第七章层流扩散火焰 A 陈正 cz@pku.edu.cn 北东大学 Peking University 7.1和7.2复习 7.1混合物分数 7.2扩散火焰的结构及控制方程 7.3一维静态扩散火焰 7.4 Burke-Schumanny火焰 7.5 Stefani流 7.6液滴蒸发与燃烧 7.7碳的燃烧 ag,e(am,）a g2,2m} 0 g,e 200+0-x0 (图片来自同路) 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cm
䍡ݢ۞ࡗق ्Ѓॕ ࠔ ୟ cz@pku.edu.cn Peking University ࠔ ୟ 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ո וЭ ݤӢࢢ՟ ۞ݢ䍡ࣩগ߄Ղܰӱݱस ▁ঢ㓆۞ݢ䍡 ([XQK9IN[SGTT䍡 ࡗ9ZKLGT 䃎ࢅ嘜ՆЉ䏝 䬚ࣩ䏝 e১যছ֢࢜a F i F F i i F i F x Y D x x u Y t Y ( ) ( ) O i O O i i O i O x Y D x x u Y t Y ( ) ( ) P F F i i P i i C q x T x x C u T t T ( ) ( )
预混火焰vs.扩散火焰 mixture 预混火焰7Y,·7Y。>0 7y,7y。<0扩散火焰 7898 Fue Fuel 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证（位@pku.edu.cm 混合物分数 ■混合物分数(Mixture Fraction)定义：当地控制体中来源于燃料侧成分所占的质量百分比 Mixture Fraction=Mass of material in the local control volume having its origin in fuel stream mass of the mixture in the local control volume 来流1：燃料 Z=m1/(m1+m2) m YEt T1 未燃混合物 混合物 燃烧产物 → 来流2：氧化剂 YEu,Yor.u:Tu YF.Yo,T,Z YEb,Youb:To m2,T2 V:C,H,+vo,O:=vcoCO:+v"goH:O YE Yo=Yo.2(1-Z) (Yo-Yo)/(vo Wo,)=(Yr-Yr.)/(viWr) →sYe-Yo,=sYea-Yo s=(vo Wo)/(viWe) →z=出-+ sYra+Yo:2 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cm
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT 䍡ݢ۞Y \䍡ஓ ஓ䍡 YF YO 0 YF YO 0 ۞ݢ䍡 Fuel O2 Fuel O2 T T 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ݤӢࢢ՟ ݪݪ͵1ࡗ m1, YF,1, T1 ࡗ2͵㾀ԖӶ m2, YO2,2, T2 ࢢ՟ޭ YF, u , YO2, u , Tu ࢢ՟ YF , YO2 , T, Z ࢢ䏝у YF,b , YO2,b, Tb ՟ࢢӢݤ3O^Z[XK,XGIZOUTؓТ͵ڡܰ֩ӱѼЗࡼиݪҊۉӢےԨࣩઔଞࣨӢࠢ 3O^Z[XK,XGIZOUT#3GYYULSGZKXOGROTZNKRUIGRIUTZXUR\UR[SKNG\OTMOZYUXOMOT OTL[KRYZXKGSSGYYULZNKSO^Z[XKOTZNKRUIGRIUTZXUR\UR[SK Z= m1 / (m1+m2) YF ,u YF ,1Z (1 ) , ,2 2 2 YO u YO Z ( )/( ) O WO FWF s F O F u O u sY Y sY , Y , 2 2 ,1 ,2 ,2 2 2 2 F O F O O sY Y sY Y Y Z FCxHy O O2 CO CO2 H OH2O ( )/( ) ( )/( ) YO YO ,u O WO YF YF ,u FWF 0 Z 1 YF,u YF,1 YO2,2 YO2,u ࢢ՟ u ,Tu ՟ YF , YO Z= m1 / Z F
