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8.3.2 火焰速度测量在线视频

8.3.2 火焰速度测量

下一节:8.4.1 冷壁熄火

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8.3.2 火焰速度测量课程教案、知识点、字幕

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

173
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

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

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

8.3.2 火焰速度测量笔记与讨论

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