当前课程知识点:燃烧理论 > 第八章 层流预混火焰 > 8.5 火焰稳定及小结 > 8.5 火焰稳定及小结
这一讲最后我们就讲一个
火焰的稳定性
这也是预混火焰涉及的一个
最重要的概念
火焰稳定性
如果
一个燃烧器设计不好的话
它就会出现回火
那回火呢
它就会把管子烧坏
因为火焰温度很高
就是火焰进入
燃烧器管内传播
这个时候
由于管径比较大
没有壁面熄火
就是它已经超过了壁面熄火(极限)
跟回火相对的一个
就是推举火焰叫liftoff
回火顾名思义是因为
火焰速度高于来流速度
所以这个火焰传播
就压着来流压进去了
而推举正好相反
它是来流速度要比火焰速度快
把火焰给托起来了
它和燃烧
管壁没有连接在一起
适当的推举火焰
对工程的设计很好
因为什么呢
它和燃烧器不连接
燃烧器闭口很冷
因为只有在火焰区才是高温
所以这样能保护燃烧器
但是如果气流再一大
来流就把火给吹跑了
就吹灭了
这个是我们不想要的
所以回火和吹熄我们都不想要
适当的推举火焰的设计
还是比较有意思的
我们还是以本生灯为例
本生灯火焰我们可以看
左边这个图是一个回火的
底下这个是来流速度
我们知道
我们越往中心这个流速越高
壁面上因为
受壁面的影响流速比较低
但是同样有意思的
就是壁面处的火焰速度
它也不高
因为什么呢
壁面处温度低
火焰速度跟温度有关
它也比较低
火焰速度是什么
M'''结合一个α
就是一个沿着这个扩散的
折合量
就是反应通过扩散的一个折合量
所以这个时候我们可以看
这是我们回火的一个
回到管内的火焰的形状
这个形状
它并不是线性的
它反而到离壁面稍微
有一点距离的时候
是这个回火的位置最狠的
一个位置
这是什么原因呢
回火就取决于火焰速度
和来流速度
就在这一点的火焰速度比较高
而来流速度离壁面上还很近
温度和流速
动量方程和能量方程两个比较
来流速度
与火焰速度的比值最小
就是火焰速度比上来流速度
是最大的一个地方
所以在这儿
我们可以用
火焰速度
就是Sl等于
来流速度的sinα
它俩相等的时候
这个α就是90度
来流和火焰面的
切线是90度
所以是比值
最大的地方
任何火焰面
Sl等于来流速度sinα
都跟这个是有关系的
而右边那个地方
α不是90度
也是这个原因
就是这个时候
底下来流速度
就是Sl降的更多
当然到了左边
就是这个Vf中心值的左边
也是一样
这个时候
火焰速度大
但是来流速度更大
来流速度更大α还是小
这个是万变不离其宗
后面我们再看一个
推举的火焰式
火焰被举起来了
火焰被举起来的形状
其实都可以预测出来
这是因为什么呢
也是因为来流速度和Sl的
比例
我们可以看
它越到后面
越平缓
就是说α值越大
α值越大说明什么呢
就是火焰速度比上
来流速度的比值就越大
就是底下的这个弯
这很有意思
我们在很多考核同学的时候
经常是用这个形状
你认为火焰速度和来流速度
哪个变的更小就是它俩
都同时变小或同时变大
哪个比例大
就是α能体现出来
还是回到这个定义式上
这是我们理解回火和推举的关键
这个回火理论
我们可以用这个方法来做
这个dq熄火距离
它量纲约等于α/Sl
这是火焰厚度的一个量纲
正好这个距离
就是dq/2
这一除
这个作为gf临界斜率
这个临界斜率
跟流体的实际的斜率
就是沿着边界层的
速度来比
是回火理论的根本
下面我们来看
根本这个Kuo先生写的
燃烧原理这本书里面
如果流体的实际的斜率
(du)比ds或dr
就是这个斜率
因为沿着边界层
逐渐增上去
它一直都超不过我们这个临界的
Sl除以一个dq/2
就是那个gf
都超不这个
一直比它低
那怎么办
那这个时候就一定要回火
就是说一直在分布上
火焰速度大于
流体速度
而
如果从开始就一直比gf
就是Sl除以dq/2
要大的话
这个斜率要更大
边界层很快就升上去
这个时候就说明什么呢
说明流速比较快
它就很容易被吹跑
当它们有交点的时候
就是这个
等于临界值的时候
这就是临界的回火和
不回火
它俩相等的时候
就是实际速度的这个du dr
跟这个
我们用回火理论熄火距离
和火焰速度来定义这个量
是相等的话
这个时候
就是说
也不回火也不推举
然后它们有交点的时候
正好是
它的一个比较稳定点
所以就是第四个
正好有个交点
我们通过这个就可以判断
回火和吹熄
所以对一个本生灯