混合物分数 ■混合物分数(Mixture Fraction)定义为：当地控制体中来源于燃料侧成分所占的质量百分比 Z= sYr-Yo,+Yo.2 s=(vo Wo)/(viWr) sYEa+Yo:2 ■当量混合物分数（以下标s表示）：sY=y。→ Y42 ■2<乙，贫燃料，燃烧在燃料被消耗尽时结束 YEA=0 0-2 Z≤2 ■工Z,富燃料，燃烧在氧气被消耗尽时结束： -0斤经 ZzZ. Z。 燃将学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cn) 5 扩散火焰 ■扩散火焰受制于燃料和氧化剂向彼此间的扩散。 7y,7Yo<0 ■由于化学反应远远快于扩散，而且化学反应只是集中在燃料和氧化 剂混合物当量比为1的区域，因此可以将反应区近似为一个反应面 (reaction sheet). ■反应面为热源（释放化学反应热）和质汇（消耗燃料和氧气）的组合。 ■该近似相当对于假设化学反应速率为无穷大，燃料和氧气一遇到就 会反应生成产物并释放出热量。 ■实际燃烧过程中化学反应速率为有限值，会有少量的燃料和氧气漏 过反应区。 co. Z 化燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证（位@pku.edu.cm 6
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ݤӢࢢ՟ ՟ࢢӢݤ3O^Z[XK,XGIZOUTؓТН͵ڡܰ֩ӱѼЗࡼиݪҊۉӢےԨࣩઔଞࣨӢࠢ ڡଞ՟ࢢӢݤaјЇߗstठͤ͵ ͵গݿؿৃࡤݪ֧䏝uݪ帚ͧZstZ ,1 ,2 ,2 2 2 2 F O F O O sY Y sY Y Y Z F O sY Y , , , F O O st sY Y Y Z st st O b O Z Z Z Z Y , Y , ( ), st st st F b F Z Z Z Z Z Y Y ( ), , , YF ,b YO ,b 0 Z 1 YF,1 YF,b YO2,2 YO2,b Zst YCO2,b ( )/( ) O WO FWF s ͵গݿؿ F O sY Y Z st st Z Z Z Z ), Z Z 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT 䍡ݢ۞ 澞ݢ۞ࣩࠕڨո㾀ԖӶզݪՈӱи䍡ݢ۞ ո㾀Ԗݪ֧З୳ފՐڀՅЋԖͧুݢ۞иڼૢૢڀՅиԖ࣒ Ӷ՟ڡࢢଞࠢНࣩͬԙ־֛uࠕՔјذՅڀԙѶН▁ЖՅڀ XKGIZOUTYNKKZ澞 ঐ՟澞ࣩࠩո㾀ݪৃࡤոઔ䏣ڀՅԖݚଚࡼН䏣ڀՅ ػӰࠩ▁ո㾀ݪuלिݸНࢴૻڀՅиҜ੦ԖتڡࣼѶੴ ѪՅۉ࣏ڀуوٴࢢଚݚӞ䏣ଞ澞 ؗଢ଼䏝सЗԖՅڀૻࢴНޥୡҚͧѪشޥଞݪࣩո㾀ࠩࢆ Յڀԙ澞 0 Z 1 YF,1 YF,b YO2,2 YO2,b Zst YCO2,b 0 Z 1 YF,u YF,1 YO2,2 YO2,u YF YO 0 ࠩո㾀ݪৃࡤઔ ո㾀ݪuלिݸН ୡҚͧѪشޥଞࣩ
控制方程 ■假设单步、不可逆、二级化学反应： vrF+vo0→vnP ,m-4emt是导 W,o形。WW。 用。 VEWE OY-or s为每一千克燃料对 dt ax; 应消耗的氧气的质量 O(pT)0(puT)aA OT0 9为燃烧单位质量 8 燃料所释放出的热量 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证(a@pku.edu.cm7 守恒标量(Coupling Function)方程 茶 ■假设：pD=pDo=ICp Ler Leo =1 ■定义耦合函数：月=Po=sY-Yo s=%形。 VW B:=Br=Yr+CT/9r s为每一千克燃料对 B=B。=Yo+sCpT1gr 应消耗的氧气的质量 ■将控制方程消去化学反应项，上述耦合函数均满足守恒标量方程： a(pY)a(pu,Y)a a(pYo)apuYo)a →8(pB)+pmB)=a2aa k=1,2,3 ax ax;Cp ax Cr 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cn)8
