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8.2.1 简化分析

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8.2.1 简化分析课程教案、知识点、字幕

同学们通过上一小节我们知道

通过实验室的一些装置

像本生灯和两个本生灯管

对冲的

这种火焰结构

可以研究火焰

火焰的物理定义

是亚音速下


火焰面可维持传播的

一个局部的燃烧区域

区域到底多小呢

我们用图来表示

这是

垂直于火焰面

从未燃到燃烧的X

即距离

然后


纵坐标就是各种参数

温度 组分

我们可以看到反应物

越来越少

温度越来越高的

一个曲线过程

在这个过程里面

我们可以看到

首先它有一个

预热的区域

这个区域的英文

有时也可以叫Transport Zone

即输运的区域

然后我们可以看到

是一个快速反应的区域

在常压下是要远小于一毫米

正因为是这么窄的一个区域

质量组分

的梯度dY/dx

和温度梯度dT/dx都比较大


这提供了火焰自维持的

驱动力

这是更深入地理解它的物理

当然了后面还有一些

三原子反应

曲线后面的

尾部这个过程

相对来说

我们不把它划在

火焰厚度区

同学们这一点一定要对照课本

特纳斯这么好的

一位燃烧大师在写这本书的时候

把反应区域

划得很宽

这与火焰的基本概念

是有一定出入的

我希望同学按照

这个图来理解

就是反应区很窄

预混区要比快速反应的

区域要大

这是火焰描述中

一个需要记住的要点

火焰既然是一个

可自维持传播的

局部区域

也就是我们的火焰面

大家可以看到本生灯管的

火焰面

可以自维持

只要一点着

就会驻定在那里

可以维持很长时间

但是怎么能够用几个

关键的

特征参数来描述它呢

我们想大家比较

关心的

第一个就是

在火焰面上的速度

火焰速度

既然认为它是

自维持传播的

那火焰速度是什么

这是一个重要的参数

还有层多厚

火焰厚度

我们先讲火焰速度

火焰速度是这么定义的

以本生灯为例

这个锥形的

我们可以看到最亮的地方

是它的火焰面

就是我们作为观察者

固定在火焰面上

然后

我们观察未燃的

来流混合物

发现来流混合物

是有一定的速度

朝固定在火焰面的

观察者流过来

这个速度和

垂直于火焰面来流的

法向速度数值是相等的

方向是相反的

我们就把这个速度

称为火焰速度

所以这时

因为是未燃的



密度乘以火焰速度

数值上等于

未燃的

密度乘以它的

未燃来流的法向的速度

这个速度是垂直于火焰面的

还可以写成

燃后的密度

乘以燃后的速度

我们都知道

法向的未燃物

来流的速度

但是如果是燃后的

就是

要用燃后密度

除以未燃密度比值

这时我们

问同学们一个问题

火焰速度和垂直于火焰面的

燃后速度哪个大呢

因为燃后

温度升高密度变低

密度变低了

所以燃后的速度要大

火焰速度

其实就是

火焰传播速度

相对来说它比较小

希望同学记住

然后我们用一个本生灯的结构

可以看到

当我们做本生灯实验的时候

经常可以观察到

火焰

既有外焰也有内焰

这是因为

预混的时候氧量给的不够

预混火焰指的是

内层的火焰

我们称之为预混火焰

最外层虚的火焰

它不是蓝色的

且在外层

这是扩散火焰

就和蜡烛的扩散火焰是相似的

我们这一章讲的是预混火焰

而预混火焰


是整个燃烧中最基础的(火焰类型)

它是燃烧稳定

和燃烧器设计的

很关键的东西

这个物理概念的提出

我们前面讲的

几位大师是很重要的

然后用本生灯

我们怎么来细致的分析呢

我们选内层

预混火焰的锥角

在一个锥角上

我们知道来流速度

都是直直的从管子里冲出来的

它跟火焰面有个角度

垂直于火焰面

的一个分量



法向的分量和

火焰速度数值相等

因为火焰速度

也就是火焰传播速度

是指向未燃的来流的

就是来流朝着我来

我指向你

所以它们方向相反

这时




α就是它们的夹角

所以sinα就是

这一个角度

这是把它定义成

来流速度乘以

一个法向的分量

其它的火焰速度

除了本生灯

还有一维平面火焰


一维平面火焰测火焰速度

就不要(乘以角度)

