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 人 0.2 6.2缓燃波与爆震波 1500上对流 热传导 H20 ◆ 6.3一维层流预混火焰定性分析 1000 CH, 0.1 6.4一维层流预混火焰详细理论分析 co. 组分扩散 500 T 6.5层流预混火焰速度及其测量方法 CO 0 6.6影响层流预混火焰速度的因素 0.9 0.95 1 x(cm) 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 -@p 6.10预混火焰的着火与熄火 dx dx dx Dr=p'r·Aexp(- 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn 2
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 第6章 层流预混火焰 2 6.1 预混火焰与扩散火焰 6.2 缓燃波与爆震波 6.3 一维层流预混火焰定性分析 6.4 一维层流预混火焰详细理论分析 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 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 x (cm) 0.9 0.95 1 0 500 1000 1500 2000 0 0.1 0.2 CH4 CO2 H2O CO T (K) T T molar fraction 热传导 组分扩散 对流 F F F F dx dY D dx d dx dY m P q FF dx dT dx d dx dT mC )exp( TRE AY a F F 0
火焰分类 ■预混火焰Vs.非预混（扩散）火焰 ■层流火焰vs.湍流火焰 ■均相火焰Vs.非均相火焰 ■亚音速火焰Vs.超音速火焰 Gasoline Engine (Spark Ignition) 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn) 3
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 火焰分类 3 预混火焰 vs.非预混(扩散)火焰 层流火焰 vs.湍流火焰 均相火焰 vs.非均相火焰 亚音速火焰 vs. 超音速火焰
预混火焰与扩散火焰介绍 预混火焰 扩散火焰 post flame post flame radiation oxidation and radiation surface of stoichiometric mixture premixed flame front VYR.VYo>0 VYE.VYo<0 SL=Un air air fuel air fuel 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn)4
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 预混火焰与扩散火焰介绍 4 预混火焰 扩散火焰 0 YY OF 0 YY OF
预混燃烧的类型 10 CH Homogeneous Ignition 2500 10 ■ 零维均质着火 CH, 2000 ■ 缓燃波（火焰） H0, ■爆震波 10 1500 OH 23 10 1000 0 0.025 0.05 0.075 Time (s) 13 T(K) molar fraction JS"m 2500 0.30.01 1-D premixed -CH,/air(Phi=1)flame 6E+09 P=1atm,T.=298K 2000 T/T. OH 0.2 Induction period 4E+09 1500 HO OH plp Chemical reaction 1000 CH, 0.1 3 2E+09 Q co. 0 500 T CO 1 0 98士 0 0.8 0.85 0.9 0.95 1.05 1.0cm 5 x(cm)
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 5 预混燃烧的类型 零维均质着火 缓燃波(火焰) 爆震波 Time (s) Mole fraction Temperature (K) 0 0.025 0.05 0.075 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 1000 1500 2000 2500 T O H OH CH3 HO2 CH4 T Homogeneous Ignition CH4/air (Phi=1) P=1atm,T0=1200K x (cm) 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 0 500 1000 1500 2000 2500 0 2E+09 4E+09 6E+09 0 0.1 0.2 0.3 0 0.01 O2 CH4 CO2 H2O OH CO OH T (K) T T Q JS-1m3 molar fraction Q 1-D premixed CH4/air (Phi=1) flame P=1atm,Tu=298K
预混燃烧的类型 ■零维均质着火 ■ 缓燃波（火焰） ■爆震波 Law,2006 Egolfopoulos et al.2014 shock shock detonation flame Lehr,1992 Bach et al.,1969 Lee et al.,1972 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn 6
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 6 预混燃烧的类型 零维均质着火 缓燃波(火焰) 爆震波 Lehr, 1992 Bach et al., 1969 Lee et al., 1972 shock shock Law, 2006 Egolfopoulos et al. 2014 flame detonation
预混燃烧的类型 ■ 均质着火(homogeneous ignition):例如高温高压时H2/O2混合物的 着火过程，不存在燃烧波的传播 ■ 缓燃波(deflagration):亚声速传播的燃烧波（扩散主导） ■爆震波(detonation):超声速传播的燃烧波（激波+均质着火） P21 兰金一雨贡纽曲线 23 区：强爆震区 U←-上C点 PIP 11 9 Ⅱ区：弱操晨区 瑞利线 Induction period 、V区：不可实现区 plp 5 Chemical reaction Π区：弱缓燃区 3 瑞利线 V区：强缓撚区 0 下CJ点 11p 1.0cm 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn) 7