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ܰӱݱस F F OO P P exp( ) 0 R T E A W Y W Y W W A O O F F O O O F F F exp( ) 0 2 R T E A W Y Y A O F O F F O F s F F O O W W s F i F F i i F i F x Y D x x u Y t Y ( ) ( ) O i O O i i O i O x Y D x x u Y t Y ( ) ( ) P F F i i P i i C q x T x x C u T t T ( ) ( ) Ҝ੦Ԥࠖ澝ЈՔ૱澝зঃԖՅڀ͵ VѰ∅жॹށᯏ⟹ሯ ᓊ⎾㙍Ⲻ≝≊Ⲻ䍞䠅 T) Ѱ⟹✝ঋփ䍞䠅 ⟹ᯏᡶ䠀᭴࠰Ⲻ✣䠅 F i F F x YF D x Y ) T 0 EA O s 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ؋㔗ߗଞ(Coupling Function)ݱस Ҝ੦͵ DF DO CP / 1 LeF LeO ؓТ凥՟Ӡݤ ͵F O F YO 1 , sY F YF CPT qF / 2 O O P F Y sC T / q 3 ͵सݱଞߗ㔗؋રࢁ֭ݤІ૩凥՟ӠͧڀՅԽԖࡤसݱӱܰذ i k i i P k i k x x C x u t ( ) ( ) k=1,2,3 F i F F i i F i F x Y D x x u Y t Y ( ) ( ) O i O O i i O i O x Y D x x u Y t Y ( ) ( ) P F F i i P i i C q x T x x C u T t T ( ) ( ) F F O O W W s VѰ∅жॹށᯏ⟹ሯ ᓊ⎾㙍Ⲻ≝≊Ⲻ䍞䠅 YF CPT qF O P F Y sC T q O P ࢁ֭ݤІ૩凥՟Ӡͧ F F F x YF D x
混合物分数 a(pB)a(pu,B.)aa aB Ler Leo =1 B=Br=Yg+C T/qr R=Be.o=sYp-。A,=p。=Yo+sCT1qr 守恒标量 燃料侧的值为BF 氧气侧的值为,0 B. Y+C T lge B sCpTlqEYo +sCpTlqE 上标0表示位于边界的值，下标F和0分别表示燃料侧和氧气侧。 ■归一化处理： 4= B.-B → 0()a() 时-职 dx;C dx k=1,2,3 ■在氧气侧有2k=0,在燃料侧有乙k=1,且0≤zk≤1 →21=Z2=23=Z 《燃将学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cn)? 混合物分数 ■在氧气侧有2，=0，在燃料侧有乙=1，且0≤红≤1 a(pe)a(pu,)aaa dx; ax Cr ax 21=2223=2 月=Peo=sY-o 守恒标量燃料侧的值为那，氧气侧的值为， B:=Br=Y+CT/q sFo -y0 B=P。=Yo+sC,T1gF z=sy-。+8_C,(T-761gr+y2 sCp(T-T)/gn+Y。-yg sYe+Yo Cr(TP-To)/qr+Y s=Yow sCp(TF-To)/qF-Yo 1 i= -+) o= 为由边界值而确定的当量比 称为边界当量比 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cm）10
