实验二 层流预混火焰传播速度测定
实验二层流预混火焰传播速度测定
实验二层流预混火焰传播速度的测定
一、实验的理论基础
许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。
研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。
层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。用S0表示。该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S0。普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。不可避免地有热损失。因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S表示。S除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。
层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总
是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰
速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的
地方。当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计
量值的位置上。在这一位置，燃料与氧化剂混合
最均匀，反应率最快。偏离这一位置，不可能组
织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，
这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。
二、实验原理
实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。
设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火
焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预
混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的
气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化
为正锥形，如图3-1所示。预混气的速度为u 0，
火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。S 在数值
上等于u 0在P 点垂直于火焰面的法向分量，即 S u =0sin α
（1）
α为火焰锥的半顶角。可用测高仪测出火焰高度
和底部直径后算得，也可用量角器直接量出。u
0由浮子流量计测定流量后，根据出口直径计算
（d 0为管口内径）：
Q u A d u ==004020
π
（2）
α
α
2
S
∠
α
u
图2-1本生火焰
三、实验设备
基本设备为预混火焰装置，用二号混合管再增加：1．照相机暗箱，2．量角器，3．游标卡尺
四、实验步骤
1.将照相机暗箱放在合适的位置，调节暗箱长
度，使混合管口在毛玻璃上清晰成像，测量管口内径，计算管口的面积。
2.检查各部分连接状态，装上带玻璃套管的一号
管，观察火焰的Smithells现象。
3.将水加入恒温水浴，接通电源，使水温达到设
定温度。
4.启动空气压缩机，使气压达到3大气压。先打
开空气法门，使浮子流量计中空气流量和燃料分别达到预定的点火值。在管口点火，电着后
再精确调节空气和燃料流量。如果点火不成功，可稍待片刻，使预混气到达管口，然后再点火。
5. 在实验二的稳定界限内，先固定燃料流量，逐渐改变空气流量，以得到不同的气/油比。记录浮子流量计的指示流量，用量角器量出气/油比数据。
6. 改变燃料流量，重复步骤3至少测定五组燃料流量数据（即共获得30组数据）。
7. 测量完毕后，关闭燃料阀门，切断电源，取下温度计，放掉恒温水浴中的水。整理现场。
五、数据处理
1. 根据流量换算表，把记录的燃料和空气指示读数分别换算成真实流量。
2. 计算气/油体积（A/F ）比和对应的火焰速度。将原始数据绘制成表。
3. 纵坐标为火焰速度S （cm/s ）。横坐标可选用两种不同方法。一种是以燃料体积百分数（F/A ）为横坐标；另一种是以当量比φ为横坐标，前者能直观地看出燃料含量。后者清楚的表明预混气偏离化学计量值的程度。为了表示这种偏离程度，定义（F/O ）为燃料与氧的质量比，同样（F/A ）表示燃料与空气的质量比，
则当量比φ定义为()()φ=F A
F A stol 其中()F A stol
为（F/A ）的化学计量值，即化学计量反应的理论值，这
样φ<1，=1，>1分别代表了贫油燃烧，化学计量燃烧和富油燃烧。
六、思考题
1.测得的最大火焰速度是多少？当量比是多
少？偏向贫油的哪一边?是否合理？
2.给出实验测得的火焰速度的贫油富油范围。在
此范围以外，为什么不能测出火焰速度？比较该范围与实验二中的可燃浓度界限是否一致?