因为火焰基本上是平的


可以看成是

无数个小管的火焰

连在一起了

这时就可以

不用乘角度了

因为来流速度

和火焰面是垂直的

这时

火焰速度为

直接的来流速度

来流速度就是法向速度

这是

因为α

在这时

Sinα

等于一

即α等于90度


所以我们可以看到

一维平面火焰

也可以用来研究

火焰速度的例子

一维平面火焰

有一个特点

它不像本生灯管

本生灯管的火焰

离管喷口距离还挺比较高

但一维平面火焰离太近

容易把火焰的

喷口壁面烧坏

所以有时使用绝热的

但大部分做实验的时候

还要加水冷

即非绝热的来研究

下面我们用一个火焰

速度的例题来揭示一下

怎么理解垂直于

火焰面的法向来流速度

和火焰速度的关联式

我们都知道Sinα

等于火焰速度

除以来流速度

我们可以看具体的角度图

α是来流速度和火焰面的

平行方向的一个夹角

垂直方向的夹角是β

就是90度减α

这是它的值

我们给出一个例题

特别有意思

就是我们认为本生灯

火焰沿着管的出口

速度不是恒定值

是一个什么样的值呢

速度是

0.8m/s

是在最边缘处

中间是大概到1.2m/s

两者之间

是线性的

也就是中间速度高

两边速度低

这对管流是很正常的

这时


怎么能够求出火焰面

从几何上

很有意思的

我们就要

确定火焰的形状

假设火焰速度

已知

火焰速度

是0.4m/s

然后我们就可以

通过图来计算

因为α等于

Sin负1的

火焰速度除以来流速度

来流速度

等于800mm/s

也就是0.8m/s

加上1200减去800

因为管的半径是20

所以除以20

然后乘以X

这是

就是速度的变化值




火焰的传播速度

是一个什么量

我们后面会建模型来求它

它不是来流速度

它的物理意义绝不是来流速度

它肯定是表征了

化学反应和

能量传递的一个折合量

但是

可以通过它的物理定义知道

它和法向来流速度的值

是相等的

这是火焰传播学的一个观点

这样的话

α这条曲线


即整个α的值就可以求出

角度从30度

一直往下掉


但是z和x

z是高度

x是径向距离

这两个量怎么求

dz/dx是什么

我们来看这个矢量图

因为

我们要把dz/dx在

火焰面的关联式建出来

dz/dx就是tanβ

即2π减去α

我们都知道α等于

arcsin

SL除以Vu

即火焰速度

除以未燃的速度

然后我们把这个带进去

未燃的速度


刚才得到的

A加Bx

就是800加上

1200减去800除以20

然后乘以x

除以SL

然后我们把sinα

和tan

2π减α

做一个几何参数的变换

然后我们就可以得到

dz/dx的函数表达式

dz/dx的函数表达式知道了之后

我们积分

0到x dz/dx

然后把刚才的结果都带进去

积分之后

我们得到了这样的关联式

高度z(x)和x的

关联式

所以大家可以看到

看着像一个直线的三角

但它不是线性的

它的函数

是比较复杂的


是有二次方

也有里面的x项

还有其它的一些ln项

挺复杂的

它挺接近直线的

但其实它不是直线

就是z跟x的关联式

另外一个比较有意思的

我们研究本生灯火焰

本生灯火焰是

一个管子里面预混好

比如说甲烷和空气燃烧

火焰是

锥状的

但是刚才我们求出来了

这并不是一个三角形

因为

这其实不是直线

它有曲度的

当火焰的

燃料

再多一点的时候

我们发现它不再是蓝色的

这时我们就想

研究火焰学很有意思

这启示同学们

它跟光谱学有一定的关系

蓝色的发光

这和我们第四 第五章学的(有一定关系)

