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 > 8.2.2 详细分析
同学们前面我们讲了简化分析
简化分析还是挺难的
包括大胆的假设
特别是Le=1等
这对于
简化分析最终
得到具体的
火焰速度表达式是很关键的
但是我们还可以做一些
完全的分析
首先
我们原来认为
燃料 氧化剂和产物是一步反应
但其实
在火焰面上的反应
有万千变化
是挺复杂的
所以这时
我们必须要做一些
完全的分析
这种分析
比如Chemkin软件 就可以做
我们有些助教
可以教大家使用Chemkin软件
我们这门课里
也有很多讲Chemkin软件
使用的教程
同学们在课下可以学一下
授课中我们不对Chemkin软件
再进行介绍
我们有很多学习的方法
助教也会帮助大家
Chemkin软件
是Robert Kee教授
在Sandia做的程序
所以我觉得我们的学生
要认识到一点
我们现在都觉得学燃烧很难
但其实我们更应该想
一个好的 认真的学生
一个好的大学
它的学生必须很认真的
很静心的编这些东西
把东西做好
比如现在Chemkin
在航天方面 在其他地方
用的很多
但咱们国家软件
到目前为止都用人家的
所以我希望大家能够
好好的去学习这些
我们重新温习一下
其实跟我们第七章很像
连续性方程
组分守恒方程
我们这里是讲了
一个稳态的过程
就是没有时间导数项
我们可以看到
组分守恒方程里
已经有
对流项
能量守恒方程里面
除了导热项
还有
分子扩散速度带来的
扩散通量项
二阶导数里面有两项
一个是导热项
一个是菲克扩散定律
还有化学反应生成项
就是我们第四章 第五章
所讲的
所以要把这些方程合在一起
加上理想气体状态方程式
因为燃烧过程中温度一变化
密度就变化
必须有用理想气体状态方程
还有分子扩散系数的
表达式
与温度相关的一些参数
比如焓 热容
扩散系数
混合物还包括
表征混合物特性的
MWmix
摩尔质量
还有导热系数等
然后我们用
第四章 第五章化学求解ωi
这个时候
需要很多辅助关系式
边界条件
我们知道
在负无穷
即燃烧之前
是Tu
燃烧之后
就变为
Tv
还有 燃烧之前
dT/dx等于零
任何一个产物
在燃烧前
都是预混好的一个组分
比如甲烷和空气混合
甲烷的组分
空气的组分
氮气的组分都知道
另外
任何物质的
质量分数梯度
在燃烧之前都等于零
我们通过采用Chemkin软件
把上面的方程编写
计算方法去求解
我们假设是在一个大气压下
化学当量比为1的甲烷和空气混合
甲烷即天然气
燃烧过后的
火焰结构如图
通过该图
同学们可以看到(各成分的分布)
其中我们比较关注
一氧化碳
和甲烷
我们可以看到
甲烷
消耗最高的
数值
是负的
它消耗的最大值
是反应到了
最快的时候
也就是 消耗最大的时刻
恰恰是一氧化碳
生成最高点
这时我们发现
对于甲烷燃烧
即使在空气过量
即当量比小于1时
此时完全燃烧
沿X的变化
甲烷消耗最高的点
是生成一氧化碳
然后我们看到二氧化碳的生成
相对一氧化碳比较滞后
所以这就给我们一个启示
在详细化学反应机理
包括各种基元反应
验证了我们第四章
第五章学的内容
首先是
经过很多途径
形成一氧化碳
一氧化碳再通过基元反应
生成二氧化碳
所以二氧化碳生成的过程
它存在一个尾部
我们继续用这四个小图
来看这个反应
A图
表征了
甲烷的摩尔分数
甲烷的摩尔分数
变到最小的过程中
对应着
一氧化碳
到达最高点
然后一氧化碳逐渐减少
生成二氧化碳
这是第一个图
给我们的启示
然后第二个图
告诉我们
中间产物
如CH3
CH2O HCO等
它们的过程是比较窄的
和二氧化碳相比
它的峰十分窄
在一个很窄的区域
0.5到1.0mm
甚至
只有0.1到0.2mm的范围
相比于温度升高的
过程
这个峰是很尖锐的
所以这也验证了我们前面所说的
输运区比较大
而真正的反应区
是比较薄的
就是在反应区内发生快速反应
第三个图中
我们可以看到
氢氧基的变化
它和碳氢基的不一样
为什么要讲氢氧基呢
我们研究中用激光
去测量的时候
我们可以测到
它的发光
就是根据光谱学
可以测到羟基
即OH- CH-
但是 它们的特点不一样
OH-基
像温度一样
它没有峰
它是一个缓慢上升的过程
最终保持恒定
和第四个图的CH-基相比
可以看到 CH-基存在一个尖峰
这说明 如果通过
CH-基来确定火焰面
会定的很准
而用OH-基确定火焰面
在过程中
到底是用
何处的值
它的算法会更复杂
CH-基则可以用峰值
去确定火焰面
通过c和d两图的比较
我们可以得出
这方面的规律
最后在d图上
我们还可以得到
NOx的生成规律
NOx的生成
是伴随着CH-的
在CH-的
尖端的时候
NOx的生成速率上升最快
在CH-出现之前
我们发现没有NOx生成
CH-出现之后
NOx生成
这对理解NOx生成机理
是很重要的
而后面的过程
因为之后温度上升
热力型NOx会进一步
生成
所以这
也帮助我们加深了
对NOx的理解
详细化学反应机理
还可以
计算得到
NO的生成速率
我们可以看到
NO真正的反应生成率最大处是在
就是1.0mm的位置
即伴随有CH-生成的区域
后面是一个
相对平缓的生成区域
这就是
热力型NOx生成的区域
NOx的生成机理
包括快速型 热力型和燃料型
燃料型是指
燃料中含有氮
比如天然气中就不含有氮元素
而煤里含有
这里没有
因此不存在燃料型
只有快速型
即快速增长的区域
和长期而缓慢的
温度升高之后
高温下
热力型的NOx
氮气和氧气
在高温下
也可以生成NOx
就是热力型NOx
此处是
与热力型
共同作用的
快速型
这对于理解NOx生成机理
是很重要的
完全分析
还有很多结果
它可以对我们
前面的简化分析
给一个很好的验证
我们前面讲到了
假设反应
发生在后一半区域
就是对流项通量
和
扩散项通量
相当的时候
得到的值
这个值就是贝克利数等于2
在这里可以看到
通过详细过程得到的火焰速度
和火焰厚度 这些值
包括氢气的 甲烷的和丙烷的
根据得到的这几个值
我们就可以
计算贝克利数
贝克利数是最后一列
对氢气的是0.73
我们还是以甲烷为例 它是1.59
它不是2
但它也并不是接近于1
反应区无限小
看来也不是很对
认为贝克利数等于2
也并不是完全正确
它是随着燃料变化的
总体而言 我觉得
对于大部分的碳氢燃料
它是在1.5附近 不是2
也就是说 反应可能是在
后二分之一
或者后四分之一
甚至更后面的区域里面
这节课我们就讲到这儿 谢谢大家
-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