的燃烧设备

1. 炉子

- 锅炉：用于发电和工业生产中的蒸汽供应。

- 炉灶：家用烹饪设备，使用天然气、液化石油气等作为燃料。

- 热水器：利用燃料燃烧产生的热量加热水。

2. 发动机

- 内燃机：汽车、摩托车等交通工具的动力来源。

- 燃气轮机：用于飞机、发电厂等，具有较高的热效率。