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 预混燃烧的类型 均质着火(homogeneous ignition)：例如高温高压时H2/O2混合物的 着火过程，不存在燃烧波的传播 缓燃波(deflagration)：亚声速传播的燃烧波(扩散主导) 爆震波(detonation)：超声速传播的燃烧波(激波+均质着火) P2 2 /1 1 /1 P1 上CJ点 下CJ点 I区:强爆震区 II区:弱爆震区 III区:弱缓燃区 瑞利线 IV区:强缓燃区 瑞利线 兰金－雨贡纽曲线 V区:不可实现区 U L 7
缓燃波（火焰）Vs.爆震波 ■缓燃波（火焰）是依靠导热和分子扩散使未燃混合 气体温度升高，并扩散进入反应区而引起化学反 B↑ 应，从而使燃烧波不断向未燃混合气体中推进。 兰金-雨贡纽曲线 ■爆震波的传播不是通过传热传质发生的，它是依 区：强爆震区 靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高 -上CJ点 而引起化学反应的。爆震波几乎不受扩散过程的 影响，可以忽略控制方程中的扩散项。 Ⅱ区：弱爆震区 瑞利线 、V区：不可实现区 Ⅲ区：弱缓燃区 V区：强缓燃区 瑞利线 L氏 下C点 1/P 11P2 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn 8
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 缓燃波(火焰) vs.爆震波 8 缓燃波(火焰)是依靠导热和分子扩散使未燃混合 气体温度升高，并扩散进入反应区而引起化学反 应，从而使燃烧波不断向未燃混合气体中推进。 爆震波的传播不是通过传热传质发生的，它是依 靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高 而引起化学反应的。爆震波几乎不受扩散过程的 影响，可以忽略控制方程中的扩散项。 P2 2 /1 1 /1 P1 上CJ点 下CJ点 I区:强爆震区 II区:弱爆震区 III区:弱缓燃区 IV区:强缓燃区 瑞利线 瑞利线 兰金－雨贡纽曲线 V区:不可实现区 U L
预混燃烧的类型 acethylen/oxygen Mallard.Le Chatelier 1883 Flames: 10cm/s-10m/s, △p/p≈-10-5 Laser Tomography Laminar propagation L.Boyer 1980 Bec bunsen J.Quinard 2000 Fast deflagrations:100 m/s, △p/p≈-10-1 Turbulent propagation John H.S.Lee 1990 Detonations:≈2000m/s,△p/p≈+30 Berthelot,Vielle 1884 Cellular structure 12. (from P.Clavin,2016) Shchelkin 1960 9
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 预混燃烧的类型 (from P. Clavin, 2016) 9
层流预混火焰结构 Q T(K) molar fraction Q T(K) molar fraction JS*m2 ,2500 0.30.01 JSm' 2500 1-D oremixed -1-D premixed 0.30.01 T CH,jair(Phi=1)flame 6E+09 6E+09 P=iatm,T.=298K T 2000 2000 OH 0 H,O 0.2 0, 0.2 4E+091500 4E+09 1500F H,O OH 0 1000 -1000 CH, OH 0.1 CH 0.1 2E+09 C02 2E+09 cO. 500 500 T 入 co NO 、-_C0 0 0J0 0 10 0.85 0.9 0.95 1.05 1. x (cm) x (cm) 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn 10
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 10 层流预混火焰结构 x (cm) -5 0 5 10 0 500 1000 1500 2000 2500 0 2E+09 4E+09 6E+09 0 0.1 0.2 0.3 0 0.01 O2 CH4 CO2 H2O OH CO NO NO OH T (K) T T Q JS-1m3 molar fraction Q 1-D premixed CH4/air (Phi=1) flame P=1atm,Tu=298K x (cm) 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 0 500 1000 1500 2000 2500 0 2E+09 4E+09 6E+09 0 0.1 0.2 0.3 0 0.01 O2 CH4 CO2 H2O OH CO OH T (K) T T Q JS-1m3 molar fraction Q 1-D premixed CH4/air (Phi=1) flame P=1atm,Tu=298K
火焰结构 火焰面 Flame sheet ■ 火焰被看作是一个分隔未燃预混 气体和燃烧产物的界面，不考虑 Y=0 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 公 以被看作是一个热源（燃料燃烧释 反应面 放热量)和质汇（燃烧消耗燃料）。 Reaction sheet ■结构()为欧拉方程：非稳态项+对 y2=0 流项=0，无扩散项和反应项。在火 焰面处T和Y不连续： 中间：反应区 ■结构(b):非稳态项+对流项=扩散 上游：预热区 下游：平衡区 项，无反应项。在火焰面处T和Y是 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。 Y=0 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 -6R 11
《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正 (cz@pku.edu.cn) 11 火焰结构 δR Tu Tb Yu 上游：预热区 中间：反应区 下游：平衡区 ω δT Yb=0 Tu Tb Yu δT Yb=0 反应面 Reaction sheet Tu Tb Yu Yb=0 火焰面 Flame sheet 火焰被看作是一个分隔未燃预混 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。 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 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。 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) 。 11