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湍流预混气流中火焰的传播

(2018-08-29 17:58:17)

实验和理论都证实了在层流混气体中焰的传播速度只取决干可燃限合气流的物理化学性质,而且它们的数值般很小,例如在类燃料与空气的均匀混合气流中,火焰传播的最大速度为35 ~80cm/s(P=9.81x 104 Pat=27)。这样低速的层流火焰传播只能在气流速度比较小的层流预混气流中才能实现,例如在照明用的灯和小型加热器中。一般工业燃烧设备和热力发动机燃烧室往往需要很高的燃烧热容强度,而这只有当可燃预混气流作高速湍流流动时才能获得。

火焰在均匀湍流中传播的基本原理与在层流中一样,都是依靠已燃气体和未燃气体之间热量和质量交换所形成的化学反应区在空间的移动,不过此时气流的湍流特性对燃烧过程起着很大的影响。实验指出,在湍流中火焰传播速度较之在层流中要大好多倍。例如,在近代汽油机燃烧室中,火焰传播速度约为20 ~70m/s,而汽油/空气预混气流的层流火焰传播速度只有40 ~50cm/s,即使进气温度为200也不会超过1m/s

湍流火焰与层流火焰在外观上也有很大的区别。层流火焰的火焰前锋是光滑的,焰锋厚度很薄,火焰传播速度很小。但是当流速较高,混气成为流时,它的火焰有以下明显的特点:火焰长度缩短,焰锋变宽并有明显的噪音,焰锋不再是光滑的表面而是抖动的粗糙表面。

而工业燃烧装置中,燃烧总是发生在湍流流动中。因此湍流火焰是经常遇到的。层流火焰传播速度由混气的物理化学参数定。而流火焰传播速度则不仅与混气的物理化学参数有关,还与湍流的流动特性有关。在湍流火焰里,混气的燃烧速率明显增加,这是由下述一个或几个因共同起作用造成的:
(1)湍流流动使火焰变形,火焰表面积增加,因而增大了反应区;
(2)湍流加速了热量和活性中间产物的传播,使反应速率增加,即燃烧速率增加;
(3)湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合,缩短了混合时间,提高了燃烧速率。
湍流是流体微团的一种极不规则的运动,很像气体分子的热运动,不过它的单位不是分子,而是流体微团。微团的尺寸不是分子量级而是宏观尺寸量级。
   衡量湍流特性,常用湍流尺度l和湍流强度ε两个指标。湍流尺度表示在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸。而湍流强度ε=u'/u,它代表流体微团的平均脉动速度与气流速度之比。
实验指出,在湍流中火焰传播速度要比在层流中大得多,而且它不仅取决于可燃混合气的性质和组成,在很大程度上,它还强烈地受到气流的湍流程度的影响。随着雷诺数(或脉动分速或湍流强度)的增大,湍流火焰传播速度显著地增大。此外,随着燃绕器管径的增大,湍流火焰传播速度也增大,这是因为湍流度随着燃烧器管径而增大的缘故。

在湍流过程中,由于脉动的影响,火焰焰锋面不像在层流中那样光滑整齐,而是曲皱、闪动,同时在燃烧过程中出现噪音。

  精确地确定湍流火焰传播速度是极其困难的,它要取决于很多因素,如气流特性、可燃混合气的性质与组成、测试技术等,并涉及研究者对湍流火焰所作的理论假设,因此目前有关湍流火焰传播机理的理论都带有很多人为的、假设的成分。

  目前用来解释湍流火焰传播速度所以增大的原因主要有以下两种不同的设想。第一种设想认为:湍流的脉动作用使层流火焰前锋面皱折与弯曲,显著地增大了已燃气体与未燃气体相接触的焰锋表面积,这样虽然在单位表面积上所燃烧的气体量不变(即仍维持原先层流火焰传播速度),但单位时间内燃烧的总气体量由于火焰前锋面积增大而成比例地增大,这样就提高了火焰传播的速度。第二种设想认为:湍流燃烧速度的增加是因为在湍流气流中热量和活化中心转移速率大大地高于层流中同类型的分子迁移速率,因而加速了火焰中化学反应,从而提高了实际的法向燃烧速度。

基于这两种不同的设想,就有两种不同类型的关于湍流火焰传播机理的理论。显然,这两种理论都是建立在推测和猜想的基础上的。这两种理论是皱折层流火焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。

  这两种理论目前还在发展着,至今还不能肯定哪一种理论和在怎样的范围内是比较正确的。因为在实际中,湍流火焰的宽度比层流火焰宽得多,在这比较宽的区域内目前尚无法确证其中究竟是充满着均匀分布的可燃混合气(容积理论)还是存在着不断变动和不断弯曲的层流火焰前锋(表面理论)。因此对湍流火焰传播机理尚未能获得明确一致的结论。 不过目前研究得较为完整且被广泛应用的是表面燃烧理论。

 

 

 

 

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