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ݤӢࢢ՟ ᆾᚈḽ䠅 ⟹ᯏםⲺٲѰk F ≝≊םⲺٲѰk O 1 sYF 0 -YO 0 2 YF 0+CPTF 0/qF CPTO 0/qF 3 sCPTF 0/qF YO 0+sCPTF 0/qF i k i i P k i k x x C x u t ( ) ( ) ІߗठѸиࣩࣙҚͧЇߗ,ո5ӢӯठݪҊո㾀ࠩҊ澞 O k F k O k k k z i k i i P k i k x z x x C u z t ͵ࣂדԖ▁ڠ ( ) ( z( ֧㾀ࠩҊޥ`Q#֧ͧݪҊޥ`Q#ͧЋʄ`Qʄ k=1,2,3 z1=z2=z3=z F O F YO 1 , sY F YF CPT qF / 2 O O P F Y sC T / q 3 1 LeF LeO ٲѰk 0 TF 0/qF 0/qF Y ࣩࣙҚͧЇߗ,ո5Ӣӯ O ( ) 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ݤӢࢢ՟ O k F k O k k k z i k i i P k i k x z x x C u z t (z ) ( ) ֧㾀ࠩҊޥzk=0֧ͧݪҊޥzk=1ͧЋ0zk1 z1=z2=z3=z F O F YO 1 , sY F YF CPT qF / 2 O O PT qF Y sC / 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( )/ ( )/ ( )/ ( )/ P F O F O P O F O O P F O F F P O F F F O F O O sC T T q Y sC T T q Y Y C T T q Y C T T q Y sY Y sY Y Y z ( 1) 1 1 0 0 O O F F Y Y Y Y z O F Y sY Ѱ⭧䗯⮂ٲ㙂⺤ᇐⲺᖉ䠅∊ 〦Ѱ䗯⮂ᖉ䠅∊ F F O O W W s i F YO sY YF CPT qF O PT qF YO sCP 0 )/ Y C ( 0
当量混合物分数 a(pe)a(pu)aa d ax;Cr dx &=%+=S,I-/g+=sc,(T-1g+出，- sYe+Y。 Cp(TE-To)/qE+Ye sCr(Te-To)/qE-Yo 1 Y。Y 2= s=Yoll VeW ■在氧气侧有z=0,在燃料侧有z=1,且0≤z≤1 ■燃料和氧气混合的当量比为1.0，燃料与氧气恰好完全反应时，则有sY:=Y。,即： 1 1 =w= 41SYF+YG-SYEIYG+1 ■乙为当量混合物分数。扩散火焰的反应面出现在z=乙处。 ■求解出z的空间分布后即可根据条件z=乙，确定扩散火焰的位置 燃筛学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cm)11 当量混合物分数 茶 1 z=u= +1 sY+Yo sYe/Yo+1 VEWE Fuel/ oxidizer Pure H2 Pure O2 /1 110.588.000.111 Pure H2/Air 10.2310.5834.80.028 Pure CHa Pure O2 1 11244.000.200 Pure CH Air 1 0.2312417.40.054 Diluted CHa Pure O2 0.05 1 240.200.833 Diluted CHa Air 0.05 0.23 1 240.870.535 Pure CsHa Pure O2 1 153.643.640.216 Pure C3 Hs Air 1 0.23 1 53.6415.80.059 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cn 12
