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8.5 火焰稳定及小结

下一节:概述

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8.5 火焰稳定及小结课程教案、知识点、字幕

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

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

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

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

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

8.5 火焰稳定及小结笔记与讨论

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