大家知道是由于碳氢基


CH-自由基的辐射



而蓝绿色的光

有绿色的时候

我们就会发现

它是因为C2-自由基的

辐射

如果我们燃料继续加大

即Fuel rich

当量比大于1

这时我问一下

同学们还记得

当量比的概念吗

当量比小于1 贫燃

大于1 富燃

当量比大于1的时候 燃料多

这时

它的黄色

主要是来自于

碳烟(Soot)的

黑体辐射

其实雾霾

很多汽车的柴油机

还有汽油机

产生的碳烟就是指的这个东西

这也是造成雾霾的

一个重原因

这时

为了加深同学们

对火焰速度的理解

我们都知道火焰速度

首先它不是未燃物的来流速度

它在数值上等于未燃物

来流的法向速度

这个等于


存在一个前提条件

同学们不要忘了

即要求 火焰面是驻定的

不移动的

如果火焰面是移动的

还存在一个火焰面移动速度

所以火焰速度也绝不是

火焰面的移动速度

像本生灯

火焰驻定的时候

它数值上等于法向的

未燃物来流速度

它是火焰的传播速度

所以一旦有火焰面移动的时候

例如

火焰面向右移动

这时我提示一下同学们

怎么写火焰速度

和来流法向速度的关联式呢


如果火焰面是沿着

来流方向移动

就要减去

火焰面移动速度

就是这个关联式

法向的未燃物速度

减火焰面移动速度

等于火焰速度

如果火焰面


是向未燃方向流的

即倒流过去的话

那就应该是一个加号

希望同学们能

深入理解

什么是火焰速度

什么是火焰面移动速度

什么是未燃物的来流速度

这节课我们讲到这儿

燃烧理论课程列表:

第一章 导论

-1.1 我们为什么要学习燃烧理论

--1-1:我们为什么要学习燃烧理论

-1.2 什么是燃烧:定义与现象

--1.2 什么是燃烧:定义与现象

-1.3 燃烧科学发展简史

--1.3 燃烧科学发展简史

-1.4 燃烧科学的研究方法

--1.4 燃烧科学的研究方法

-1.5 课程的结构

--1.5 课程的结构

第二章 燃烧与热化学

-2.1 概述

--概述

-2.2 状态参数复习

--状态参数复习

-2.3 热力学第一定律

--热力学第一定律

-2.4 反应物和生成物的混合物

--反应物与生成物的组成

--绝对(或标准)焓和生成焓

--燃烧焓与热值

--例题

-2.5 绝热燃烧温度

--定压绝热燃烧温度

--定容绝热燃烧温度

-2.6 化学平衡

--第二定律的讨论

--吉布斯函数

--复杂系统(选修)

-2.7 燃烧的平衡产物

--全平衡(选修)

--水煤气反应的平衡

--压力影响

-2.8 应用

--回热式和蓄热式交换器

--例题

--烟气再循环

-2.9 小结

--小结

-第二章 燃烧与热化学--第二章作业

第三章 传质引论

-3.1 传质概述

--3.1.1传质概述

-3.2 传质理论基础

--3.2.1菲克扩散定律

--3.2.2扩散的分子基础-分子动力学

--3.2.3扩散系数的微观推导(选修)

--3.2.4组分守恒方程推导

-3.3 传质应用实例

--3.3.1应用实例一:液面蒸发

--3.3.2蒸汽界面边界条件

--3.3.3液滴蒸发

-3.4 小结

--3.4.1液滴质量守恒+小结

-第三章 传质引论--第三章作业

第四章 化学动力学

-4.1 概述

--概述

-4.2 总包反应与基元反应

--总包反应与基元反应

-4.3 基元反应速率

--双分子反应和碰撞理论

--其他基元反应

-4.4 多步反应机理的反应速率

--净生成率

--反应速率常数与平衡常数关系

--稳态近似

--单分子反应机理

--链式反应和链式分支反应(一)

--链式反应和链式分支反应(二)

--化学时间尺度(一)

--化学时间尺度(二)

--部分平衡

-4.5 简化机理(选修)

--简化机理(选修)

-4.6 催化和非均相反应(选修)

--催化和非均相反应(选修)

-4.7 小结

--小结

-第四章 化学动力学--第四章作业

第五章 一些重要的化学机理

-5.1 概述

--概述

-5.2 H2-O2系统

--H2-O2系统

--H2-O2系统爆炸特性

-5.3 一氧化碳的氧化

--一氧化碳的氧化

-5.4 高链烷烃的氧化

--三步机理

--八步机理

--总包反应和准总包机理

-5.5 甲烷燃烧

--复杂机理和起源

--甲烷燃烧动力学

--高温反应途径分析

--低温反应途径分析

-5.6 氮氧化物

--氮氧化物的形成(一)

--氮氧化物的形成(二)

