思考题 茶 室温下，密闭、绝热细长管中充满初始静止的甲烷/空气预混气体，点火后准 一维预混火焰在管道中传播，直至所有气体被烧掉。 ■情况1，零时刻(t=0)在左端点火，火焰传播到右端所需要的时间为2t1 ■情况2，零时刻(t=0)在左端点火，t=t时刻在右端点火，火焰燃烧完所有 预混气体所需要的时间为t2 情况1：⑧> 情况2：（停→ 问题： 1.若t。=0,比较t1和t2;试定性画出温度和速度分布的演变情况。 2.试定性画出t2随t。的变化曲线；如何量化？ 3.如果预混气体初始温度很高，受传播火焰的压缩则会发生自着火，如何分 析解答上述问题？ 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn) 3 第6章层流预混火焰 T (K) molar fraction 6.1预混火焰与扩散火焰 2000日 0.2 6.2缓燃波与爆震波 1500 对流 热传导 H, 6.3一维层流预混火焰定性分析 100 CH 0.1 6.4一维层流预混火焰详细理论分析 组分扩散C0, 6.5层流预混火焰速度及其测量方法 6.6影响层流预混火焰速度的因素 09 *盟 6.7层流预混火焰详细结构 6.8火焰拉伸率及其对预混火焰的影响 6.9预混火焰稳定性 6.10预混火焰的着火与熄火 r=pe·Aep(R7 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(cz@pku.edu.cn)4
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复习：火焰结构 ■火焰被看作是 一个分隔未燃而混 y.=0 气体和燃烧产物的界面 不考虑 其左右两侧的扩散和化学反应， ■反应区很薄，厚度近似为零，可 以被看作是一个热源（燃料燃烧释 放热量)和质汇（燃烧消耗燃料）。 ■结构(a)为欧拉方程：非稳态项+对 流项=0，无扩散项和反应项。在火 焰面处T和Y不连续； ■结构(b):非稳态项+对流项=扩散 项，无反应项。在火焰面处T和Y是 上透：熟区中响：反应区 下游：平衡区 连续的，但dT/dx和dY/dx不连续 ■结构(c):非稳态项+对流项=扩散 项+反应项。在火焰面处T、Y、 dT/dx和dY/dx均连续。 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 复习：火焰厚度 化学反应下 m=pm=pSL=PS。 预热区 平衡区 nC. ■在预热区，只考虑对流和扩散，不考虑化学反应项 6M片6R 假设：pD--const,-const,C,-const个 →6u= D wD=Le 6 6 PCS S ·义：及名→子公→…女公→他气 dx 的燃料对应的焓相平衡。 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn)
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复习：层流火焰速度 ■层流火焰速度：S(标量) S定义：一维平面预混火焰的火焰 ■火焰传播速度：S(矢量) 面相对于来流未燃预混气体的速度。 ■流场速度：y(矢量) S,=(S-04 口为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量 来流预混 火焰位置 未燃气 S,=U,- dx dt ■相对于未燃预混气体的层流火焰速度 Y S,=U-dx/dt=S ■相对于燃烧产物的层流火焰速度： S。=U。-dxI dt 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(z@pku.edu.cn) 7 复习：Mallard and Le Chatelier理论（热理论） ■火焰温度为绝热燃烧温度：T,=T。=T。+qY/Cp 反应区 ■T,为着火温度，即化学反应只发生在下T,时。 ■质量流量：m=pu=pS,=pbWb(等截面一维流动)。 预热区 平街区 ■根据能量守恒定律，预热区吸收的热量来自于反应区 热传导输送过来的热量，即： mC,匹T)=T-T.→SpC,7 mC+ ·根据质量守恒定律，反应区燃料清耗晶等于来流中燃料质量，即：“妥·{心，华}·， mYF=0roR 68=p.S YE10 ■联列上述两个方程，消去反应区厚度后得： A(T-T)Op 2 S-D.C (T-T)P.Y a= P.Cr P.SL-Cr ■对于n级化学反应，其反应速率正比于压力的n次方。因此有S,~Pm21。通常反应 级数满足1<n<2,即12-1<0。因此，随着压力上升，层流火焰速度下降，但质量 流量m=p.S,随着压力升高而上升
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT څૻ䍡ࡗق͵Эו ଞߗ92͵څૻ䍡ࡗق 䍡ѭݏૻڅ͵9 ऌଞ ࡗૻ֪څ ;͵ऌଞ S L (S U) n զଞࡄԤѸࣩѼࠩޭզஓܗН䍡 T Uu Ub xf dt dx S U f L u Ѹ䍡 ஓࡗ ࠩޭ u u f SL S U dx / dt S U dx dt b b f / 92ؓТ͵▁ঢٴஓ䍡ࣩ䍡 澞څૻࣩѼࠩஓޭࡗиتࣼ ͵څૻ䍡ࡗقࣩѼࠩஓޭиتࣼ ͵څૻ䍡ࡗقࣩࢢ䏝уиتࣼ 92 9H 䏝 ࢢу T Н䍡 Ub 䏝 ࢢу 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT וЭ͵ 3GRRGXJGTJ2K)NGZKROKXࣂ 䏣ࣂ :H :O :[ ஓ䏣ԙ Յڀԙ Ś8 ԙٴ P i u b i R mC (T -T ) (T -T )/ u P i u R b i L C T -T T -T S ( ) ( ) mYF u F R , R