可燃气体燃烧.完整版PPT资料课件.ppt

第章可燃气体燃烧2可燃气体燃烧的形式可燃气体燃烧的形式l 扩散燃烧扩散燃烧l 预混燃烧预混燃烧燃气燃气氧气氧气燃气燃气+ 空空(氧氧)气气34.1 预混气中火焰的传播理论预混气中火焰的传播理论预混气中火焰的传播预混气中火焰的传播分为两种形式分为两种形式v缓燃（正常火焰传播）缓燃（正常火焰传播）v爆震（爆轰）爆震（爆轰）缓燃（正常火焰传播）缓燃（正常火焰传播）v火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播入反应区而引起化学反应，导致火焰传播v传播速度一般不大于传播速度一般不大于13m/s爆震（爆轰）爆震（爆轰）v火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波激波的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，从而使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，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进燃烧波不断向未燃混合气中推进v传播速度很高，常大于传播速度很高，常大于1000m/s，超音速超音速4l假定假定 v混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动 v忽略粘性力；忽略粘性力；v其燃烧前后的定压比热容其燃烧前后的定压比热容CP为常数；为常数；v与管壁无摩擦、无热交换与管壁无摩擦、无热交换 l燃烧波的传播速度燃烧波的传播速度 = 流速流速u图图4-1 燃烧过程示意图燃烧过程示意图-火焰驻定火焰驻定Pp,upp,hpTp,u,hT燃燃烧烧区区 一维定常流动的平面波一维定常流动的平面波-火焰驻定火焰驻定5 连续方程：连续方程：（质量平衡）（质量平衡） 动量方程：动量方程： 常数常数 能量方程：能量方程： 常数常数 状态方程：状态方程： 或或常数常数 6 热量（焓）方程：热量（焓）方程： Pp,upp,hpTp,u,hT燃燃烧烧区区 代入能量方程可得：代入能量方程可得： 7 连续方程：连续方程：（质量平衡）（质量平衡） 动量方程：动量方程： 8 瑞利（瑞利（Rayleigh）直线）直线 横坐标：横坐标： 1/P 纵坐标：纵坐标： pP 斜率：斜率：-m2瑞利（瑞利（Rayleigh）方程）方程p1/（p ，1/） 瑞利方程反应了瑞利方程反应了在给定的初态在给定的初态 （p ，） 条件下，终态条件下，终态 （pp ，p） 应满足的关系。

应满足的关系9能量方程：能量方程：10前式结论代入可得：前式结论代入可得：整理可得：整理可得：11休贡纽（休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）方程（雨果尼特） 休贡纽方程曲线休贡纽方程曲线 横坐标：横坐标： 1/P 纵坐标：纵坐标： pPp1/休贡纽（休贡纽（Hugoniot）方程（雨果尼特）方程（雨果尼特）休贡纽方程反应了在给定初态休贡纽方程反应了在给定初态 p 、 及反应热及反应热Q的条件下，的条件下，终态终态pp 、p的关系的关系12其中其中 M 为马赫数为马赫数 此外，由瑞利方程此外，由瑞利方程还可得：还可得：结合声速公式：结合声速公式：13(p, 1/)图图4-2 燃烧的状态图燃烧的状态图pA休贡纽曲线休贡纽曲线瑞利曲线瑞利曲线（）Q1Q2Q2 Q1BDECF上上C-J点点下下C-J点点（）（）GH（）1/A14 讨论：讨论： v（p，1/）是初态）是初态v通过（通过（p，1/）点，将平面分成四个区域点，将平面分成四个区域过程的终态只能发过程的终态只能发生在生在、区区，不可能发生在不可能发生在、区区v交点交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态等是可能的终态v区域（区域（）是爆震区）是爆震区，而，而区域（区域（）是缓燃区）是缓燃区。

v区域（区域（），），1/P p，即经过，即经过燃烧后气体压力增加燃烧后气体压力增加、燃燃烧后气体密度增加烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播燃烧以超音速传播（M1） v区域（区域（），），1/P1/，pP p，即经过，即经过燃烧后气体压力减小燃烧后气体压力减小或接近不变或接近不变、气体密度减小气体密度减小、燃烧以亚音速燃烧以亚音速进行（进行（M1）150.060.251.42.6P/416821TP/T0.980.9761355PP/P460.40.7uP/u0.00010.03510u/a正常火焰正常火焰传传播播爆爆轰轰常常见见的比的比值值大小大小比比值值气体中爆轰和正常火焰传播间定性差别气体中爆轰和正常火焰传播间定性差别 16v瑞利与休贡纽曲线分别相切于B、G两点B点称为上恰普曼-乔给特（Chapman-Jouguet）点，简称C-J点，具有终点B的波称为C-J爆震波AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震vEG段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波大多数的燃烧过程是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义的将是EG段的弱缓燃波，而且是M0v当Q0时，则休贡纽曲线通过初态（p，1/）点，这就是普通的气体力学激波。

