当前课程知识点:燃烧理论 > 第八章 层流预混火焰 > 8.4 熄火、可燃性和点火 > 8.4.1 冷壁熄火
同学们在预混火焰中
还有一个比较有意思的现象
就是熄火
也就是我们说的冷壁熄火
当火焰进入一个小通道中
它就会熄灭
如果这个通道不是特别小
这个火焰就会传播过去
如果这个通道它比较小
火焰进到这个通道内
它传不过去就熄灭了
我们就称为临界熄火距离
具体做实验的时候
我们就做一个
本生灯管实验
我们在一直通着燃料气
突然反应物停止供应
观察这个火焰
它是否能够回火
就是不同的管径里
能不能回火
如果管径很小的时候
火能够回去
那这时
就还没有熄火
火回不去的临界值
就是熄火距离
熄火距离实验它也可以用
长宽比比较大的
狭形的槽来做
这个实验反而做的比较准
经验上而言
如果测熄火距离
用咱们刚才的本生灯管圆管
测的值
要比狭缝的值要大一些
大20%到30%
我就问一下同学们
你猜它为什么大
熄火的原因是什么
这一点很重要
Williams他给出来
熄火和点火的原则
所以大师他观察这个现象
总是有独特的地方
他的准则一
指的是点火
就是当把足够的能量
加入到一个和稳态
传播的火焰一样厚的区域
就是加入到火焰厚度这么厚的区域
这个火焰厚度就很有意思
火焰厚度概念
跟火焰厚度差不多这么厚的
就是毫米级的
板状区域内
使气体温度升高到绝热火焰温度
它能够点燃
这是点火
这么多能量它足以点燃
然后熄火相反
就是在这个条形的
板状的区域内
化学反应的放热速率
近似地
能够平衡放热
如果无法平衡放热
就熄火
所以这是熄火的准则
接下来我们就用这两个准则
来对火焰熄灭
做一个简化的理论分析
简化的熄火分析
请看右图这个区域
垂直于纸面
是厚度
可以给一个δ厚度
这个值具体多少无所谓
然后它沿着两侧壁往外散热
这种热是什么 导热
然后里面是什么呢
是化学反应三撇
就是反应放出来的热量
乘以它的体积
如果这两者相等
就是临界值
如果再大 散热大了
火焰没法维持了
就是导热
大于化学反应了
那就熄火对不对
所以我们就算临界值
二者相等的时候
Q三撇它来自于我们前面的
燃料mF三撇的定义
它乘以热值ΔhC
但是要有个负号
注意这是消耗的量
所以Q'''=-mF'''Δhc
这一项知道了
那导热怎么算呢
导热的话
我们还是遵循这两点
我们认为
在壁面上的导热
dT/dx等于什么呢
在壁面的温度是wall Tw
中心是Tb
就这两个的温度差
除以δ/2
那是线性的分布
但其实我告诉你
接近壁面的时候
温度可不是从中心
线性分布降下来
接近壁面的地方要比这个梯度要大
所以对于这个高的梯度
我们就可以去想办法给它
近似一个分布
当然了都得要用傅立叶
导热定律
就是kAdT/dx
在壁面处的
最小的值
就是我们刚才讲的
Tb-Tw/d/2
就是距离的一半
这时是
中心的温度最高
但是因为大部分的时候
是要比这个梯度更高
它引入b b大于2
所以Tb-Tw/d/b
b是大于2的
这个b是多少呢
就可以用实验参数来测量它们
可以通过熄火距离
来确定b的值嘛
所以这个是可以用经验估计
这样的话
我们知道了温度梯度
然后把它代到
前面的式子里面
mF'''乘以Δhc再乘以δ乘以d还有长度L
后面是k(2δL)
就是两边都散热
沿着δ厚度上长度L
两边都散热
然后还有dT/dx在壁面的值
壁面的值就等于
Tb-Tw/d/b
然后
我们把方程求解
可以得到d方
等于2kb(Tb-Tw)
mF'''Δhc这个方程式
这个式子很有意思
我们发现熄火距离d
它跟我们前面求的
火焰厚度很相似
我们把火焰厚度的关联式
就是δ的表达式
在右边红框的这个式子
给代进去
我们又得到了什么呢
就是d等于
就是2根号下bα/SL
这里α/SL
就是δ
所以d就等于根号bδ
根号b 大家知道b是大于2的
因为梯度
并不是从二分之一距离
到壁面呈线性变化
它要比线性更快一点
在壁面的导热的梯度比线性高
所以通过d等于根号bδ
我们就知道熄火距离
比火焰厚度要大一些
这和前面
甲烷的实验那张图
就是我们书上那张图
实验结果是一致的
就是熄火距离
总比火焰厚度要高一点
要大一点
这时我们就想
不同的燃料结构
比如说乙炔
甲烷 氢气
它们这熄火距离是一样的吗
举个例子 氢气
氢气火焰速度很快
氢气的火焰厚度就很小
因为根号bδ
所以氢气的火焰厚度很小
氢气的熄火距离也很小
就是乙炔 氢气
这两者熄火距离 大家可以看
在图上是比较低的
而其它的像甲烷 丙烷
越是饱和的烷烃
它的熄火距离越是比较大
所以当我们去阻燃的时候
就是我们
在防止回火的时候
熄火距离的选取
就跟燃料种类有关系
熄火距离对温度和对压力
有没有依赖呢
我这里考同学们一下
压力越高熄火距离
越大还是越小呢
压力越高火焰越薄
熄火距离越小
所以同学们
在课下你们要想一想
假如我们刚才的区域
不是板状的
不是一维的板状的区域
假如说是个球形的区域呢
熄火怎么考虑呢
也可以考虑
也是Q'''V和导热相等
但是变成沿着球的边界导热
大家知道
真正的是越接近板形的区域导热越大
板形散热面积比较大
所以它的熄火距离
相对就比较小
这就是圆锥形的熄火距离
比它大的原因
那球形的呢
球形就会更大
我们推一下看看
还是Q'''V=Qconductive
就是导热散热
我们可以看
演变成mF'''Δhc
乘以4/3πR临界直径的立方
然后在临界直径中的散热
它这里
就直接用Tb-Tu
除以临界的半径
这时
其实还是应该有一个
就是我们说的
参数
应该是有个b b/2类似的
因为它这里直接是用的
半径
不是用的距离 总距离
不是直径
所以这个地方那个b它没选取
就认为是线性的
这一点会有点小问题
没关系
我们可以继续按照这样求出来
把这两个式子
都代进去之后
临界半径的平方等于
3k(Tb-Tu)除以
mF'''Δhc
这里我们就得到什么呢
就是它的临界半径
等于根号6α除以SL
所以它等于个二分之根号六δ
我们之前的式子是根号b
就是根号bδ
这样的话
我们就可以比一下
对一维的和三维的火焰
是因为有根号6
这个地方当然
我们也可以在里面
选一个b的系数
根据这些就可以知道
就是板形散热发热最快
所以它测的熄火距离就是最小的
而球形的和圆锥形的会比较大
这是熄火
这一节的问题
希望大家能够去思考
不同的形状火焰的熄火
和熄火距离值为什么大
因为导热是一个沿着面上
往外散热
而反应取决于
体积的大小 它没有变
只是散热面积变
根据
同样的体积
它的比表面积不一样
所以造成了这种差距
这是不同形状的火焰
熄火的
根本的物理的原因 谢谢大家
-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