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ݤӢࢢ՟ଞڡ i i P i i x z x x C u z t (z) ( ) ֧㾀ࠩҊޥ֧u#`ݪҊޥu#`Ћʄ`ʄ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( )/ ( )/ ( )/ ( )/ P F O F O P O F O O P F O F F P O F F F O F O O sC T T q Y sC T T q Y Y C T T q Y C T T q Y sY Y sY Y Y z ( 1) 1 1 0 0 O O F F Y Y Y Y z O F Y sY ݪո㾀ࠩ՟ڡࣩଞࠢНͧݪЉ㾀ࠩ㔵װ؎ҵՅݿڀuӨޥY?, #?5ͧԮ͵ / 1 1 1 1 0 0 0 0 0 F O F O O st sY Y sY Y Y z z `YZНڡଞ՟ࢢӢݤ澞۞ݢ䍡ࣩՅڀӞࢻ`#`֧YZד澞 ࠭Ӟ`ࣩीӢ١դԮՔܨߠѝ`#`YZगؓ۞ݢ䍡ࣩѸ澞 F F O O W W s ޥu#`Ћʄ`ʄ 0 0 O F YF )/ q 0 O F F )/ O F YO sYF װ㔵ࠩЉ㾀ݪu 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ݤӢࢢ՟ଞڡ / 1 1 1 1 0 0 0 0 0 F O F O O st sY Y sY Y Y z z F F O O W W s O F Y sY
扩散火焰中Y:,Y。,T随混合物分数z的分布 z=s出-，+8=C,(T-T19r+y=sC(T-I8)1g+。-8 sYe+Yo C(Te -To)/qr +Ye sC(TP-To)/qF-Yo ■假设无穷快化学反应，反应区为反应面（热源和质汇）」 ■氧气侧，无燃料，0≤z<乙t: o(a)=Y8-zs+Y8)=y81-z/z) Y-()=0 T(a)=2TP+(I-z)To+(qrY/C) ■燃料侧，无氧气，zt<z≤1： 线性分布！ Yo()=0 Y()=zY+(-1)Yo/s=Y(z-z)(1-z) T()=zT+(1-3)To+(qrYe/C)(1-3)/(1-3) 《燃将学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cm 扩散火焰中YF,Y。,T随混合物分数z的分布 ■氧气侧0≤z<zt: ■燃料侧Zt<z≤1： Yo()=Yo(1-2/z) Yo()=0 y(e)=0 Y()=Y(-)/1-) T(z)=c+c2 T()=c3+c nfinitely fast Temperature tate chemist Finite rate chemist itely fast 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证(a@pku.edu.cm14
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ۞ݢ䍡З?,ͧ?5ͧ:୩՟ࢢӢݤ`ࣩӢ١ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( )/ ( )/ ( )/ ( )/ P F O F O P O F O O P F O F F P O F F F O F O O sC T T q Y sC T T q Y Y C T T q Y C T T q Y sY Y sY Y Y z ( ) ( ) (1 / ) 0 0 0 0 O O F O O st Y z Y z sY Y Y z z YF (z) 0 T z zT z T q Y C z F O F F P ( ) (1 ) ( / ) 0 0 0 Y (z) 0 O ( ) ( 1) / ( )/(1 ) 0 0 0 F F O F st st Y z zY z Y s Y z z z ( ) (1 ) ( / ) (1 )/(1 ) 0 0 0 F O F F P st st T z zT z T q Y C z z z ͜ոઔࡼ䏣ڀԙНՅڀՅͧڀՅԖڼिݸҜ੦ 㾀ࠩҊͧݪݸuʄ`"`YZ͵ ݪҊͧݸ㾀ࠩͧ`YZ"`ʄ͵ 㓬Ӣ١͜ 0 z 1 TO 