--氮氧化物的危害

-5.7 小结

--小结

-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业

第六章 反应系统化学与热分析的耦合

-6.1 概述

--6.1 概述

-6.2 定压-定质量反应器

--6.2 定压-定质量反应器

-6.3 定容-定质量反应器

--6.3 定容-定质量反应器

-6.4 全混流反应器

--6.4 全混流反应器

-6.5 柱塞流反应器

--6.5 柱塞流反应器

-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

--6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业

第七章 反应流的简化守恒方程

-7.1 概述和总质量守恒

--7.1 概述和总质量守恒

-7.2 组分质量守恒

--7.2 组分质量守恒

-7.3 多组分扩散(选修)

--7.3 多组分扩散(选修)

-7.4 动量守恒方程(选修)

--7.4 动量守恒方程(选修)

-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式

--7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式

-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义

--7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义

-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业

第八章 层流预混火焰

-8.1 概述及物理描述

--8.1 定义及重要特征与实验室典型火焰

-8.2 层流火焰分析

--8.2.1 简化分析

--8.2.1 简化分析(续)

--8.2.2 详细分析

-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素

--8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

--8.3.2 火焰速度测量

-8.4 熄火、可燃性和点火

--8.4.1 冷壁熄火

--8.4.2 可燃极限和点火

-8.5 火焰稳定及小结

--8.5 火焰稳定及小结

-第八章 层流预混火焰--第八章作业

第九章 层流非预混火焰

-9.1 概述

--概述

-9.2 无反应的恒定密度层流射流

--物理描述

--求解

--两个例子

-9.3 射流火焰的物理描述

--射流火焰的物理描述

-9.4 简化理论描述

--概述

--守恒标量

--状态关系式

--各种不同的解法(一)(选修)

--9.4.5 各种不同的解法(二)(选修)

-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度

--圆口和槽型口燃烧器火焰长度

--火焰长度的影响因素

--两个例子

-9.6 碳烟的形成和分解

--碳烟的形成和分解

-9.7 对冲火焰(选修)

--对冲火焰(选修)

-9.8 小结

--小结

-第九章 层流非预混火焰--第九章作业

第十章 液滴的蒸发与燃烧

-10.1 概述

--概述

-10.2 液滴蒸发的简单模型

--基本假设

--气相分析

--气液界面能量平衡

--液滴寿命

-10.3 液滴燃烧的简化模型

--假设

--质量守恒和组分守恒

--温度分布

--液滴表面能量守恒

--火焰面处能量守恒

--液气平衡 总结和求解

--燃烧速率常数和液滴寿命

--例题

--扩展到对流条件

-10.4 一维蒸发控制燃烧

--物理模型和假设

--液滴数目和液滴相守恒

--总守恒方程

--气相成分和气相能量守恒

--液滴动量守恒 模型总结

--例题

-10.5 小结

--小结

-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业

第十一章 固体燃烧

-11.1 概述及燃煤锅炉

--11.1.1 概述

--11.1.2 燃煤锅炉

-11.2 非均相反应

--11.2.1 非均相反应及表面化学反应

--11.2.2 碳反应的半总包机理反应

-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型

--11.3.1 模型建立

--11.3.2 质量与组分守恒与表面化学动力学

--11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

--11.3.4 能量守恒

-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型

--11.4.1 模型建立

--11.4.2 组分守恒、封闭性和表面化学反应

-11.5 颗粒燃烧速度

--11.5 颗粒燃烧速度

-11.6 煤的热解及燃烧

--11.6 煤的热解及燃烧

-第十一章 固体燃烧--第十一章作业

第十二章 湍流燃烧入门(选修)

-12.1 概述

--概述

-12.2 湍流现象与描述

--湍流的现象与描述

-12.3 湍流尺度

--湍流尺度

-12.4 湍流模型

--湍流模型方法(1)

--湍流模型方法(2)

-12.5 湍流预混火焰

--湍流火焰速度

--湍流火焰结构与模式

--12.5.3 例题

--层流火焰折皱模式

--分布式反应区模式和漩涡小火焰模式

--火焰稳定

-12.6 湍流非预混火焰

--射流火焰

--火焰长度

-12.7 湍流燃烧小结

--湍流燃烧小结

课程总结

-课程总结

--课程总结

8.2.1 简化分析笔记与讨论

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