复习：预混火焰Vs.扩散火焰 预混火焰y,Y。>0 Vy,7y。<0扩散火焰 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cm 3 复习：预混燃烧的类型 ■均质着火(homogeneous ignition,explosion):高温 高压时H/0混合物的着火过程，空间均匀分布，不存在燃 烧波的传播。 c开=24斯)华 p mal liguid bat ■缓燃波(deflagration)/火焰：亚声速，扩散控制 H Explosion limit mC.)-4.0 m dx dx ■爆轰波(detonation):超声速，激波与化学反应耦合 0000 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(a@pku.edu.cn)4
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT 䍡ݢ۞Y \䍡ஓ͵Эו ஓ䍡 YF YO 0 YF YO 0 ۞ݢ䍡 Fuel O2 Fuel O2 T T 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT וЭ͵ஓ䏝ࣩ६ֹ ֭ઔअ䍡ͣNUSUMKTKU[YOMTOZOUTͧK^VRUYOUTͤ͵ளࡴ ளԸݿ.5՟ࣩࢢअ䍡सͧी֭ԓӢ١ͧЈ֧ 䏝ࣩࡇѭݏ澞 নࡇJKLRGMXGZOUT䍡͵нב۞uૻݢܰӱ 凥՟ڀՅЉԖࡇࢍuૻבબ͵JKZUTGZOUTࡇ怭 k k Wk dt dY N k P hkWk k dt dT C ( ) F F F F dx dY D dx d dx dY m P qF F dx dT dx d dx dT mC ( ) F F F F dx dY D dx d dx dY m P qF F dx dT dx d dx dT mC ( ) H2/O2 Explosion limit ӱܰݢ۞uૻבн k k k dt F F d d D dx d dx m dYF D
复习：均质着火Vs.火焰 均质着火 火焰 h0.01 CH. 10 OH CH, HO. OH T 0.025 1000 0.05 0.075 0.8085091 1057 Time (s) x (cm ■着火过程中，自由基通过链起始反应CH4+O2=CHHO2生成 ■火焰中则可以忽略链起始反应，自由基从反应区扩散出去 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn) 5 复习：爆轰波 ■缓燃波(deflagration):亚声速，扩散控制 ■爆轰波(detonation):超声速，激波与化学反应耦合 左火 连续旋转爆轰发动机 00 Lehr,1992 1969 (Don Ferguson et al.) 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(a@pku.edu.cm)6
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT וЭ͵֭ઔअ䍡 \Y䍡 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 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 अ䍡सЗͧ১࣒ૹׁફՅڀCH4+O2=CH3+HO2ۉ࣏ 䍡ЗӨՔјࣛھફՅڀu১ׁ࣒ёՅڀԙ۞ݢӞԽ ֭ઔअ䍡 䍡 50 100 150 200 2E+09 4E+09 Temperature (K) 1500 2000 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ࡇ怭͵Эו নࡇJKLRGMXGZOUT͵нב۞uૻݢܰӱ 凥՟ڀՅЉԖࡇࢍuૻבબ͵JKZUTGZOUTࡇ怭 Law, 2006 Lehr, 1992 Bach et al., 1969 Lee et al., 1972 shock shock flame ( Don Ferguson et al.) 怭Նԇૃݵড ԙڀՅ ࡇࢍ shock flame
复习：火焰结构 ■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 侧的散和化学反应。 Y=0 ■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）。 :非稳态项+对流 K=0 。在火焰画处 -6 和V不连续 89 ■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()：非稳态项+对流项=扩散项 后由 在火焰面处T Y、dT/dx和 dY/d均连续， Y=0 6 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn)） 复习：火焰厚度 化学反应区 m=pu=p.SL=PS 预热区 平街区 mc,买+ ■在预热区，只考虑对流和扩散，不考虑化学反应项 假设：pD=-const,-const,C,c0ast个 D =Le c-盟→c,-→= 6 6 PCS S ·义：及-名→云公→名货→气 dx 的燃料对应的焓相平衡。 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn)g