u SLYF u F / , u F u F u F u P i u b i L C T -T Y T -T S ~ ( ) ( ) , uCP F P u L C S ~ 䍡څࡴНজ䏣䏝څࡴ͵Tf = Tb= Tu +qYu /CP Ti Нअ䍡څࡴԮuԖՅڀՐՆ࣏ ֧T>Ti ݿ澞 ઔଞࡗଞ͵m=u=uSL=bub (ॗۍ▁ঢࡗԇ)澞 ԙڀ১иՅ䏣ଞࣩݗ⩍ஓ䏣ԙͧڮؓ㔗؋ৗଞܨߠ 䏣ѭج૮ࣩ䏣ଞͧԮ͵ ܨߠઔଞ؋㔗ؓڮuՅڀԙࡤݪৃଞॗиࡗЗݪઔଞͧԮ͵ ͵ڰդڅԙԻڀԽՅࡤuसݱӦІ૩ГЖ تиnঃԖՅڀuҾՅڀૻࠔࢴࠢиԸԂࣩnݱࠊ澞֛ޥࠕSL~Pn/2-1澞ૹٮՅڀ ঃࢁݤર1<n<2ͧԮn/2-1<0澞֛ࠕu୩अԸԂІԞͧࡗق䍡ૻڅЇୠͧѷઔଞ ࡗଞm=uSL୩अԸԂԞளুІԞ澞 F F F F dx dY D dx d dx dY m P qF F dx dT dx d dx dT mC ( ) R SLYF u P i b L CP S i T - ( b T -T ( / ڀ১иՅ䏣ଞࣩݗ ࡤݪৃଞॗиࡗЗ
复习：Theory of Zeldovich,Frank-Kamenetskii&Semeng Zone I(convection and diffusion dominate): Assume:Le=1 dT_mCT+const Zone I←T → dT mCr(T-T.) Zone II(reaction and diffusion dominate): 0=+，4→209 dx dx d m-m dT → "受回)-头o,r E m=p.S=2 &p4mtR} 9@-受6 m=p.S=32 p4m气 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn)g 复习：预混平面火焰渐近理论分析 化学反应区 下游处的匹配 预热区 平衡区 limT(=limT(x) 如a(传⑤=in( lim dTdg=limdT'/dx -Og imdYlimdY ld 上游预热区(x0): Tm(5)=8-8,(5) T*(x)=T, d've yFm(⑤)=4+（⑤） (x)=0 T(x)=T6(x)+I(x) 得=0 d YF(x)=YFo(x)+eYF(x) 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈(z@pku.edu.cn)1o
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT וЭ͵Theory of Zeldovich, Frank-Kamenetskii & Semenov Assume: Le = 1 0 r Tb Ti Zone I II x 0 x 0 dx dT dx dT 2 2 dx d T dx dT mCP T const mC dx dT P ( ) 0 i u P x T T mC dx dT Zone I (convection and diffusion dominate): F qF dx d T 2 2 0 dx q dT dx dT dx d F F 2 ( ) 2 b i T T F F x dT q dx dT 2 0 Zone II (reaction and diffusion dominate): b i T T F F i u P dT q T T mC 2 ( ) 1/ 2 2 0 0 exp( ) 1 2 P b u u R T E Ze A C m S b u T T F F b u P dT q T T mC 2 ( ) 1/ 2 2 0 0 2 exp( ) P b u u R T E Ze Le A C m S ( ) i u dx F qF dT 2 ) 2 Tb F F dT q 2 n dominate): 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ߅Ӣࣂࡰ 䍡ٴஓ͵Эו Іࡶஓ䏣ԙ^"͵ 2 2 dx d T dx dT mCP 2 2 ( ) dx d Y D dx dY m F F F ( ) ( ) ( ) T x T0 x T1 x ( ) ( ) ( ) YF x YF 0 x YF1 x Їٴࡶԙ^$͵ T x Tb ( ) ( ) 0 YF x ӃՅڀԙ͵ڕҴְߗՉܦ Ť#^ś ( ) ( ) Tin 0 1 ( ) ( ) YF ,in 0 1 F qF d d 2 1 2 F F d d D 2 1 2 ( ) ЇࣩדࡶԘକ lim ( ) lim ( ) 0 T T x x in lim ( ) lim ( ) 0 Y , YF x x F in dT d dT dx x in lim / lim / 0 dY d dY dx F x F in lim / lim / 0 , R Tu Tb Yu ஓ䏣ԙ ԖՅڀԙ ԙٴ M T 1/ 2 2 0 0 2 exp( ) P b u u R T E Ze Le A C m S Յڀԙ͵ڕҴְߗՉ 0 m u Su
层流火焰速度 ■预混燃气燃烧特性：(1)着火延迟时间，(2)层流火焰速度 ■层流火焰速度(Laminar f1 ame speed,,S):一维平面预混火焰的火焰 面相对于来流未燃预混气体的速度 T o(e) 来流未燃预混气体 化学反应区 燃烧产物 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn)1i 层流火焰速度 ■层流火焰速度：S,(标量) 5定义：一维平面预混火焰的火焰 ■火焰传播速度：S(矢量) 面相对于来流未燃预混气体的速度 ■流场速度：业（矢量） S1=(S-U).n 口为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量 来流预混 火焰位置 燃烧 末燃气 Xr 产物 0。 0。 d ■相对于未燃预混气体的层流火焰速度 S =U -dx/dt=S ■相对于燃烧产物的层流火焰速度： S。=U。-dkr/dt 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(cz@pku.edu.cn)12
