当前课程知识点:燃烧理论 > 第八章 层流预混火焰 > 8.2 层流火焰分析 > 8.2.1 简化分析
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
-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
-1.3 燃烧科学发展简史
-1.4 燃烧科学的研究方法
-1.5 课程的结构
-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
--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
--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
-3.1 传质概述
-3.2 传质理论基础
-3.3 传质应用实例
-3.4 小结
-第三章 传质引论--第三章作业
-4.1 概述
--概述
-4.2 总包反应与基元反应
-4.3 基元反应速率
--其他基元反应
-4.4 多步反应机理的反应速率
--净生成率
--稳态近似
--单分子反应机理
--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)
-4.7 小结
--小结
-第四章 化学动力学--第四章作业
-5.1 概述
--概述
-5.2 H2-O2系统
--H2-O2系统
-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
-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
-6.1 概述
--6.1 概述
-6.2 定压-定质量反应器
-6.3 定容-定质量反应器
-6.4 全混流反应器
-6.5 柱塞流反应器
-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
-7.1 概述和总质量守恒
-7.2 组分质量守恒
-7.3 多组分扩散(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
-7.6 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
-8.1 概述及物理描述
-8.2 层流火焰分析
-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素
-8.4 熄火、可燃性和点火
-8.5 火焰稳定及小结
-第八章 层流预混火焰--第八章作业
-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
-9.4 简化理论描述
--概述
--守恒标量
--状态关系式
-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度
--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
-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
--温度分布
--液滴表面能量守恒
--火焰面处能量守恒
--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
--总守恒方程
--例题
-10.5 小结
--小结
-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业
-11.1 概述及燃煤锅炉
-11.2 非均相反应
-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型
-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型
-11.5 颗粒燃烧速度
-11.6 煤的热解及燃烧
-第十一章 固体燃烧--第十一章作业
-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
-12.5 湍流预混火焰
--湍流火焰速度
--层流火焰折皱模式
--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