燃料与燃烧第十二章.pptVIP

在层流下，混合是以分子扩散的形式进行的。在两个射流相接触的界面上，空气分子向煤气射流扩散，煤气分子也向空气射流扩散。在某一面上，煤气与空气相混合时浓度达到化学当量比(即空气消耗系数n＝1)。这时点火后，在该面将形成燃烧前沿。燃烧前沿面上生成的燃烧产物同时向两个相反的方向（中央的煤气射流和周围的空气射流）进行扩散。因此，层流火焰中便明显地分为四个区域：纯煤气区、煤气加燃烧产物区、空气加燃烧产物区，纯空气区。 曲线表明，燃料的浓度在中心处最大，然后沿径向逐渐减小，至火焰前沿时减为零。氧的浓度在前沿面处也为零,再向外逐渐增加到周围介质中的氧浓度。也就是说，在火焰前沿面上，煤气与空气的比值为化学当量比，而且化学反应是瞬时完成的，因此，整个火焰结构取决于气体的扩散。 层流火焰浓度分布图 层流扩散火焰的描述（氢气在大气中燃烧为例）： 设火焰在半径为r，高度（长度）为z处的浓度为C，气流速度为w，气体分子扩散系数为D。 扩散方程 假设是稳态， 描述层流扩散火焰的微分方程式。 对于求解层流扩散火焰的微分方程，需要边界条件 对于纯扩散火焰，火焰面上C＝0 当燃烧器尺寸及介质一定时，E为常数。那么，利用式（12-14）可以预示 火焰面的形状。 火焰面方程式： H.C,Hottel等人根据方程采用半经验处理方法，考虑煤气在大气（静止空气）中的层流火焰，得出如下比较简单的计算层流火焰长度的公式： A、B－常数，与气流速度和喷口直径无关，随燃料种类而变。 V- 体积流量 （12-15） 上式及实验表明，当燃料成分一定时，层流扩散火焰的长度主要取决于体积流量。当流量一定，则火焰长度与直径无关（12－15式）；若流速一定，则火焰长度随直径的增加（流量增加）而增加；若直径一定，则火焰长度随流速的增加（流量增加）而增加。这是因为扩散火焰的长度主要取决于完成混合过程所需要的时间。煤气量越大，该流量与空气混合所需要的时间越长，在该时间内煤气分子将流经较长的路程，也即火焰越长。 讨论： 二、紊流扩散火焰 增加煤气和空气的流速，可使层流火焰过渡到紊流火焰。 紊流扩散火焰形状特点： 1）当气流速度增加时，由层流过渡到过渡区时，起初火焰的顶部发生颤动； 2）气流速度不断增加，在某一速度（转化点）之上，火焰由层流转化为紊流； 3）与层流不同，紊流火焰长度与气流流动速度关系不明显的原因：a)一方面，流量增加使火焰变长；b)另一方面，混合速度增加使火焰缩短； 4）出现紊流流动的雷诺数要大于2000的原因：燃烧反应使火焰温度升高，导致气流密度减少、粘度增加； 5）紊流火焰紊乱且破碎，各区域之间不存在明显的分界面。也不存在象层流火焰那样的可燃分子与氧分子浓度同时等于零的前沿面。 火焰的外形轮廓是规整的 紊流扩散火焰的浓度分布（氢－空气火焰） 1）紊流火焰中心还有氧分子（质点的脉动）； 2）紊流燃烧产物最大的地方，反应物浓度并不为零； 3）燃烧前沿相对层流，是一个较厚的区域。 层流扩散火焰 紊流扩散火焰 实验例子－反应物是CO，燃烧产物是CO2火焰断面情况 通过测定火焰的浓度分布，可以判断火焰中燃烧量分布，温度分布及火焰外形尺寸等火焰结构的特点。 1）CO2浓度最大的地方，O2的浓度不为零； 2）中心区域有O2存在； 3）靠近边缘， CO2浓度增加， O2的浓度降低－燃烧产物回流4）火焰中燃烧产物温度分布于燃烧产物浓度分布具有相似性 3） 紊流扩散火焰的描述： 前苏联学者，在假定火焰长度只取决于混合过程而与化学反应速度无关的前提下，推导了计算火焰长度的近似公式 火焰长度主要取决于煤气的种类和喷口直径 冈瑟也得出了类似的结论 另一前苏联学者实验结果－说明图12－12中所描述的规律只有在小口径烧嘴时才存在，而当口径较大时，在气流速度增加到相当大时，火焰长度仍随气流速度的增加而增加。实验数据整理出计算公式 上述三个公式都是对于自由煤气射流的计算公式。 如果是双股同心射流，由于空气射流附加的紊流脉动作用，混合过程得到强化，火焰因而缩短。如前苏联一学者用不同比例的高炉－焦炉混合煤气，得到的计算公式。 如果是旋流，旋流火焰的长度比不旋流的要短。Maier把实验结果整理得出的计算公式： 公式的第一项就是不旋流的火焰长度的计算公式，从上式可知，旋流火焰长度将减少，其减少的数值与旋流数成正比。 上述各式基本上反映了影响火焰长度的主要因素，但并未反映烧嘴结构型式的影响。实际上，烧嘴结构