8.2.2 详细分析在线视频

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