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1、第十二章 火焰的结构及其稳定,预混燃烧火焰,均相火焰的结构,扩散火焰,层流火焰,紊流火焰,层流火焰,紊流火焰,讨论火焰的结构特点、形状（长度或高度）、稳定性,第十二章 火焰的结构及其稳定,火焰的定义：由燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域。火焰的分类：1.按燃料种类分：煤气火焰燃烧气体燃料的火焰；油雾火焰燃烧液体燃料的火焰；粉煤火焰燃烧粉煤的火焰。2.按燃料和氧化剂（空气）的预混程度分：动力燃烧火焰煤气与空气在进入燃烧室之前均匀混合；扩散燃烧火焰煤气与空气边混合边燃烧，如油和煤的燃烧；中间燃烧火焰介于上述两者之间。3.按气体流动性质分：层流火焰；紊流火焰4.按火焰中的相成分分：均相火焰；非均相
2、火焰5.按火焰的几何现状分：直流锥形火焰；旋流火焰或大张角火焰；平火焰张角接近180,第一节 预混火焰,一、层流火焰,解决的问题有：层流火焰的结构及特点、燃烧前沿（内锥）的形状描述、燃烧前沿正常传播速度（数学表达式）、火焰稳定的基本原理。-科学研究的方法（途径）：定性描述-物理模型数学模型求解。,本章只讨论均相火焰气体燃料与空气,气体燃料在流出孔口之前与部分空气（一次空气）预先混合，这种预混火焰温度较高，长度较短（扩散燃烧无法达到），在工业燃烧装置中广泛采用。当一次空气量较少，以致空气消耗系数小于1时，预混气流射流中的一部分燃料首先在管口处与空气燃烧，形成火焰内锥。由于一次空气量不足，剩余的未
3、燃燃料仍依靠扩散过程与周围空气（二次空气）混合和燃烧，形成火焰外锥。若一次空气量充足，以致空气消耗系数接近1时，燃料通过火焰内锥时即被燃尽，因而火焰外锥消失。（书上的实验例子,n=1，图12-2）火焰形状的解析：火焰前锋呈曲面锥形，顶面为圆形，锥底向外缘稍有凸出。出现这样的火焰前锋外形是因为：锥顶处预混可燃气传导的热量比其他部分大，因此锥顶处的火焰传播速度更快（活化中心、温度），并且在顶端，燃烧正常传播速度与气流速度达到直接平衡，因此，锥顶就成为圆形。当压力十分低时，火焰前锋较厚，锥顶的圆顶变得特别明显；管口壁面的冷却作用，靠近管壁处存在猝熄距离；（3）管内的压力稍大于环境压力，火焰根部向外凸
4、扩，造成了火焰的凸出部分；（4）锥底一小水平段。边界面的气流速度很小，燃烧前沿的传播速度由于受到周围的冷却作用也很小。因而在边界处，燃烧正常传播速度与气流速度达到直接平衡。点火圈（见下图）。,点火圈重要的水平段。只有存在点火圈，火焰才能连在喷口上稳定燃烧。气流在切线方向的分速度本来要使前沿面上任一质点沿切线方向移动（向上）移动，如果在锥底不连续点火的话，火焰的切线方向就无法稳定而将熄灭。这个点火圈起到了连续点火的作用。,沿火焰中心测定完全燃烧情况的一个实验例子。n=1,测定结果表明，在距燃烧前沿0.5mm的地方，CO2已达到28%（最大值是34.7%）说明大部分燃料已烧掉。但剩余的燃料却要经过
5、一段距离才完全燃烧。,燃烧前沿的形状描述：,上图，在燃烧前沿面的某一点，气流的法向速度与燃烧正常（法线）传播速度相平衡,设锥体的高度为Z，管口半径为 ro，在锥体表面取一微元，该微元在高度及径向的投影如右图所示,整理上式得：,这就是锥体形状的微分方程式。,由于沿径向方向，气流速度和燃烧速度都是变化的，上式的积分是很困难的，解决的方法就是假设锥体为正锥体，锥体底面的半径与管口半径相等，燃烧速度是常数，气流速度取沿断面的平均值,（12-4）,椎体高度公式：,在实验中，只需标定火焰高度Z，计量出可燃混合物的流量，已知管口半径，则燃烧前沿正常传播速度为,上式 可以通过流量测定的方法计算出来，则,（12
