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燃烧速度

/combustion rate/
条目作者尧命发

尧命发

最后更新 2022-12-23
浏览 310
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单位时间内可燃物的消耗量。是表征化学反应过程快慢的参数。

英文名称
combustion rate
所属学科
工程热物理及动力工程

燃烧速度受温度、压力、当量比、燃料类型等因素影响。

燃烧可分为气相燃烧和固相燃烧。对于气相燃烧,按照反应物的混合状态不同,燃烧可以划分为预混燃烧和非预混(扩散)燃烧。预混燃烧和扩散燃烧本质上表示了反应物的混合状态不同。在预混燃烧中,燃料与氧化剂在有明显的化学反应之前达到在分子水平上的混合。而在扩散燃烧中,反应物开始是分开的,反应只发生在燃料与氧化剂的交界面上,在这一交界面上混合与反应同时发生。

对于预混燃烧和扩散燃烧,根据混合气运动状态不同,火焰传播方式均存在层流火焰传播和湍流火焰传播。

可燃混合气在静止或层流状态下,火焰前锋面在法线方向上相对于未燃混合气的移动速度称为层流火焰传播速度。层流火焰传播速度较低,一般米/秒。主要受混合气温度、浓度以及燃料特性等因素影响。

以温度为例,未燃混合气温度越高,火焰传播速度越快。对多种烃类燃料的实验结果表明,存在如下关系:


式中指数约为1.5~2.0。

本生灯是层流预混火焰的一个典型例子,如图1所示。管内向上流动中燃料与空气充分混合,而火焰的速度分布和向管壁的热量损失的共同作用决定了火焰的形状。由于火焰静止不动,火焰速度和未燃气流速度在火焰面法线方向的分量处处相等,则有:


式中为层流火焰速度,这一原则使得火焰呈圆锥形的特征。

图1 本生灯示意图和层流火焰传播速度与未燃气体流速关系示意图图1 本生灯示意图和层流火焰传播速度与未燃气体流速关系示意图

湍流对火焰传播有两方面的效果:一是由于微元气体的无规则脉动运动,加速了火焰前锋面内的传热传质过程和化学反应速度,使沿前锋面法向的火焰传播速度加大;二是微元气体脉动使火焰前锋面出现褶皱,表面积明显增大,按整个褶皱面积算出的混合气燃烧质量比层流大为增加。

图2所示给出了湍流强度与火焰前锋面形状的关系。雷诺数增大到一定程度(2300~6000)后进入湍流火焰传播,火焰前锋面变厚并出现皱褶。记湍流火焰传播速度为,这时成正比,较层流有明显增长。雷诺数进一步增大(大于6000)变为强湍流火焰,前锋面的皱褶发展成明显的凹凸不平和扭曲,且前锋面出现分裂,出现许多小的未燃混合气区域,这时成正比。

图2 湍流对火焰前锋面形状的影响图2 湍流对火焰前锋面形状的影响

层流射流火焰有助于理解扩散火焰。先考虑一种较为简单情况:在一个无限大的容器里充满了静止的流体(氧化剂),一股无反应的流体(燃料)喷入,这种情况下,可以理解层流射流中的基本流动和扩散过程。

根据一定的假设条件,运用质量守恒、轴向动量守恒和组分守恒方程以及一些边界条件,可以对上述问题进行求解。在扩散燃烧层流火焰中,中心线速度衰减以及中心线的质量分数与射流雷诺数、坐标位置等参数有关。

为湍流火焰建立数学模型十分复杂,因此考虑较为简单的湍流射流火焰。对于碳氢火焰来说,由于碳烟的存在,扩散火焰一般要比预混火焰明亮,扩散燃烧中的辐射传热也非常重要。

油滴的蒸发与燃烧也是扩散燃烧的重要部分,如发动机的喷雾燃烧过程。在单个油滴的蒸发与燃烧模型中,气流速度对液滴蒸发的影响。着火开始于混合气浓度合适的地方,在油滴周围形成火焰锋面。油滴的扩散燃烧速度取决于燃油蒸气和空气向火焰锋面的扩散速度,而油滴蒸发的时间与液滴直径和蒸发常数密切相关。

①扩散燃烧时,由于燃料与空气边混合边燃烧,因而燃烧速度取决于混合速度;而预混合燃烧时,因燃烧前已均匀混合,因而燃烧速度主要取决于化学反应速度,即取决于混合气温度和浓度(过量空气系数)。

②扩散燃烧时,为了保证燃烧完全,一般要求过量空气系数大于1.2,并且在过量空气系数大于7的条件下也能稳定燃烧(稀燃),而预混合燃烧时,一般过量空气系数介于0.8与1.2之间,可燃混合气浓度范围小,难以稀燃。

③扩散燃烧时,混合气浓度和燃烧温度的空间分布极不均匀,易产生局部高温缺氧现象,生成碳烟;而预混合燃烧时,由于混合均匀,一般不产生碳烟。

④扩散燃烧时,由于有碳烟生成,碳粒的燃烧会发出黄或白色的强烈辐射光,因此也称“有焰燃烧”;而预混合燃烧时,无碳粒燃烧问题,火焰呈均匀透明的蓝色,因此也称“无焰燃烧”。

⑤预混合燃烧由于燃前已形成可燃混合气,有回火的危险;而扩散燃烧一般无此危险。

  • 王建昕,帅石金,张俊智,等.汽车发动机原理.北京:清华大学出版社,2011.

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