《燃烧理论基础》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 燃烧理论基础燃烧理论基础主要内容主要内容活化分子碰撞理论活化分子碰撞理论活化络合物的过渡态理论活化络合物的过渡态理论链锁反应理论链锁反应理论射流特性及其混合过程射流特性及其混合过程化学反应过程化学平衡化学平衡化学平衡aA+bB cC+dD化合物的反化合物的反应应速度速度单单位位时间时间内由于化学反内由于化学反应应而使反而使反应应物物质质（或（或产产物）的物）的浓浓度改度改变变的速率的速率平均速度瞬时速度mol/m3.s化合物的反化合物的反应应速度速度系系统统的反的反应应速度速度质量作用定律质量作用定律对于单相化学反应，在温度不变的条件下，瞬间的化学反对于单相化学反应，在温度不变的

2、条件下，瞬间的化学反应速度与该瞬间参加反应的反应物浓度的幂次方的乘积成应速度与该瞬间参加反应的反应物浓度的幂次方的乘积成正比，各反应物浓度的方次为该反应物的化学计量系数正比，各反应物浓度的方次为该反应物的化学计量系数反应平衡常数反应平衡常数注意注意反应平衡常数只是温度的函数反应平衡常数只是温度的函数反应平衡常数的计算公式只适用于反应平衡常数的计算公式只适用于基元反应基元反应质量作用定律只适用于质量作用定律只适用于基元反应基元反应燃烧的反应速度及反应级数燃烧的反应速度及反应级数基元反基元反应应中，各反中，各反应应物的化学物的化学计计量系数的和即量系数的和即为为反反应应的的级级数数燃燃烧烧反反应为

3、应为复复杂杂反反应应，反，反应级应级数需数需实验实验确定确定一般碳一般碳氢氢化学物的燃化学物的燃烧烧反反应级应级数数为为1.72.2阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律注意：适用于基元反应注意：适用于基元反应建立在活化分子碰撞理论上建立在活化分子碰撞理论上反映了温度对反应速度的影响反映了温度对反应速度的影响活化分子碰撞理论活化分子碰撞理论阿累尼乌斯定律的局限性阿累尼乌斯定律的局限性L只是描述了只是描述了过过程的始末，没有涉及其所程的始末，没有涉及其所经历经历的的过过程，燃程，燃烧烧和爆炸是一步完成的。和爆炸是一步完成的。L仅仅适用于一些燃适用于一些燃烧烧随着反随着反应应温度的升高而急遽增温度的升高而急

4、遽增高的的情况。高的的情况。L对对于于许许多反多反应应、燃、燃烧现烧现象无法解象无法解释释，有其局限性，有其局限性活化络合物的过渡态理论活化络合物的过渡态理论该该理理论论假假设设在所有的反在所有的反应应中都存在着反中都存在着反应应物的一物的一种中种中间间活化活化络络合合态态。活化活化络络合物是反合物是反应应物的一种瞬物的一种瞬变变状状态态，可自，可自发发地地以一定常速度分解成以一定常速度分解成产产物物H H H H HH +I I I I II 反应物反应物 活化络合物活化络合物 反应产物反应产物链锁链锁反反应应理理论论几乎所有的燃几乎所有的燃烧烧反反应应都不是都不是简单简单地服从地服从质质量

5、作用量作用定律和定律和Arrhenius定律，因定律，因为为燃燃烧烧反反应应的的许许多特点多特点都无法用都无法用简单简单的反的反应应机理来解机理来解释释。如：。如：a.经过经过一个感一个感应应期后达到极高的反期后达到极高的反应应速度速度 例如例如氢氢的燃的燃烧烧反反应应 2H2+O2=2H2Ob.冷焰冷焰现现象象 有些燃有些燃烧烧反反应应不需要不需要预热预热，在很低的温度，在很低的温度下即可出下即可出现现火焰。例如，磷及乙火焰。例如，磷及乙醚醚蒸气的氧化所出蒸气的氧化所出现现的冷焰，在未达到正常着火的低温下其反的冷焰，在未达到正常着火的低温下其反应应速度已速度已经经很高了；很高了；c.催化作用

