8.3.2 火焰速度测量在线视频

前面我们从理论上

分析了火焰速度

但真正实际中

确定火焰速度

还是需要一些实验的方法

这些实验方法包括咱们前面讲的

本生灯

弄一个管 本生灯法

还有一个圆柱管法

还有平面火焰法

定容球法

和现在普遍流行用的

球形扩展火焰法

火焰速度的测量啊

在这么多方法里面

在我们这节课里

我们主要是关注本生灯的

测量方法

和球形扩展火焰的方法

而这两种如果大家学会了

你以后对火焰速度的

理解

就能印象更深刻

以后对火焰速度的理解

就用这两个例子

可以对其他的所有的例子

都拓展到那里

所以这种学习方法是很重要的

这就是我们前面讲的本生灯

再给大家温习一下

火焰还是挺漂亮的

这是平焰法

无数个小的毛细管的本生灯管

冲出来形成一个平面火焰

然后呢对冲火焰法

我们这里就不讲这一种

这一个

在高等燃烧里面可以去讲

另外一个

我们反而选择了一个

球形扩展火焰来加深理解

本生灯法呢

我们再温习一下

就是本生灯法

是根据

在这个近似三角形

但实际上并不是一个直线的

是有曲率的

线里面

在任何一点上

根据来流速度

和角度

来算出来火焰传播速度

而且这个面是驻定的时候

比较好算

这个面一移动呢

火焰面一移动

火焰传播速度

就要把移动的速度减掉

这个方法的缺点是什么呢

我们都知道火焰速度

和什么有关呢

我们经常测量

火焰速度是和化学反应生成率

m三撇有关

m三撇是和温度有关

温度火焰速度影响很大

但是这一个本生灯管

它边上的温度肯定低

中间温度高

因为它有热量损失

往外散热

所以它的SL不恒定

不是恒定的

这时

避免散热影响测量

就带来了很多困难

而且气源的稳定性

也会有一些影响

就比如说气源

万一一波动

流动中的测量很难

这两点是本生灯法的限制

我们再讲一个圆柱管法

这就是圆柱管法

它在一端通气

一端是封闭的

然后把它点燃

看它这里面

就突然有面状的火焰

在里面移动

我们在五字班

原来05级的两个同学

做了这个实验

这个实验

我给大家看一下录像

这个方法也是一样

就是它的壁面散热

因为它壁面散热

比本生灯法还严重

难以消除

另外一点呢 它还有浮力

就是因为里面的热

造成了浮力的影响

就是咱们以前在第七章

方程学的浮力的影响

所以这一点

也是这个方法的限制

你可以看

通过刚才的录像可以看

它火焰面都不是平的

是周形的

所以是曲形的

所以这里面测量也有难度

平面火焰法呢

在过去用的比较多

这就是我们所熟知的

一个标准的burner

叫Mckenna burner

当然了如果同学们有兴趣

可以了解一下平焰的

Mckenna burner

咱们实验室在国际上

比较擅长做Hecken burner

这两个都是两种不同的平焰

以后同学们想知道

这两个火焰的区别

你们课下可以去了解一下

咱们回到Mckenna burner

这个burner

这个燃烧器的特点

咱们回到Mckenna的

燃烧器

它的特点是什么呢

就是有无数个毛细管

冲出来形成火焰锋面

怎么做的呢

就是一个多孔的金属烧结盘

有无数个小孔

预混的火焰都从里面冲出来

然后它很容易烧坏

所以你看它有很多水管

设计的时候

可以布置一下冷却

根据不同的冷却

可以测不同的速度

这种平焰燃烧器啊

它比较适合于

燃烧速度 火焰速度

小于15厘米每秒

就是比较慢的

像测个乙炔焰

测个再高的它不太合适

所以拓展到高的

火焰速度的测量上有难度

所以它一般是低温的还行

高温有难度

我们可以看这个火焰

我们做了一个CFD的图

火焰整个温度的分布区

还是相当平的

有它的一些优点

根据我们冷却的Q

就是水量不一样

根据冷却速率不一样

可以得到不同的火焰速度

最后认为没有冷却的

可以用一条直线归一到那里

当然这个归一里面有误差

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紧接着大家又想了一个方法

因为前面的几种火焰

基本上都是

常压的一些火焰

随着咱们大部分燃烧

特别是发动机的燃烧

都是在高压里面

所以又发展了一些定容球的方法

什么意思呢

这就和咱们第六章学的