3.结合实验二和三，叙述预混火焰与扩散火焰的
区别。
本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置
本生灯法测定火焰法向传播速度实验指导书 一、实验目的 1．巩固火焰传播速度的概念，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。 2．测定液化石油气的层流火焰传播速度。 3．掌握不同的气/燃比对火焰传播速度的影响，测定出不同燃料百分数下火焰传播速度的变化曲线。 二、实验原理 层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度的方法很多，本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。 正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。在稳定的Bensun 火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图1)，即 0sin s u u α=? 式中：u s －混合气的流速（cm/s ）； α－火焰锥角之半。 或 0318 q u = 式中：q v －混合气的体积流量（L/s ）； h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ）。 上式是使用本生灯火焰高度法测定可燃混合气体的层流火焰传播速度0u 的计算式。在我们的实验中，可燃混合气体的体积流量v q 是用湿式流量计分别测定燃气与空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r 可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h 可由测高尺测量。 三、实验设备结构 实验台由本生灯、旋涡气泵、湿式气体流量计、U 型管压差计、测高尺等组成。旋涡气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、湿式气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度。 四、实验步骤 1、启动旋涡气泵，调节风量使本生灯出口流速约为0.6m/s ，并由湿式流量计读出空气流量。 2、由以上空气流量，可粗略地估算出一次空气系数1α约为0.8、0.9、1.0、1.1、1.2时的燃气流量。 3、开启燃气阀，调整燃气流量分别为上述5个 计算值的近似值（流量值由流量计读出）。
实验二-层流火焰传播速度的测定实验
实验二-层流火焰传播速度的测定实验
实验二层流火焰传播速度的测定实验 一、预备知识 1、火焰传播和化学反应 燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。 例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为 CO2和H2O。总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K以上）。因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形 以及中间产物的氧化是有必要的。 当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。通过热传导把热量 引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此 燃烧就在那里发生了。我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧 波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。为了把 高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也 是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。 在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因 为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。 实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。 如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基， 因此使燃烧第二阶段不能进行。因此，火焰传播只在某个当量比范围内 才有可能，这被称为可燃极限。对于甲烷—空气混合物，其贫燃极限是 Φ=0.53，其富燃极限是Φ=1.6。 2、火焰稳定性
火焰传播速度的通俗讲解
火焰传播速度的通俗讲解 一、火焰传播速度 1. 定义：火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度。火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋在空间的移动速度（360百科） 的燃烧速度。 2. 解释： 其实将火焰传播速度，限定在未燃可燃混合气太局限了，把其定义为火焰在燃烧物表面移动速度（定义2），就容易理解的多。 如图：
现在换一种物质 很明显燃烧物不同，火焰的的传播速度不同，同样草坪的干湿、荗密程度也会影响到火焰的传播速度，有哪些因素影响火焰传播速度，有关这些我们留待后面再谈，我们现在的着重点是准确的理解火焰传播速度这个概念，
我们讨论了处于静态的可燃物的火焰传播速度，现在我们看下处于运动中的可燃物的火焰传播速度： 如图，有一股流动着燃气流（也可是我们的煤粉流）m，我们先假设它相对静止，注意仅仅是假设，当我们在这股气流的端点用明火点燃，燃气流m1经过2秒达到B处，如果AB距离是3米，我们就说火焰传播速度是1.5米/秒，燃汽流m2经过2秒到达C处，如AC间的距离是4.80米，我们就说它的火焰传播速度是2.4米/秒。 很明显，因为燃气流总是流动的，而且流速是可变的多样的，我们的燃汽流不动只是为使这个概念更加直观，那么处在流动中的燃汽又有
什么变化？ 我们假设燃汽流以2米/秒同样的速度向前移动，当燃烧经过2秒，燃气流m1的B点的介质实际上到达了B1的位置，而且燃气流m2的c点只到达c1点的位置，B1和C1是火焰的实际位置。 很明显m1燃气流经过2秒的燃烧，火焰前锋从A处，进到了B1处，前移了1米，而m2燃气流的火焰前锋则落到C1处，落后了0.8米，这就是说如果燃料的流动速度高于将使火焰不断前移，最后的结果是熄火；如果燃料的流动速度低于火焰传播速度，将形成回火。【品味一下气割的割枪和气体打火机的的现象】，【燃烧稳定的条件是：火焰的传播速度等于燃料的流动速度】，有关进一步的原因，我们后面