6、催化作用 例如例如CO的燃的燃烧烧反反应应，加少量的水蒸汽能加，加少量的水蒸汽能加快反快反应应的的进进行。行。链锁反应链锁反应定定义义整个反整个反应应由若干相由若干相继发继发生或平行生或平行发发生的基元反生的基元反应组应组成成每一次基元反每一次基元反应应又会又会产产生活化中心，且促使反生活化中心，且促使反应应能能够够继续发继续发展展反反应过应过程如同程如同链环链环一一样样，紧紧密密联联系在一起，因而称之系在一起，因而称之为链锁为链锁反反应应特点特点反反应应速度一般速度一般较较快快每一个基元反每一个基元反应应都可能影响整体反都可能影响整体反应应速度速度反反应过应过程中程中产产生大量活化中心（自由

7、生大量活化中心（自由态态原子、自由基、原子、自由基、离子）离子）链锁反应链锁反应链锁链锁反反应历应历程：程：链的引发链的引发-由反应物分子生成自由基的反应由反应物分子生成自由基的反应链的传递链的传递-自由基与分子相互作用产生新的自由基与分子相互作用产生新的自由基的交替过程自由基的交替过程链的中断链的中断-当自由基被消除时链就中止。销当自由基被消除时链就中止。销毁方式：气相销毁和器壁销毁毁方式：气相销毁和器壁销毁链锁反应分类链锁反应分类直直链链反反应应支支链链反反应应（分枝（分枝链链反反应应）每一步只产生一个活化中心，每一步只产生一个活化中心，反应活化中心不增殖反应活化中心不增殖每消耗一个自由基

8、就产生一个以上新的自由基，每消耗一个自由基就产生一个以上新的自由基，反反应活化中心不断增殖应活化中心不断增殖直链反应直链反应由于由于链链中断随中断随时时可能可能发发生，因此生，因此直直链链反反应应的反的反应应速度很有限速度很有限分枝链反应分枝链反应氢氧燃烧反应机理氢氧燃烧反应机理（链传递（链传递及支化）及支化）总反应总反应 :（1 1）（链引发）（链引发）（2 2）（3 3）（4 4）分枝链反应分枝链反应烃类烃类化合物的燃化合物的燃烧烧属于分枝属于分枝链链反反应应有感有感应应期，期，感感应应期比期比较长较长表表现现出明出明显显的的阶阶段性，即在段性，即在着火前常出着火前常出现现冷焰冷焰与着火与

9、着火时时的的热热焰比焰比较较，温度，温度较较低，低，辉辉光光较较弱，弱，产产生生的的热热量很少，量很少，这这种种现现象是象是烃类烃类气相氧化的特征之一，气相氧化的特征之一，称称为为焰前反焰前反应应射流特性及其混合射流特性及其混合过过程程实际实际意意义义 射射流流是是大大多多数数工工程程燃燃烧烧混混合合的的主主要要方方式式：除除固固体体燃燃料料有有时时以以块块状状进进行行燃燃烧烧外外，其其它它燃燃料料和和氧氧化化剂剂都是以射流形式送入燃都是以射流形式送入燃烧烧空空间间的。的。物物理理因因素素在在整整个个燃燃烧烧过过程程起起着着更更为为重重要要的的作作用用例如有焰燃例如有焰燃烧烧。1、平面自由射流

10、、平面自由射流定定义义气流由气流由喷喷口射入充口射入充满满静止空气且不受静止空气且不受约约束束空空间时间时的流的流动动称称为为自由射流自由射流自由射流的特点自由射流的特点 射射流流气气体体离离开开喷喷口口以以后后，因因与与外外围围流流体体之之间间有有速速度度差差，且且有有粘粘性性，故故产产生生紊紊流流漩漩涡涡层层，与与外外围围流流体体进进行行动动量量和和质质量量交交换换，导导致致各各流流动动截截面面上上的的速速度度、浓浓度度分分布布特特征征发发生生变变化化。根根据据这这些些特特征征，沿沿射射流流的的前前进进方方向向，可可将射流分将射流分为为初始段初始段，过过渡段渡段和和充分充分发发展段展段自由