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ߄গ䍡͵Эו 䍡ऀҀފ▁ЖӢ୫ޭஓࠩѼ ո䏝уࣩࣙࢢuЈিਨҾٗГ 澞ڀՅոԖݢ۞ࣩҊ গ߄GНݱۿࠍस͵ஂऻ㓆ࡗت :ד䍡֧澞ڀոՅݢ۞ݸu# ո?ЈডͶ uݢ۞#ࡗت㓆͵ஂऻH߄গ uࣩডފ?ո:ד䍡֧澞ڀՅݸ ѷJ:J^ոJ?J^ЈডͶ ݢ۞#ࡗت㓆͵ஂऻI߄গ Յڀ澞֧䍡ד:澝?澝J:J^ո J?J^֭ড澞 ՅڀԙڭਥͧԻڅѶНͧՔј 䏣ଞݚ䏝ଚݪࡼЖ䏣▁ފҀऀ 澞ݪৃࡤ䏝ոઔ ࡗت :ד䍡 Քј 䏣ଞݚ 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT څԻ䍡͵Эו Ś8 :[ :H ?[ ஓ䏣ԙ ԖՅڀԙ ԙٴ ů Ś3 Ś: dx dY D dx d dx dY m q dx dT dx d dx dT mCP dx dY D dx d dx dY m 2 M M Y D Y m L M S D ( ) dx dT dx d dx dT mCP 2 T b u T b u P T T T T mC P L L T C S S Le M D T M D T T M D ֧ஓ䏣ԙͧՐিਨࡗتո۞ݢuЈিਨԖՅڀ Ҝ੦͵D=constͧ=constͧCP=const ͵Тڿࣂࢢ m u u SL bSb ৃࡤ䏣Љۉ࣏ڀՅԖԮ dx ࣩڀتݪࣩ䐉ٴࣼ澞 dY D dx dT ~ :[ 2 Y D ڀՅЈিਨԖ =const
复习：层流火焰速度 ■层流火焰速度：S,(标量) S定义：一维平面预混火焰的火焰面相 对于来流未燃预混气体的速度。 ■火焰传播速度：S(佚量) ·流场速度：业（失量） S,=(S-04 口为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量 来流预混 火焰位置 未燃气 S,=U,- dt ■相对于未燃预混气体的层流火焰速度： S,=U-dxI dt=S ■相对于燃烧产物的层流火焰速度 S。=U。-dcr/dt 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈证(z@pku.edu.cn) 复习：Mallard and Le Chatelier理论（热理论） ■火焰温度为绝热燃烧温度：T,=T。=T。+qY/Cp 反应区 ■T为着火温度，即化学反应只发生在T下>T时。 ■质量流量：m=pu=pS,=pbWb(等截面一维流动)。 预热☒ 平街区 ■根据能量守恒定律，预热区吸收的热量来自于反应区 热传导输送过来的热量，即： mC,=T6.→SpCT7s mC+ ·根据质量守恒定律，反应区燃料清耗晶等于来流中燃料质量，即：“妥·{心，华}。， mYF=0roR 68=p.S YE10 ■联列上述两个方程，消去反应区厚度后得： A(T-T)@p 2 S-D.CT-T)DY a= P.Cr P.SL-\Cr ■对于n级化学反应，其反应速率正比于压力的n次方。因此有S,~Pm21。通常反应 级数满足1<n<2,即2-1<0。因此，随着压力上升，层流火焰速度下降，但质量 流量m=p.S,随着压力升高而上升。 4
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT څૻ䍡ࡗق͵Эו ଞߗ92͵څૻ䍡ࡗق 䍡ѭݏૻڅ͵9 ऌଞ ࡗૻ֪څ ;͵ऌଞ S L (S U) n զଞࡄԤѸࣩѼࠩޭզஓܗН䍡 T Uu Ub xf dt dx S U f L u Ѹ䍡 ஓࡗ ࠩޭ u u f SL S U dx / dt S U dx dt b b f / 92ؓТ͵▁ঢٴஓ䍡ࣩ䍡ࣼ 澞څૻࣩѼࠩஓޭࡗиت ͵څૻ䍡ࡗقࣩѼࠩஓޭиتࣼ ͵څૻ䍡ࡗقࣩࢢ䏝уиتࣼ 92 9H 䏝 ࢢу T Н䍡 Ub 䏝 ࢢу 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT וЭ͵ 3GRRGXJGTJ2K)NGZKROKXࣂ 䏣ࣂ :H :O :[ ஓ䏣ԙ Յڀԙ Ś8 ԙٴ P i u b i R mC (T -T ) (T -T )/ u P i u R b i L C T -T T -T S ( ) ( ) mYF u F R , R u SLYF u F / , u F u F u F u P i u b i L C T -T Y T -T S ~ ( ) ( ) , uCP F P u L C S ~ 䍡څࡴНজ䏣䏝څࡴ͵Tf = Tb= Tu +qYu /CP Ti Нअ䍡څࡴԮuԖՅڀՐՆ࣏ ֧T>Ti ݿ澞 ઔଞࡗଞ͵m=u=uSL=bub (ॗۍ▁ঢࡗԇ)澞 ԙڀ১иՅ䏣ଞࣩݗ⩍ஓ䏣ԙͧڮؓ㔗؋ৗଞܨߠ 䏣ѭج૮ࣩ䏣ଞͧԮ͵ ܨߠઔଞ؋㔗ؓڮuՅڀԙࡤݪৃଞॗиࡗЗݪઔଞͧԮ͵ ͵ڰդڅԙԻڀԽՅࡤuसݱӦІ૩ГЖ تиnঃԖՅڀuҾՅڀૻࠔࢴࠢиԸԂࣩnݱࠊ澞֛ޥࠕSL~Pn/2-1澞ૹٮՅڀ ঃࢁݤર1<n<2ͧԮn/2-1<0澞֛ࠕu୩अԸԂІԞͧࡗق䍡ૻڅЇୠͧѷઔଞ ࡗଞm=uSL୩अԸԂԞளুІԞ澞 F F F F dx dY D dx d dx dY m P qF F dx dT dx d dx dT mC ( ) R SLYF u P i b L CP S i T - ( b T -T ( / ڀ১иՅ䏣ଞࣩݗ ࡤݪৃଞॗиࡗЗ
复习：Theory of Zeldovich,Frank-Kamenetskii&Semend Zone I(convection and diffusion dominate): Assume:Le=1 dT_mCT+const Zone I←T → dT mCr(T-T.) Zone II(reaction and diffusion dominate): 0=+,4→-20 dx' dx dx d dT → 29 ordT "受回)-头。，r 2人p42eptR2} E m=p.S= Ze- @- m=p.S=32 C 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(cz@pku.edu.cn)11 复习：预混平面火焰渐近理论分析 化学反应区 下游处的匹配 预热区 平衡区 limT(=limT(x) 如a(传⑤=in( lim dTdg=limdT'/dx imdYlimdY ld Le) 上游预热区(x<O) 内部反应区：引入坐标变换=x/E 下游平衡区(x>0): Tm(5)=8-8,(5) T*(x)=T, d've Ym(⑤)=A+(传) (x)=0 T(x)=T6(x)+I(x) 得=0 d YF(x)=YFu(x)+eYF(x) 《燃烧学基础》6，层流预混火焰 陈正(z@pku.edu.cn)12
澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT וЭ͵Theory of Zeldovich, Frank-Kamenetskii & Semenov Assume: Le = 1 0 r Tb Ti Zone I II x 0 x 0 dx dT dx dT 2 2 dx d T dx dT mCP T const mC dx dT P ( ) 0 i u P x T T mC dx dT Zone I (convection and diffusion dominate): F qF dx d T 2 2 0 dx q dT dx dT dx d F F 2 ( ) 2 b i T T F F x dT q dx dT 2 0 Zone II (reaction and diffusion dominate): b i T T F F i u P dT q T T mC 2 ( ) 1/ 2 2 0 0 exp( ) 1 2 P b u u R T E Ze A C m S b u T T F F b u P dT q T T mC 2 ( ) 1/ 2 2 0 0 2 exp( ) P b u u R T E Ze Le A C m S ( ) i u dx F qF dT 2 ) 2 Tb F F dT q 2 n dominate): 澦䏝ׁक澧 ͧࡗقஓ䍡 ୟࠔ I`&VQ[KJ[IT ߅Ӣࣂࡰ 䍡ٴஓ͵Эו Іࡶஓ䏣ԙ^"͵ 2 2 dx d T dx dT mCP 2 2 ( ) dx d Y D dx dY m F F F ( ) ( ) ( ) T x T0 x T1 x ( ) ( ) ( ) YF x YF 0 x YF1 x Їٴࡶԙ^$͵ T x Tb ( ) ( ) 0 YF x ӃՅڀԙ͵ڕҴְߗՉܦ Ť#^ś ( ) ( ) Tin 0 1 ( ) ( ) YF ,in 0 1 F qF d d 2 1 2 F F d d D 2 1 2 ( ) ЇࣩדࡶԘକ lim ( ) lim ( ) 0 T T x x in ! lim ( ) lim ( ) 0 Y , YF x x F in ! dT d dT dx x in lim / lim / 0 ! dY d dY dx F x F in lim / lim / 0 , ! R Tu Tb Yu ஓ䏣ԙ ԖՅڀԙ ԙٴ M T 1/ 2 2 0 0 2 exp( ) P b u u R T E Ze Le A C m S Յڀԙ͵ڕҴְߗՉ 0 m u Su