6、-5）,由锥体高度公式（书中式124）可知，火焰长度（高度）随气流速度的增加而增加，随传播速度的增加而减小。也即当烧嘴尺寸和可燃混合物成分定时，增加流量，将使火焰长度增加。若烧嘴流量相同，燃烧传播速度越大则燃烧的火焰长度越短。实质上，火焰的长短代表着锥体燃烧前沿面的大小。流量增加时，需要更大的前沿面才能使之燃烧，故长度自然会延长。,如上所述，锥形火焰前沿可以稳定在管口上。但这并不是说，在任何大小的气流速度和传播速度下，锥形火焰都能保持稳定。事实上，预混火焰的稳定是有条件的，而且稳定性的范围比较窄，超过一定范围，会发生回火或脱火(吹火)。,讨论：,火焰稳定的基本原理和方法,火焰稳定的条件：前沿面
7、上流动速度与传播速度相等（方向相反）,在2、3、4时燃烧速度都可与气流速度有一个平衡点使火焰稳定下来。不过，火焰稳定的位置有所不同。,流量最大,回火或脱火的临界条件应该和管口边缘区域中的边界速度梯度相联系。,假定气流速度分布符合管中层流分布，则,讨论：,实验证明的结果，根据边界速度梯度判断回火或脱火的临界条件。,燃料浓度越大，火焰可以稳定的g值范围也越大，即气流速度在很大范围内波动仍可以稳定燃烧。g值越小越容易回火，越大越容易熄火。,二、紊流火焰,当可燃混合物以紊流流动由喷口喷出时，点火后形成的火焰轮廓不象层流那样分明，但也是个近似锥形的有一定外形的火焰。图126表示这种火焰的外形特点。,由于
8、紊流气体质点脉动的结果，紊流燃烧前沿不会象层流前沿那样是一个很薄的平面，而是一层较厚的，其中各种质点(新鲜的可燃混合物、正在燃烧的气体和燃烧产物)互相交错存在的气体。因此，紊流火焰可划分三个区域：,紊流时燃烧完全程度在较长的可见燃烧前沿中缓慢地(不象层流那样急剧地)增加,紊流火焰中燃烧完全程度的分布规律实验数据,紊流火焰的形状描述：,各区域的长度,讨论：1）气流速度增加，火焰长度增加；2）燃烧传播速度的变化，燃烧传播速度增加，火焰长度缩短；3）扩大烧嘴尺寸，假设流速不变，流量增加，火焰长度增加。,紊流火焰的稳定性问题主要是脱火问题，这是因为气流速度已增大到回火临界速度之上，回火不再发生。,第二
9、节 扩散火焰,当煤气和空气分别以层流流动通入燃烧室时，得到层流的扩散火焰。,一、层流火焰,在层流下，混合是以分子扩散的形式进行的。在两个射流相接触的界面上，空气分子向煤气射流扩散，煤气分子也向空气射流扩散。在某一面上，煤气与空气相混合时浓度达到化学当量比(即空气消耗系数n1)。这时点火后，在该面将形成燃烧前沿。燃烧前沿面上生成的燃烧产物同时向两个相反的方向（中央的煤气射流和周围的空气射流）进行扩散。因此，层流火焰中便明显地分为四个区域：纯煤气区、煤气加燃烧产物区、空气加燃烧产物区，纯空气区。,曲线表明，燃料的浓度在中心处最大，然后沿径向逐渐减小，至火焰前沿时减为零。氧的浓度在前沿面处也为零,再
10、向外逐渐增加到周围介质中的氧浓度。也就是说，在火焰前沿面上，煤气与空气的比值为化学当量比，而且化学反应是瞬时完成的，因此，整个火焰结构取决于气体的扩散。,层流火焰浓度分布图,层流扩散火焰的描述（氢气在大气中燃烧为例）：,设火焰在半径为r，高度（长度）为z处的浓度为C，气流速度为w，气体分子扩散系数为D。,扩散方程,假设是稳态，,描述层流扩散火焰的微分方程式。,对于求解层流扩散火焰的微分方程，需要边界条件,对于纯扩散火焰，火焰面上C0,当燃烧器尺寸及介质一定时，E为常数。那么，利用式（12-14）可以预示火焰面的形状。,火焰面方程式：,H.C,Hottel等人根据方程采用半经验处理方法，考虑煤气