如果速度
来流速度再大再大
就是你可以给它增加速度
然后
就把火焰吹跑了
就说明它沿着这个du dr的斜率
肯定比回火的临界都要高
然后同样的
如果一直没有交线
就是火焰速度
在径向分布上
一直都比来流速度大
只有回火
所以这一点是我们研究的
一个关键
下面请看这个图
底下是人工煤气
上面是
甲烷天然气的
我们可以看
人工煤气这个纵坐标
就是空气
那个过量的量
就是理论的100%和140%更高往上
然后底下是流速
我们可以看
人工煤气在很高的流速下
它都有一定的
回火
它设计中要注意
这是因为什么原因呢
这是因为人工煤气里
含有氢气
所以这一点需要注意
而甲烷火焰速度比较低
所以它设计中
就是一般的流率
回火就可以不用考虑
对这种有回火的
必须要加
阻燃装置
和
加一些熄火装置
防止它回火
这带来了一些危险
所以这一块的设计
也是给gf等于Sl除以一个dq/2
火焰速度除以一个
二分之熄火距离是有关系的
所以前面我们讲的火焰速度也好
熄火距离也好
都是很有意义的
在实际工程实践中燃烧实践中
都很有它的价值
最后还有一个图
这不在我们教学的要求
但是这是(08:50)那本书里面
讲的比较好的一个图
横坐标是燃料氧气
的比值
纵坐标
是流速
我们可以看
随着流速的增高
从回火到吹熄到Blowout
这个的物理意义
在这个区域
blowoff吹熄
他有的人就是那个blowout
吹灭
这什么原因
这是其实给
燃料和氧的比例
处在位置的不同
是不一样的
大家一定要理解
物理上
我给大家一个提示blowoff
还有extinction,还有blowout
extinction就是化学吹灭
blowoff就是流体吹熄
这是在当量比比较小的
区域
就是贫燃的
而在富燃的那个区域里面
也是流体速度比较快
是blowout
当然我们的flame
还是想设计在lifted flame区域
它能够保护我们燃烧器的
喷口
这也是很重要的一点
所以燃烧学它很有意思
这节课也是我们燃烧理论
最重要的一章之一
因为
层流预混火焰
不仅对层流预混
其实对湍流火焰的理解
整个湍流火焰的
任何一个断面取出来
都是层流火焰速度
只是它拉伸率不一样
和这个不一样造成的
而
我们通过不同的火焰设计
也可以测出来
火焰速度
当然和拉伸率的关系
那就是高等燃烧学的东西
我们在这节课不会讲
然后我小结一下
就是我们本章最重要的就是
什么是火焰
火焰是个亚音速下可自维持的
局部的高温区域
这个区域有时候也要反应
这个传播是什么呢
如果火焰没有向这未燃物的
传播的话
火燃面的驻定
就很难解释
我们采用了火焰速度
也就是火焰的传播速度来表征
火焰区的特征
作为最重要的参数
它比火焰厚度其实还相对重要一些
但火焰速度我告诉大家
第一它不是反向来流速度
它只是跟反向来流速度相等
而且这个时候
是火焰驻定的时候相等
火焰不驻定的时候
它要扣掉火焰面的移动速度
所以它也不是火焰面移动速度
像那个球形火焰
火焰往外喷展
直接就把那个速度当做火焰速度
错了
我们课后作业就留了
就是你要推一下
到底哪个是火焰速度
哪个是火焰面移动速度
哪个是流速
就是来流的速度
另外一个呢
火焰厚度它和熄火距离
这些东西都连在一起
为什么呢
它都是能量方程和
导热方程
也就是我们的二阶项
成为扩散项
化学反应项和扩散项的比值
所以熄火距离和这个
最小点火能
是通过最小点火直径
它和这个火焰厚度又连在一起
可燃极限跟它们有点不一样
可燃极限就是我给你最好的状态
给你的所有的最理想的条件
你能够燃料燃烧的上限和下限
就在一个油库里
如果都是油
那么一点点空气是点不着的
就是这个道理
这是属于它的上限
下限呢
其实并不像想的那么低
像甲烷
甲烷当量比只要到了0.5以下
就烧不着
什么概念
就是按照理想的
化学反应当量配到50%都烧不着
所以给大家一个概念
但是像氢气
它就容易着火
是不一样的
它也容易回火
它反应活性比较强
最小点火能力确定
其实对很多燃烧
像一些发动机的设计
也是挺关键的
在这个里面
我们都看见一个大师的身影了
威廉姆斯
他的燃烧理论
写的特别难
如果有的同学有兴趣的话
也可以去读一下
最后谢谢大家
-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