chemkin模拟稳态一维层流
稳态一维层流燃烧实验 一实验目的 一维层流火焰在预混燃料-氧化剂混合物中传播是最简单的燃烧现象之一。在此火焰中，化学动力学以及能量和组分扩散输运起重要作用。描述一维预混火焰的方程组是：压力为常数的条件下的质量守衡，能量守恒，组分守恒以及理想气体状态方程。虽然守恒方程和状态方程提供了缓燃的未燃气体和已燃状态之间的关系，但不能唯一确定层流火焰速度，其准确解只有通过数值积分才能获得。本实验考察层流火焰的传播速度以及与燃烧参数如燃料类型、化学配比、压力及未燃气体的温度的关系。 二实验方法 采用Chemkin自带的实例flame_speed_freely_pripagating.ckprj（甲烷-空气火焰传播速度）。模拟绝热、大气压力、自由传播、化学当量混合甲烷-空气预混合燃烧火焰的传播速度。模拟计算中不考虑NO x形成，仅采用甲烷-空气骨架燃烧机理。火焰用详细轴向温度分布做定温计算。设置火焰温度（在入口温度到峰值温度间），通过调节反应器内部的计算区域，来获得预热到反应完整过程，保证初始温度变化曲线足够平坦（温度梯度为0），计算报表反馈火焰传播速度。 三实验步骤 ?启动Ckemkin ?点击Open Project ?双击samples ?单击flame_speed_freely_propagating.ckprj ?单击Select按钮 ?双击左侧浏览器中的Pre-Processing选项 ?在弹出的新窗口中，点击Run Pre-Processon按钮，①View Results...按钮
可用；②左侧浏览器中出现Run Model选项 ?(可选)点击View Results...按钮，可查看甲烷的气相反应机理和气相传递 数据。 ?双击右侧浏览器中的Run Model选项，出现Run Model(flame_speed_freely_propagating)窗口。 ?点击Create Input File按钮，Run Model按钮可用。 ?点击Run Model按钮，计算甲烷-空气层流燃烧。 四查看和分析实验结果 1）查看实验结果 ?打开工作目录下的flame_speed_freely_propagating.out文件，编辑/查找，在 查找对话框内输入“cm/s”，查找该文件中最后一个速度栏。在该栏下的第一个数值就是层流火焰的传播速度，为41.01cm/s. ?点击Run Model窗口中的Run Post Processor按钮，弹出Select Results to Import to Plotting Package窗口。 ?点击Solution Sets选项卡，选择最后一个计算结果： Solution_variables_vs_distance_for_Soln_No_3 ?点击Species/V ariables选项卡，首先点击None按钮，清除所有被选中的选项， 然后选择所需查看的参数，点击OK按钮显示二维曲线图。 ①压力pressure-distance曲线 图1 压力-距离曲线
中南大学本生灯法测量火焰传播速度实验指导书
RQYY- 3 本生灯法测量火焰传播速度 实验指导书 中南大学能源科学与工程学院 二0 一一年四月
本生灯法测量火焰传播速度 实验指导书 一、实验目的 1．了解本生灯的工作原理和结构构成，观察火焰结构，巩固火焰传播速度的概念。 2. 测定液化石油气的层流火焰传播速度，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和 方法。 3．测定不同燃料百分数下火焰传播速度，掌握不同油气比对火焰传播速度的影响， 二、实验原理 层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度 的方法很多，本试验 装置是用动力法即本生灯法进行测定。 正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未 燃混合气的运动速度。在稳定的 Bensun 火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面 上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相 平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度 （图 1），即 上式是使用本生灯火焰高度法测定可燃混合气体的层流火焰传播速度 u 0 u s sin 式中： u s －混合气的流速（ cm/s ）； α－ u 1000 q v r r 2 h 2 cm/s 式中： q v －混合气的体积流量（ L/s ）； h －火焰内锥高度 （ cm ）； r －喷口半径（ cm ） u 0 的计算式。
在我们的实验中，可燃混合气体的流量 q v 是用浮子流量计分别测定燃气与空气的单位体 积流量而得到的， 内锥焰面底部圆的半径 r 可取本生灯喷口半径； 内焰锥高度 h 可由测高 尺测量。 三、实验内容 利用火焰试验系统，调节预混空气调节阀，观测预混火焰的回火和 脱火等现象。利 用本生灯火焰试验系统，调节预混空气调节阀，观测本生灯火焰的内、外火焰锋面。按 照生灯法测量火焰传播速度的原理和方法，测定不同空气消耗系数时的火焰传播速度， 从而绘制得到火焰传播速度与空气消耗系数的关系曲线。 四、实验设备结构 实验台由本生灯、旋涡气泵、浮子气体流量计、测高尺等组成。旋涡气泵产生的 空 气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、浮 子气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥 高度计算火焰的传播速度。如图 2 所示。 五、实验步骤 3 0.56 m 3/h ，表压为 0.35 kPa 。 3、使用点火枪在本生灯管口点燃预混气体。由以上燃气流量，粗略估算出一次空 1、启动旋涡气泵，调节风量使空气流量约为
球形传播火焰法测量层流火焰速度及Markstein长度的方法研究 吴蕴超