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为什么要测量火焰速度？ 都 火焰速度是燃料燃烧特性的重要参数 ■从实际应用的角度上看：火焰 速度是影响燃烧器内燃料燃烧 速率和效率的重要因素 iouremsDEgott ■从基础研究的角度上看：火焰 速度是用来验证各种燃料的化 40 学反应机理的重要参数，同时 也是模拟湍流预混火焰传播的 立验 重要输入参数之一。 反应机理A 反应机理B ■近半个世纪以来，多种实验方 法已经被用来测量火焰速度。 1 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(a@pku.edu.cnm13 如何测量火焰速度？ S,定义：一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度 S:=(S-U).n ■层流火焰速度：S,(标量) =火焰传播速度：（矢量） 流场速度：业（矢量） o2 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(a@pku.edu.cn)14
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稳态火焰与非稳态火焰 dxL=U.-SL S=(S-U).n dt 对 U 火焰静止 火焰移动 0.1ms 0.2ms 0.3ms 本森灯火焰 球形传播火焰 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn) 15 层流火焰速度的测量方法 ■稳态火焰法 口平面火焰 口本森灯火焰 口对型流火焰 ■非稳态火焰法 ▣管内传播火焰 口球形传播火焰（定容） 口球形传播火焰（定压） 口肥皂泡法 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(a@pku.edu.cm)16
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平面火焰法 Flame -Porous plug and .789 0= dx =U-S, dt SL=U Premixture 层流火焰速度=来流流速 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(z@pku.edu.cm17 平面火焰法 S1.=U ■火焰通过热传导向平面火焰器传 ·实验结果 线性拟合 递热量（热损失），因此不是理 想状态下的平面火焰。 Heat Loss ■热损失会导致层流火焰速度降低。 修正热损失的方法： ■不同平面火焰器的热损失不一样 线性拟合法 因此测出来的层流火焰速度也不 二致。 (Botha Spalding 1954) 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cm)18
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本森灯火焰法 不 ICCD Camera 风 Air ◆⑧ 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn)19 本森灯火焰法测速原理 个 raph Sz=(S-U)n→Sz=Usina 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(a@pku.edu.cn)20
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本森灯火焰法测速原理 (pUn)u =(pUn)b Pu Un,b Un.u Pb .b=.n7 S,=(S-) shu=Un.u Un.u =Vul sin a 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(a@pku.edu.cn21 本森灯火焰：示踪粒子法 ■将很细的氧化镁粒子投入气流中，产生间 歇性的光亮，对示踪粒子的拍照便可显示 它的方向。由一级连续照片还可确定出 粒子的速度。 ■所采用的喷口宽度很小，只有0.755cm, 如果采用大的喷口，则由于燃烧速度均匀 分布会使火焰传播更快。 189% ■不足之处是引入固体粒子将对火焰表面 起催化作用，以致影响燃烧过程，从而改变 层流火焰速度。 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正（位@pku.edu.cn)2
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ࣂԼૻ࡚ࡄ䍥䍡ߺޯ 1mm S L (S U) n (S U) n 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ࡄ८઼ठ͵䍥䍡ߺޯ ࣏уЗࡗࠩҴۯ㾀Ԗ斃८ࣩڭذ ࠐ㓬ࣩүшتठ઼८܁ࣩҍՔދठ ݱࣩ؈զ澞࣒▁ঃড࢜ՔगؓӞ 澞څૻࣩ८ IS ޥՐسڭڅؠՌࣩ࣐֔ଙے ߈ױଙࣩל࣐֔ՌӨ࣒и䏝ૻڅ֭ԓ Ӣ١Ѫ҄䍡ѭڼޟݏ澞 ЈરУڕފדҴ֠Ѽ८تذ䍡 ફ➋ԖҀ࣐ј৩ڦտ䏝सёুݘՉ 澞څૻ䍡ࡗق ࢜ՔगؓӞ IS ޥՐس ԓ֭څૻ䏝и࣒