0 TF 0 zst Tb Tu 0 z YF,b YO 0 YO2,b zst YCO2,b YF 0 1 (1 / ) 0 0 ) O O st ) (1 / z F F P (q Y /C ) 0 НՅڀ䏣ࡼոઔ 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ۞ݢ䍡З?,ͧ?5ͧ:୩՟ࢢӢݤ`ࣩӢ١ YO (z) 0 ( ) ( )/(1 ) 0 F F st st Y z Y z z z T z c c z 3 4 ( ) ( ) (1 / ) 0 O O st Y z Y z z YF (z) 0 T z c c z 1 2 ( ) 㾀ࠩҊ ʄ`"`YZ͵ ݪҊ `YZ"`ʄ͵ )/(1 ) st st )/(1
扩散火焰的绝热燃烧温度 &=s,-+8_CnT-T8g+y2。sC,(T-I8/ge+。-罗 sYe+Y。 Cp(TP-To)/qr+Ye sCp(TF-To)/qF-Yo 1 →T()=zIg+1-z)T。+(gy1Ce)z == Yo 1 41W4G-SW/+1 T=zT+(1-z)To+(grYe/Cp)o s= VoWo T:=T=T.TET,+qYz iC 预混：T=T,+qrYr/Cn 。Yz,为将燃料和氧化剂按化学反应当量比为1.0混合后得到混合物中燃料的质量百分数： 口1个质量单位的燃料来流中含有燃料的质量为Y 口sYIY。个质量单位的氧化剂来流中含有氧化剂的质量为sY° 口每消耗1个质量单位的燃料正好对应消耗s个质量单位的氧化剂，因此当量比正好为1 口此时混合物中燃料的质量百分数为Y(1+sY/Y。)=Y°zt 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证（位@pku.edu.cm15 扩散火焰的绝热燃烧温度 ■Yz,为将燃料和氧化剂按化学反应当量比为1.0混合后得到混合物中燃料的质量百分数 T=T+qrrez /C ■例题：估计扩散火焰的温度 N 1,燃料侧为纯CH4,氧化物为空气(21%02+79%N) 口则扩散火焰温度为以下混合物的绝热燃烧温度： 口cH+2.010.210.2102+0.79N2) 口即CH:02:N2=1:2:1.5810.21=1:2:7.52(体积比)，Ta2226K 2,燃料侧为CH和N2的混合物(20%CH+80%N2),氧化物为空气(21%O2+79%N2) 口则扩散火焰温度为以下混合物的绝热燃烧温度： 口(1/0.2(0.2CH4+0.8N2)+2.0/0.21(0.2102+0.79N2) 口即CH4:02:N2=1:2:(4+1.58/0.21=1:2:11.52,T=1848K 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈正(az@pku.edu.cm16
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( )/ ( )/ ( )/ ( )/ P F O F O P O F O O P F O F F P O F F F O F O O sC T T q Y sC T T q Y Y C T T q Y C T T q Y sY Y sY Y Y z څࡴ䏝জ䏣ࣩ䍡ݢ۞ ad st F st O F F P st T z T (1 z )T (q Y /C )z 0 0 0 TF TO Tu 0 0 ad u F F st CP T T q Y z / 0 / 1 1 1 1 0 0 0 0 0 F O F O O st sY Y sY Y Y z z F F O O W W s 0 0 O F Y Y s YF 0zst Нݪذո㾀ԖӶܘԖՅڡڀଞࠢН1.0՟դڰӰ՟ࢢЗࣩݪઔଞࣨӢݤ: 1ЖઔଞԤѸࡗݪࣩЗլࣩݪޥઔଞНYF 0 sYF 0/YO 0ЖઔଞԤѸࣩ㾀ԖӶࡗЗլޥ㾀ԖӶࣩઔଞНsYF 0 Н1װࠔࠢଞڡࠕ֛u㾀ԖӶࣩsЖઔଞԤѸৃࡤڀتװࠔݪࣩ1ЖઔଞԤѸৃࡤࠠ НYFݤӢࣨઔଞࣩݪЗࢢ՟ݿࠕ 0/(1+sYF 0/YO 0)=YF 0zst ad u FYF u CP T T q / , T z zT z T q Y C z F O F F P ( ) (1 ) ( / ) 0 0 0 ͵ஓ F F P st z F F P s q Y /C ) F F P 0 d u F F st CP T q Y z d u F F st / 0 ՅڡڀଞࠢН1.0՟ 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT څࡴ䏝জ䏣ࣩ䍡ݢ۞ ad u F F st CP T T q Y z / 0 YF 0zst Нݪذո㾀ԖӶܘԖՅڡڀଞࠢН1.0՟դڰӰ՟ࢢЗࣩݪઔଞࣨӢݤ ҅ங͵Ѳਗ਼۞ݢ䍡څࡴࣩ 1ͧݪҊНআCH4ͧ㾀ԖࢢНीࠩ(21%O2+79%N2) ͵څࡴ䏝জ䏣ࣩࢢ՟НјЇڅࡴ䍡ݢ۞Ө CH4+(2.0/0.21)(0.21O2+0.79N2) Ԯ CH4:O2:N2=1:2:1.58/0.21=1:2:7.52 (Ѽऴࠢ), Tad=2226 K 2ͧݪҊНCH4ոN2ࣩ՟ࢢ)20%CH4+80%N2)ͧ㾀ԖࢢНीࠩ(21%O2+79%N2) ͵څࡴ䏝জ䏣ࣩࢢ՟НјЇڅࡴ䍡ݢ۞Ө (1/0.2)(0.2CH4+0.8N2)+(2.0/0.21)(0.21O2+0.79N2) Ԯ CH4:O2:N2=1:2:(4+1.58/0.21)=1:2:11.52, Tad=1848 K (21%O2+79%N2) ͵څࡴ䏝জ䏣 2:7.52 (Ѽऴࠢ), Tad=2
练习题 茶 ■已知预混气体CH4:O2:N2=1mol:1mol:2mo的绝热燃烧温度为1930K。有一绝热扩 散火焰，其燃料侧由CH和N2组成（体积比为CH4:N2=1mol:2mol),其氧化物侧为纯O2, 则该绝热扩散火焰的火焰温度 1930K(填“大于”或“等于”或“小于”)。 ■答案：预混火焰CH4:02:N2=1:1:2,T,=1930K 扩散火焰CH4:02:N2=1:2:2,T,>1930K ■使用GsEQ软件估计扩散火焰的温度：燃料侧为C,H和N,的混合物(20%C,Hg+80%N),氧 化物为空气(21%02+79N2) ■答案：(1/0.2(0.2C3Hg+0.8N2)+5.010.21)(0.2102+0.79N2) 即CgHg:02:N2=1:5:(4+3.95/0.21)=1:5:22.81,T,=2107K 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证(a@pku.edu.cm17 最高温度与平均温度 E 05 ■最高温度与质量流量无关：T=z.T+(1一乙，)T8+(qFY/Cp)z,■扩散火焰不利于污染物控制 ■假设C为常数且所有组分的C相等，则反应前混合物的温度为： NOx的排放取决于最高温度 T"=(ritrT+)/(itr +io)=T /(1+l)+To /(1+/) m ■反应后的平均温度为： T T.1+p qrYe 1+p/p C)min() =员 《燃烧学基础》7，层流扩散火焰 陈证（位@pku.edu.cm1B
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT এЭங ٜऍஓࠩѼCH4 : O2 : N2 = 1 mol : 1 mol : 2 molࣩজ䏣䏝څࡴН1930 K澞ޥ▁জ䏣۞ ݢ䍡uҾݪҊ࣒CH4ոN2ঐۉ)ѼऴࠢНCH4 : N2 = 1 mol : 2 mol)ͧҾ㾀ԖࢢҊНআO2ͧ Өੴজ䏣۞ݢ䍡ࣩ䍡څࡴ________1930 K (ȐלиȑۋȐॗиȑۋȐسиȑ)澞 ग़ߥ͵ஓ䍡 CH4 : O2 : N2 = 1 : 1 : 2 ͧTf = 1930 K ۞ݢ䍡 CH4 : O2 : N2 = 1 : 2 : 2 ͧTf > 1930 K ࣐҄GasEQѝѲਗ਼۞ݢ䍡څࡴࣩ :ݪҊНC3H8ոN2ࣩ՟ࢢ)20%C3H8+80%N2)ͧ㾀 