当前课程知识点:燃烧理论 > 第九章 层流非预混火焰 > 9.3 射流火焰的物理描述 > 射流火焰的物理描述
好
我们现在的任务
已经对没有燃烧的燃料
喷射到空气当中的
它的射流扩散
速度的分布
边界层的情况
有一个基本的了解了
而且我们也学会算 对吧
学会算
好 我们现在的任务是什么呢
我们把它点着
我们把它点着了以后
它整个特性会什么样
发生什么样的变化
这是应该是一个很有趣的现象
那么对于这样的一个过程的研究
最早应该是
就是1928年
我刚才说到的
是Burke & Schumann
他们做的一个研究工作
Burke & Schumann的一个工作
而他们这个工作
跟刚才我们所说的那个
一股射流 一股燃料
喷射到无限大的空间里边
稍稍有点不同
它是喷射到
一个大的管子里边去
氧化剂可能是有限的
那有限的情况
就可能会有点不太一样
不太一样 它是受限的
但是管子可以很大
如果氧气足够量的话
它跟我们刚才的分析就差不多
而这样的有趣的话
是很有意思的
那么右边这个就是
UC Berkeley的一个实验装置
它首先一看就做过实验
从中间还有碳烟存在呢
那么会怎么样呢
如果你的空气量足够
那么你会形成什么样的火焰
这是一个很有趣的几张图
这四张图我们看到了是
是C. K. Law教授
在Combustion Physics里边的四张图
那么前面两张图
实际上显示了什么呢
是不同的贝克利数(Peclet Number, Pe)
和不同的通风情况
贝克利数大概都是在50左右
那么它这个情况的话
贝克利数实际上是什么
等于流动和扩散的相互作用(比值)
那么也就是说这两个是在
低-中等大小波克雷数
也就是两个(对流与扩散)相当的时候
那么你可以看出来
过通风的时候
它就形成一个锥形的
如果欠通风它就变成一个
一个开放性的火焰
那我们再来看第三张图
实际上就是贝克利数特别大
也就是说我主动的流动
对它产生很大的影响
所以它(火焰)变成很细长
而最后一个的话
贝克利数特别小的时候
扩散为主要的(控制因素)
比如像微重力的情况
就是这种情况
那么扩散为主的
就变成了一个球形的
这么一个火焰
这是不同的火焰
但是你去看
它实际上
它的火焰长度
都非常类似可以进行计算的
那我们来看一看
我们怎么来定义火焰表面
那么首先我们来看一看
火焰表面
实际上我们刚才已经讲到
燃料是一边在扩散
氧化剂是往内扩散
燃料和氧化剂
刚好达到化学当量的时候
它就达到了火焰表面
这个就是形成了一个火焰表面
当然
这个只有在过通风的情况下
是这样子
如果通风量不够怎么样
那就可能出问题了
那就达不到
永远达不到化学当量
那这个时候要倒过来
所以它很难有一个
清晰的火焰表面
那我们说火焰表面的话
一定是过通风
如果我们整体的说
α是很大的
或者说我们是空燃比很大的
这么一个概念
才有可能会是有这么一个逻辑
那么这个图就可以看出来
它这个地方
就是φ刚好等于1的
那个包容线
就形成了这个火焰的表面
这个就很容易
所以我们把火焰表面
定义成什么呢
是所有的φ
也就是说化学当量比
是等于1的所有的点
形成的面
我们把它称为火焰表面
这就是我们的定义
当然我们一定要注意
我们只有在这个前提底下
我们知道
燃料在火焰出口
如果我们假设它燃烧非常快的话
就一定是把它全部烧掉了 对吧
那么这个时候
某种意义上
再说它的当量比
就说不太清楚了
那我们在这里说的当量比
实际上是一个广义的当量比
假设它没有燃烧过来的时候
扩散刚好达到的位置
它实际上变成产物了 对吧
燃烧了
但实际上它的里边
产物的结构刚好是化学当量比
所以可以去理解这么一个过程
就可以理解了
那对于富氧的时候
我们就可以这样来定义
火焰的长度
火焰长度是什么呢
刚才说的那个包容线
φ等于1
而且r是等于0
也就是说半径等于0
就轴线上 轴线上X这个位置
这个是什么
我们把它称为Lf
也就是火焰长度
这样我们就把它的火焰长度
就定义出来了
如果你要去
实验怎么做
实际上非常简单
你搞一个金属的丝网
丝网你去看
你如果是放到火焰里边
你就会发现
它有一个环状的结构
这个地方最亮 对吧
你往上抬
抬到它集中到中心点
这个高度
就刚好是火焰高度
所以这个实验
就很容易把它做出来 是吧
它这个环形结构
到上面怎么样
慢慢的集中成一个点
这个地方的高度
就是我们的火焰的长度的定义
另外的话我们知道
在我们正常的
地球的这个条件底下
浮力实际上是非常非常重要的
对不对
浮力的存在
由于燃烧
燃烧的温度就会提高
它就会燃烧
会非常快速的产生这个流动
那么大家想一想
产生这个流动以后会怎么样
这个火焰
会变窄
但是你想变窄了以后
燃料的浓度梯度
内部也会加厚了对不对
加厚了以后怎么样 就加大
加大以后它的扩散怎么样
会增强
非常有趣的
大概的话早期的研究
因为这两个因素太复杂
你要去做就很困难
一个方面的话
刚好有这两个相互抵触
所以我们可以忽略
浮力的影响
这样就能够合理的进行计算
而且计算的结果也还不错
所以我们就可以
把浮力的影响
在计算里边
首先给它忽略掉
非预混火焰里边
我们碰到的另外一个问题
我们前面实际上已经多次讲到
就这个碳烟的形成
这个Soot
在所有的碳氢化合物的燃烧里边
不管是预混燃烧
还是非预混燃烧
(氧气不足)一定会产生碳烟
但是对于非预混火焰来说
碳烟就特别的明显
如果是预混火焰
通常怎么样
它的火焰可以是蓝色的
蓝色实际上基本上
就没有碳烟形成
或者是碳烟非常非常少量
你基本上看不见
但如果是非预混火焰的话
它一般火焰是
成橙色 非常亮
这个亮是什么
实际上真正亮的东西
不是说它真正的
这种碳氢化合物
在燃烧的这个火焰
而是它里边产生碳烟
所产生的
产生的这种辐射
所以它的辐射传热
就会大大加强
是橙颜色
而这个就是碳烟
一般来说碳烟
通常它会初始形成
再是长大
最后的话被氧化掉
如果被氧化掉
它就正常了
你看火焰 你也看出来
虽然很亮
但是不会有烟冒出来
但如果烧的不好
那碳烟就有可能
就可能最后没氧化完
就冒出来
这个就变成了烟
这个就是比较讨厌的
我们叫smoke
这个我们是要避免的
一般来说要避免的
所以关键是什么呢
温度一定合适
时间也足够
那么它通常虽然形成碳烟
在反应区它通常会烧掉
那也就OK 那也就没关系了
那么氧化掉
但如果不合适
那就可能会产生烟
这是我们需要避免的
大家可以看
这是左边这个图
是典型的一个乙烯的火焰
如果一个乙炔火焰
可能还会厉害
但它表面你看焰舌部分
它就产生了碳烟
那么我们后面的话
专门要详细介绍
碳烟的形成和消失的过程
这是一个非常有趣的
现在还正在研究
很多的这个范畴
大家有兴趣的话
我们可以很认真的
在那个时候再进行讨论
非预混火焰的
另外一个特征
就火焰长度和流量
有一个关联
实际上通过上面
我们有两个例题
实际上隐含着已经有这个味道
是层流喷射非预混火焰里边
突出的一个特点
火焰长度
跟初始流量
是一个非常重要的
一个完全成正比的关系
那么对于圆口火焰来说
它跟初始的速度管径
都没有关系
而只跟它的流量有关
当然流量它是初始速度
和管径的一个组合了
也就是说不同的组合
可以完全相同的火焰长度
只要流量是一样
当然如果管径相同的情况
速度变化当然(流量)也变
但这实际上这个本质上
就是隐含着改变了它的流量
那么这个的话
实际上从前面的例子
我们已经知道这么一个过程了
所以我们非常有趣
只要用前面的这样一个式子
我们把Yf
改成Yf,stoic
(再令)r=0
我们就可以很简单的
得到一个Lf的关系式
Lf跟它的流量成正比
跟它的扩散系数成反比
还跟Yf,stoic成反比
这三个实际上
虽然它在数值上(不一定对)
它大概是这样一个关系
实际上这三个的关系式
我们后面用详细的
简化理论进行求解的时候
你会发现
这个基本的关系式
比如跟它的体积流量成正比
跟D成反比
跟Yf,stoic成反比
这个关系实际上还是成立的
当然定量的这个数据
我们要更详细的计算才能获得
所以由此可以看出来的话
非常简单
火焰的长度
是跟这个体积流量成正比
跟它的质量分数成反比
这意味着
燃料如果需要的空气越少
这个火焰怎么样
就会越短
这也可以理解对吧
如果不需要空气
它就很快就烧了
对吧
这个就很容易理解
那么接下来
我们当然会去更详细的
通过近似理论去计算
它的火焰长度
这也是我们后面的重点
-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