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8.2.2 详细分析

下一节:8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

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8.2.2 详细分析课程教案、知识点、字幕

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




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

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

8.2.2 详细分析笔记与讨论

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