11、射流结构自由射流结构ABC内内为势为势流核心，各点速度保持出口速度不流核心，各点速度保持出口速度不变变，长长度度约约为喷为喷口直径的口直径的45倍倍过过渡段渡段长长度度约为喷约为喷口直径的口直径的10倍倍势势流流核核心心扩扩展展角角射射流流边边界界射流结构射流结构扩扩展角展角轴线轴线上的上的轴轴向速度衰减向速度衰减只与相只与相对对距离距离x/R0有关有关截面上速度的径向分布截面上速度的径向分布a为为湍流系数，湍流系数，圆圆形形喷喷口口约为约为0.070.76射流卷吸及卷吸率射流卷吸及卷吸率射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周围介质产生动量

12、交换，带动周围介质运动，使围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的射流的质量沿流向逐渐增加质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的，这种现象称为射流的卷吸卷吸或或引引射射。有射流必有引射有射流必有引射自由射流对周围气体的卷吸能力可用自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率卷吸率表示表示其中其中me e-为卷吸量；为卷吸量；mx-为为x截面处射流的总质量流量；截面处射流的总质量流量；m0-为射流的初始质量流量。为射流的初始质量流量。同一射流中，随着与喷口距离同一射流中，随着与喷口距离x的增加，卷吸率的增加，卷吸率是增大、减小还是保持不变？是增大、减小还是保持不变？2、同向平行流中的射流、同向平

13、行流中的射流定定义义单单股射流射入与其同向平行流股射流射入与其同向平行流动动的主气流中的主气流中射流的射流的扩扩展、展、轴轴心速度的衰减和射流核的心速度的衰减和射流核的长长度主要与度主要与射流流体和射流流体和环环境流体之境流体之间间的速度梯度有关的速度梯度有关 射射流流与与外外流流间间的的速速度度梯梯度度越越大大，混混合合速速度度就就快快；相相反反，混混合合减减缓缓，射射流流张张角角、速速度度及及浓浓度度沿沿轴轴向向的的变变化化率率随随之之减减小小，势势核核长长度度越越大大，当当速速度度梯梯度度为为0 0时时，势势核核贯贯穿穿整整个流场。个流场。射流特性的影响因素射流特性的影响因素（1 1）流

14、速比）流速比当当由由0或或2.13趋趋向向1时时，射射流流核核越越来来越越大大，轴轴心心速速度度衰衰减变慢减变慢当射流的密度小于周围气流的密度时，射流的当射流的密度小于周围气流的密度时，射流的衰减速度将加快衰减速度将加快（2）密度（）密度（0s）3、多股平行射流、多股平行射流定定义义由多个平行排列的由多个平行排列的喷喷口同向口同向喷喷出射流而形成的平行射出射流而形成的平行射流流组组多股平行射流比自由射流的多股平行射流比自由射流的边边界界层层增厚更快增厚更快射流之射流之间间形成形成较为较为强强烈的旋烈的旋涡涡区，使多股平行射流的区，使多股平行射流的湍流脉湍流脉动动比自由射流大，而比自由射流大，而

15、边边界界层层的增厚主要与横向的增厚主要与横向脉脉动动速度成正比速度成正比4、交叉射流、交叉射流定定义义两股射流以某一角度交叉两股射流以某一角度交叉喷喷出形成的射流出形成的射流汇合点之前存在回流区汇合点之前存在回流区，大小与喷口间距和射流，大小与喷口间距和射流交角有关交角有关速度衰减规律速度衰减规律汇汇合前，射流速度逐合前，射流速度逐渐渐降低降低汇汇合点附近，由于射流的合点附近，由于射流的汇汇合使得速度有所增合使得速度有所增大大汇汇合点之后不合点之后不远处远处速度又开始衰减，衰减速度又开始衰减，衰减规规律律与平面平行自由射流相似与平面平行自由射流相似实际中常见的交叉射流形式实际中常见的交叉射流形

