当前课程知识点:燃烧理论 > 第八章 层流预混火焰 > 8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素 > 8.3.2 火焰速度测量
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
-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