ԖࢢНीࠩ(21%O2+79N2) ग़ߥ)͵1/0.2)(0.2C3H8+0.8N2)+(5.0/0.21)(0.21O2+0.79N2) ԮC3H8:O2:N2=1:5:(4+3.95/0.21)=1:5:22.81, Tf = 2107 K : 1:2ͧTf =1930 :2 :2ͧTf > 1930 ҊНC3H8ոݪ :څࡴ 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT څࡴ֭ٴЉڅࡴளޣ ad st F st O F F P st T z T (1 z )T (q Y /C )z 0 0 0 ( )/( ) /(1 / ) /(1 / ) 0 0 0 0 0 Tm m FTF m OTO m F m O TF g TO g min( ,1.0) 1 / 1 / ( ) 0 0 0 g P g F F g O g F m C T T q Y T ͵һݸଞࡗЉઔଞڅࡴளޣ 0 0 O F Y Y s O F O O F F g m m m Y m Y s Ҝ੦)6НݤٮЋޥےঐӢࣩ(6ࣼuॗӨՅڀӸ՟څࡴࣩࢢН͵ ͵Нڅࡴ֭ٴࣩդڀՅ ӱܰࢢߐ࠲ЈӮи䍡ݢ۞ څࡴளޣՇӏиݚܭࣩ^45 stTF st O zst F st O (1 z )T ( st O 0 0 ࣩࢢ՟ӸڀӨՅ
扩散火焰中Y:,Y。,T随混合物分数z的分布 ■氧气侧0sz<zt: ■燃料侧zt<z≤1： Yo(a)=Yo(1-2/2)Yo()=0 Y()=0 Y()=Y(-)/I) T()=C1+c T()=c3+c Infinitely fast chemist nfinitely fast chemiss Temperature ing line Finite rate chemistry Finite rate che Infinitely fast chemistry 0 Mixing line 《燃降学基础》7，层流扩散火焰 陈正(a@pku.edu.cm19 有限反应速率火焰面模型 ■在湍流燃烧中，如果化学反应很快（化。 y<difusion),则化学反应只发生 在一个很薄的火焰面（反应区）内，即局部层流小火焰面Laminar Flamelet ■假设Lek=/(pCpDx)=1 ■控制方程： 口混合物分数：P+aa成 az 口温度方程： OT 8(pD P+pm,a 1 dP 口组分方程： pa+pm 0(pD)+@ ■求解混合物分数方程，可以获得分布：Z=Z(X1,X2,×3,t) 《燃烧学基础)7，层流扩散火焰 陈正(az@pku.edu.cm)20
澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ۞ݢ䍡З?,ͧ?5ͧ:୩՟ࢢӢݤ`ࣩӢ١ YO (z) 0 ( ) ( )/(1 ) 0 F F st st Y z Y z z z T z c c z 3 4 ( ) ( ) (1 / ) 0 O O st Y z Y z z YF (z) 0 T z c c z 1 2 ( ) 㾀ࠩҊ ʄ`"`YZ͵ ݪҊ `YZ"`ʄ͵ )/(1 ) st st )/(1 澦䏝ׁक澧 ͧࡗق۞ݢ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ֹࠆ䍡 ࢴૻڀୡՅޥ ֧䅚ࡗ䏝Зͧ߈ױԖՅڼڭڀZINKSOYZX_""ZJOLL[YOUTͧӨԖՅڀՐՆ࣏ ֧▁Жڭਥࣩ䍡aՅڀԙͤӃͧԮفسࡗق䍡2GSOTGX,RGSKRKZ澞 ( ) j j j j x Z D x x Z u t Z dt dP x C C T D x x T u t T P P T j j j j 1 ( ) k j k j j k j k x Y D x x Y u t Y ( ) Ҝ੦ 2KQ#šŧ)6*1# ܰӱݱस͵ ͵ݤӢࢢ՟ ͵सݱڅࡴ ঐӢݱस͵ ࠭՟ࢢӢݱݤसͧՔјڰӢ١͵@#@^^^Z ( j j j x x j Z u x x Z u x x T uj ( D x x u D