16、式为为了混合良好，需保持二次了混合良好，需保持二次风风以以较较高的速度射入高的速度射入燃料气流，否燃料气流，否则则二次二次风风很快被主气流很快被主气流“同化同化”，二，二次次风风穿透深度不足，穿透深度不足，导导致混合不充分致混合不充分二次二次风风的温度升高，的温度升高，穿透深度穿透深度变变小小5、环形射流和同轴射流、环形射流和同轴射流流流场结场结构构完全完全发发展区展区距离距离喷喷口口约约810倍倍喷喷口直径的区域口直径的区域与与圆圆形自由射流形自由射流类类似似喷喷口附近口附近有回流区存在有回流区存在回流区一般用于改善火焰回流区一般用于改善火焰的稳定性。的稳定性。6、旋转射流、旋转射流定定义义

17、射射流流在在离离开开喷喷嘴嘴前前先先强强迫迫流流体体作作旋旋转转运运动动，从从喷喷嘴嘴喷喷出出后边旋转边向前运动，这就是后边旋转边向前运动，这就是旋转射流旋转射流，简称，简称旋流旋流。强强旋旋流流中中具具有有很很强强的的回回流流，可可使使大大量量高高温温烟烟气气回回流流至至火火焰焰根根部部，保保证证燃燃料料及及时时、顺顺利利地地着着火火和稳定燃烧和稳定燃烧相关概念相关概念自由旋涡自由旋涡：靠流体内部的位：靠流体内部的位能变化（静压或水位差）而能变化（静压或水位差）而运动，所以叫运动，所以叫“位流旋涡位流旋涡”。这种旋涡的回旋运动这种旋涡的回旋运动并非由并非由外加扭矩所引起外加扭矩所引起，若忽略

18、摩，若忽略摩擦损耗，则不同半径上流体擦损耗，则不同半径上流体微团的动量矩应当守恒，故微团的动量矩应当守恒，故又叫又叫“自由旋涡自由旋涡”常数常数自由漩涡的切向速度自由漩涡的切向速度wq q与半径与半径r成反比成反比固固体体旋旋涡涡：流流体体绕绕中中心心按按固固体体旋旋转转规规律律旋旋转转的的旋旋涡涡，又叫强制旋涡。表达式为：又叫强制旋涡。表达式为：旋流强度及旋流数旋流强度及旋流数轴轴向向动动量量Mx及及角角动动量量Gq q都都是是旋旋转转射射流流的的动动力力特特性性参参数数，由由它它们们组组成成的的无无量量纲纲数数s s来来反反映映旋旋转转射射流流的的旋旋转转强强度度，叫做旋流数。叫做旋流数。

19、S S的表达式为的表达式为旋流数旋流数S S，不仅可以用来反映射流的旋转强度，而且，不仅可以用来反映射流的旋转强度，而且，对于几何相似的旋流装置来说，它也是一个非常适用对于几何相似的旋流装置来说，它也是一个非常适用的表示射流动力相似的相似准数的表示射流动力相似的相似准数弱弱旋旋流流：当当s0.6时时，射射流流中中心心的的轴轴向向反反压压梯梯度度逐逐渐渐增增大大，以致克服该区轴向速度，并以致克服该区轴向速度，并出现中部回流区出现中部回流区。旋旋转转射射流流的的规规模模和和强强度度在在控控制制火火焰焰长长度度、提提高高燃燃烧烧强强度及改善火焰稳定性方面起着重要的作用度及改善火焰稳定性方面起着重要的作用实际的工程燃烧旋流装置中，通常均采用实际的工程燃烧旋流装置中，通常均采用强旋流强旋流