11、在大气（静止空气）中的层流火焰，得出如下比较简单的计算层流火焰长度的公式：,A、B常数，与气流速度和喷口直径无关，随燃料种类而变。,V-体积流量,（12-15）,上式及实验表明，当燃料成分一定时，层流扩散火焰的长度主要取决于体积流量。当流量一定，则火焰长度与直径无关（1215式）；若流速一定，则火焰长度随直径的增加（流量增加）而增加；若直径一定，则火焰长度随流速的增加（流量增加）而增加。这是因为扩散火焰的长度主要取决于完成混合过程所需要的时间。煤气量越大，该流量与空气混合所需要的时间越长，在该时间内煤气分子将流经较长的路程，也即火焰越长。,讨论：,二、紊流火焰,增加煤气和空气的流速，可使层流火
12、焰过渡到紊流火焰。,紊流扩散火焰形状特点：1）当气流速度增加时，由层流过渡到过渡区时，起初火焰的顶部发生颤动；2）气流速度不断增加，在某一速度（转化点）之上，火焰由层流转化为紊流；3）与层流不同，紊流火焰长度与气流流动速度关系不明显的原因：a)一方面，流量增加使火焰变长；b)另一方面，混合速度增加使火焰缩短；4）出现紊流流动的雷诺数要大于2000的原因：燃烧反应使火焰温度升高，导致气流密度减少、粘度增加；5）紊流火焰紊乱且破碎，各区域之间不存在明显的分界面。也不存在象层流火焰那样的可燃分子与氧分子浓度同时等于零的前沿面。,火焰的外形轮廓是规整的,紊流扩散火焰的浓度分布（氢空气火焰）1）紊流火焰
13、中心还有氧分子（质点的脉动）；2）紊流燃烧产物最大的地方，反应物浓度并不为零；3）燃烧前沿相对层流，是一个较厚的区域。,层流扩散火焰,紊流扩散火焰,实验例子反应物是CO，燃烧产物是CO2火焰断面情况,通过测定火焰的浓度分布，可以判断火焰中燃烧量分布，温度分布及火焰外形尺寸等火焰结构的特点。,1）CO2浓度最大的地方，O2的浓度不为零；2）中心区域有O2存在；3）靠近边缘，CO2浓度增加，O2的浓度降低燃烧产物回流4）火焰中燃烧产物温度分布于燃烧产物浓度分布具有相似性,3）,紊流扩散火焰的描述：,前苏联学者，在假定火焰长度只取决于混合过程而与化学反应速度无关的前提下，推导了计算火焰长度的近似公式
14、,火焰长度主要取决于煤气的种类和喷口直径,冈瑟也得出了类似的结论,另一前苏联学者实验结果说明图1212中所描述的规律只有在小口径烧嘴时才存在，而当口径较大时，在气流速度增加到相当大时，火焰长度仍随气流速度的增加而增加。实验数据整理出计算公式,上述三个公式都是对于自由煤气射流的计算公式。,如果是双股同心射流，由于空气射流附加的紊流脉动作用，混合过程得到强化，火焰因而缩短。如前苏联一学者用不同比例的高炉焦炉混合煤气，得到的计算公式。,如果是旋流，旋流火焰的长度比不旋流的要短。Maier把实验结果整理得出的计算公式：,公式的第一项就是不旋流的火焰长度的计算公式，从上式可知，旋流火焰长度将减少，其减少
15、的数值与旋流数成正比。,上述各式基本上反映了影响火焰长度的主要因素，但并未反映烧嘴结构型式的影响。实际上，烧嘴结构型式的影响是非常显著的，这将在第四篇中讨论。,扩散火焰的稳定性问题不像预混火焰那么突出，但这并不等于说扩散火焰不存在稳定性的问题。显然，扩散火焰不会回火，但可能脱火。如煤气或空气的流出速度过大、喷口直径过小等都会产生脱火。,稳定火焰的措施（与预混火焰的相似）：使高温燃烧产物回流；采用旋流气流；采用稳焰器等。总之，为了提高扩散火焰的燃烧强度，必须同时保证火焰的稳定性。,三、多相燃烧火焰（自修）,一、油雾燃烧火焰,二、粉煤燃烧火焰,本章重点：火焰的分类(预混程度、气体流动、相成分)；预混火焰中层流（n的情况而定）及紊流火焰的结构及特点（近似锥形，）；火焰稳定的基本原理（回火的临界条件 P132 129式）；由层流扩散火焰转变为紊流扩散火焰的过程及条件；影响层流扩散火焰长度和紊流扩散火焰长度的主要因素。,