174.2 层流火焰传播速度及其传播机理层流火焰传播速度及其传播机理l火焰传播速度的定义火焰传播速度的定义v火焰前沿（前锋、波前）火焰前沿（前锋、波前） 一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿（锋面）火焰前沿（锋面）实验证明实验证明，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至百分之几毫米，分析问题中可将其看作一百分之几毫米，分析问题中可将其看作一 “几何面几何面” （锋面）（锋面）18l火焰锋面的特点火焰锋面的特点v火焰前沿可分为两部分：火焰前沿可分为两部分： 预热区预热区 和和 化学反应区化学反应区v火焰前沿存在强烈的火焰前沿存在强烈的 导热导热 和和 物质扩散物质扩散19图图4-3 稳定的平面火焰锋面结构稳定的平面火焰锋面结构（火焰焰锋宽度）（火焰焰锋宽度）PCSLT CCC0TT0ooaaT=f1（x）C=f2（x）W=f3（x）活化中心活化中心W新新鲜鲜混混合合气气已已燃燃气气体体x火焰前锋的宽度极火焰前锋的宽度极小，但出现极大的小，但出现极大的温度梯度温度梯度dT/dx和和浓度梯度浓度梯度dC/dx，因而火焰中有强烈因而火焰中有强烈的热流和扩散流的热流和扩散流 热流的方向从高温热流的方向从高温火焰向低温新鲜混火焰向低温新鲜混合气，而扩散流的合气，而扩散流的方向则从高浓度向方向则从高浓度向低浓度，新鲜混合低浓度，新鲜混合气的分子、燃烧产气的分子、燃烧产物分子、游离基均物分子、游离基均扩散扩散 反反应应区区预预热热区区20v火焰位移速度火焰位移速度 及及 火焰法向传播速度火焰法向传播速度火焰位移速度火焰位移速度 是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。

位移速度为：的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体位移速度为：火焰法向传播速度火焰法向传播速度 是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度其法线方向上的速度 火焰法向传播速度火焰法向传播速度 S1 为为 当气流速度当气流速度 wn0 时，时，S1u，这时所观察到的火焰移动的，这时所观察到的火焰移动的速度就是火焰传播速度速度就是火焰传播速度 wn 为为 气流速度气流速度 w 在火焰锋面法向上的分量在火焰锋面法向上的分量21v 火焰传播机理火焰传播机理火焰传播的热理论：火焰传播的热理论： 火焰能在混合气体中传播是由于火焰中化学放出的热量传播到新火焰能在混合气体中传播是由于火焰中化学放出的热量传播到新鲜冷混合气体，使得混合气体温度升高，化学反应加速的结果鲜冷混合气体，使得混合气体温度升高，化学反应加速的结果 火焰传播的扩散理论火焰传播的扩散理论 扩散理论认为，凡是燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混合气体扩散理论认为，凡是燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混合气体中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混合气体中扩散，使得新中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混合气体中扩散，使得新鲜冷混合气体发生链式反应的结果。

鲜冷混合气体发生链式反应的结果 （本节主要讨论火焰传播的热理论）（本节主要讨论火焰传播的热理论）22层流火焰传播速度层流火焰传播速度马兰特简化分析马兰特简化分析l 物理模型物理模型l 马兰特简化分析的基本思想马兰特简化分析的基本思想：若由若由区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰，则火焰就能保持温度的传播就能保持温度的传播CTmTiTx图图4-4 火焰前沿中的温度分布火焰前沿中的温度分布（）预热区）预热区（）反应区）反应区23设反应区设反应区II中温度分布为线性分布：中温度分布为线性分布： 热平衡方程式为：热平衡方程式为： 因为：因为： 或者：或者： 式中：式中： 所以：所以： （导温系数）（导温系数）24该式表明：该式表明：层流火焰传播速度层流火焰传播速度 Sl 与导温系数与导温系数 a 及化学反应速度及化学反应速度 Ws 的平方根成正比的平方根成正比则：则： 代入上式可得：代入上式可得： 又：又： 所以：所以： 设：设： 为为化学反应时间化学反应时间， 为为初始质量浓度初始质量浓度， 为为初始相对浓度初始相对浓度 为为反应速率反应速率 25l对于二级反应，对于二级反应，火焰传播速度火焰传播速度 Sl 将与压力无关将与压力无关。

l大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近 2 ，因此火焰传播，因此火焰传播速度速度 Sl 与压力关系不大，实验也证明了这个结论与压力关系不大，实验也证明了这个结论l应该指出：该理论尚不完善，例如未燃混合气体的初始温度应该指出：该理论尚不完善，例如未燃混合气体的初始温度 T 就就等于着火温度等于着火温度 Ti 的话，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的话，则火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的根据根据 关系可得：关系可得： 26影响燃烧速度的因素影响燃烧速度的因素l燃料燃料/氧化剂比值的影响氧化剂比值的影响 l燃料结构的影响燃料结构的影响 l压力的影响压力的影响 l混合物初始温度的影响混合物初始温度的影响 l火焰温度的影响火焰温度的影响 l惰性添加剂的影响惰性添加剂的影响 l活性添加剂的影响活性添加剂的影响 27图图4-5混合物成分对燃烧速度的影响混合物成分对燃烧速度的影响图图4-6燃料百分数对燃烧速度的影响燃料百分数对燃烧速度的影响环己烷环己烷024681012102030405060乙烷乙烷乙醚乙醚苯苯戊戊烷烷丙稀丙稀丙酮丙酮甲烷甲烷乙烯乙烯二硫化碳二硫化碳空气中燃料体积分数空气中燃料体积分数u0/cm.s-1l（1）燃料）燃料/氧化剂比值的影响氧化剂比值的影响u0/cm.s-1020406080 1004080120160200240280CO/O2H2/air燃料体积分数燃料体积分数28l实验研究发现：可燃气与空气的存在一个实验研究发现：可燃气与空气的存在一个最佳的比值最佳的比值，在此最佳，在此最佳比值的条件下，火焰传播速度最快，否则会下降。

比值的条件下，火焰传播速度最快，否则会下降l理论上这个比值为理论上这个比值为 “ “化学当量比化学当量比”，即空气过量系数，即空气过量系数=1 =1 但但实际情况时并非等于实际情况时并非等于 1 1，而是有所差别而是有所差别l火焰传播速度存在一个火焰传播速度存在一个浓度极限浓度极限的问题，混合气体中如果可燃气的问题，混合气体中如果可燃气体太少或太多，火焰均不能燃烧，可燃气体只有在一。