定容定质量

反应器有点像

在一个容器里面

充满了预混好的气体

然后它从中间点着

火焰从中间点着了之后

燃烧区

逐渐扩大扩大扩大

波及到这个区域

但是呢

随着它点燃的过程

容器的压力是在变化的

压力一变化

开始因为比较小

它就有点滞后

因为整个的系统的压力

背压也在变化

所以这里它就使火焰锋面后部

并不是一个平衡态

测量中会产生一些误差

实验发现

它测量的火焰速度

经常比真实的值要小

这时就要想

咱们同学们就要想一点了

就说咱们国内

大部分在做燃烧的时候

都喜欢

看国外有这个仪器

我们做一个测量

但是这样我觉得不好

特别是咱们的学生

你得想真的有这个困难

这个困难是怎么解决的呢

就是既然它的压力

背压是在不停的变化

能不能设计一个压力变化为零

就是几乎没有压力变化的系统呢

这里我就举一个例子

球形膨胀火焰

就是在这种方法基础上发展起来的

在做这个方法的人中

有一个我的很好的朋友

是Stephen Tse

他解决

这个问题的时候呢 就很巧妙

他设计了双室

里面的这个室和刚才的那个室

很相似

但是呢它

在没有混和之前

它外面都是一些

惰性的气体 背压用氮气

里面放上了预混的气体

燃料和氧化剂

当它开始点燃的时候呢

它就把这个笼子突然一转

就和外面连通了

原来是封闭式的

所以就是电火花

在那一点上一产生

我们可以看到两根针之间的

电火花 正负极

一撞 一点成火花

一点的时候

外面的开关

感受到这个压力就可以打开了

然后整个的环境的背压

因为里面那个反应很小

外面的背压的空间很大

这样的话

不是在整个里面都是预混气体

那也太危险了

所以他就解决了这个问题

这个问题一解决

这是目前能够测高压的

火焰速度最好的实验台之一

那它的原理是什么呢

我们再回到原理

我们可以看

它的原理

是

火焰速度和一个外展的燃烧区

通过这张图我们可以看出来

就是一点的火焰

逐渐往外膨胀

这个火焰面的速度

怎么能够算出来

就是dr除以dt

怎么能折合到火焰速度呢

现在我可以告诉你结果

根据左图

SL就等于

燃后的组分密度

就是ρ2除以ρ1 未燃的组分密度

就是这个值

乘以dr/dt

它比dr/dt要小

基本上燃后的密度是燃前的

大概0.2倍吧

因为温度比较高了嘛

怎么推出来的这个关系式呢

来流速度乘以n

表示法向的

加上火焰面的移动速度

就等于火焰速度

这个来流速度呢

咱们原来的来流速度是从

未燃到燃后方向

但现在这个来流有点奇怪

因为里面逐渐在燃烧

就是里面的气体

是在燃烧之后

变成了比较轻的一些

燃烧后的

密度比较低的气体

就是说沿着这个圆圈

逐渐往外排气

往外排气

气体是往外流的

气体是流向了未燃的气体

我们知道球形扩散火焰

它很有意思

它的排气的流动速度

是指向未燃的气体

这和本生灯不一样

本生灯是

流速流向燃后的气体

它是流向未燃的气体

首先要理解

但为什么这里就是负的

负的u

怎么得到这个负的u的值呢

这就很有意思

请看左图

红色部分是燃后的

外面区域白色是未燃的

然后红色区域里面

体积是三分之四

πr的立方

然后外面的体积

是R的立方 减去r的立方

对于这个块区域分析

这两个区域的

ρ1和ρ2是不一样的

就是对它做dt的求导

这个求导就是沿着这条

红线的这个外边界这个面上

往外流的交换的速度

就是排气的速度

所以对它微分

我们进一步可以得到

ρ2减去ρ1 r的平方

dr/dt等于

向外排气的速度

这个排气的速度就等于什么呢

1减去ρ2/ρ1 dr/dt

我们都知道火焰面

向外移动的速度是dr/dt

dr/dt是正号还是负号呢

还是跟本生灯火焰一样

本生灯火焰

如果它是指向燃后的气体

那它就是负号

但这里它恰恰是指向未燃的气体

所以在这里面它就变成了正号

就是负u加上

火焰面的移动速度dr/dt

然后就等于

最后的火焰速度

这就是火焰速度的定义式

等于来流速度

和火焰面移动速度的和

这个和是带有矢量方向的

当你知道了

球形火焰的传播速度

还知道本生灯火焰的速度之后

几乎所有的火焰的传播速度

都可以用这两个来

拓展到那里

去理解这个问题

这是理解火焰速度的一个关键