球形传播火焰法测量层流火焰速度及 Markstein 长度的方法研究 摘要：球形传播火焰法目前被广泛地用来测量不同燃料的层流火焰速度和Markstein 长度。本文研究了用于球形传播火焰的各种线性与非线性模型。首先，本文基于详细模型推导出了关于拉伸率与曲率的线性与非线性模型；接下来研究了各种模型的准确度及其在球形传播火焰法中的应用情况。研究结果表明：对于层流火焰速度和Markstein 长度，基于曲率的非线性模型而预测的结果最为准确。本文研究的结果对球形传播火焰法测量层流火焰速度及Markstein 长度有一定的指导意义。 关键词：球形传播火焰法；层流火焰速度；Markstein 长度；非线性模型 0 前言 层流火焰速度被定义为一维、绝热、平面火焰相对于未燃预混气体的速度[1]。层流火焰速度是影响燃料燃烧状况和效率的最重要参数之一。同时，层流火焰速度是验证燃料化学反应机理的重要参数[2, 3]。另一个反映燃料燃烧特性的重要参数是Markstein 长度。Markstein 长度表征了由于拉伸率的存在而引起的火焰速度变化，它决定了预混火焰传播的稳定性[2, 4]。同时层流火焰速度与Markstein 长度也都是湍流预混燃烧模型中的重要参数[5]。近五十年来，由于层流火焰速度与Markstein 长度的重要性，各种实验方法被用来测量这两个物理量。球形传播火焰法[6-9]由于有着火焰结构简单以及拉伸率定义准确等特点，目前被广泛地用来测量不同条件下不同燃料的层流火焰速度和Markstein 长度。在国内，西安交通大学黄佐华教授及其团队利用球形传播火焰法系统地研究了多种碳氢燃料的层流燃烧特性[9-15]。 目前关于球形传播火焰法的研究重点之一是如何提高测量精度。例如，点火[16]、非稳定性[17]、非球对称[18]、热辐射[19]、气体压缩[19, 20]等影响因素已经得到了系统的研究。然而，在文献中，不同实验者对同种燃料在同一条件下测得的层流火焰速度和Markstein 长度仍有较大的偏差，特别是Markstein 长度的测量相对偏差甚至可以达到300%[20-22]。造成这些偏差的原因有待被量化地解释。一个重要原因在于对实验数据的处理，尤其是那些在理论模型不成立的范围内的实验数据的使用会导致结果偏差很大。 对于球形传播火焰，在压力变化可被忽略时，可以认为已燃气体处于静止状态。因此，球形火焰面移动的速度就等于相对于已燃气体的层流火焰速度，即S b =dR f (t )/dt 。当拉伸率较小时，火焰速度与拉伸率成线性关系[6-9]： K L S S b b b -=0 (1) 其中S b 0和L b 分别是相对于已燃气体的层流火焰速度和Markstein 长度，K =(2/R f )(dR f /dt ) 是球形火焰的拉伸率。根据式(1)，S b 0和L b 可以通过对实验测得的S b 和K 进行线性拟合而得到。未燃烧气体的平面层流火焰速度S u 0则可以通过质量守恒得到：S u 0=σS b 0，其中 基金项目：国家自然科学基金(编号50976003)与内燃机国家重点实验室开放课题(编号K2010-02)
本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置说课讲解
本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试 装置
精品资料 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2 本生灯法测定火焰法向传播速度实验指导书 一、实验目的 1．巩固火焰传播速度的概念，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。 2．测定液化石油气的层流火焰传播速度。 3．掌握不同的气/燃比对火焰传播速度的影响，测定出不同燃料百分数下火焰传播速度的变化曲线。 二、实验原理 层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度的方法很多，本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。 正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。在稳定的Bensun 火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图1)，即 0sin s u u α=? 式中：u s －混合气的流速（cm/s ）； α－火焰锥角之半。 或 022318v u r r h =+ 式中：q v －混合气的体积流量 （L/s ）； h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ）。 上式是使用本生灯火焰高度法测定可 燃混合气体的层流火焰传播速度0u 的计算 式。在我们的实验中，可燃混合气体的体 积流量v q 是用湿式流量计分别测定燃气与 空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部 圆的半径r 可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h 可由测高尺测量。 三、实验设备结构 实验台由本生灯、旋涡气泵、湿式气体流量计、U 型管压差计、测高尺等组成。旋涡气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、湿式气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度。
火焰法向传播速度
用本生灯法测定石油液化气体火焰法向传播速度的实验 一、实验所需的器材和原理 实验台由移动式不锈钢实验台、空气泵、流量计、压力计、本生灯、液化石油气瓶等组成，实验中我们通过本生灯发或称动力法进行测定。 首先，法向火焰传播速度我们可以理解为垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。 我们将气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、流量计、调压阀后进入本生灯，同时可燃气体经减压器、流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合点燃，在理想的稳定的燃烧火焰中，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度
图一 火焰传播速度测试原理 0sin s u u α=? 式中：u s －混合气体的流速（CM/S ）； α－火焰锥角之半。 或 0q u =式中：q v －混合气体的体积流量（L/S ）； h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ）。 在我们的实验中，可燃气体即液化石油天然气的体积流量v q 是用流量计分别测定燃气与空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r 可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h 可由测高尺测量。 二、实验的操作步骤 1，检查实验所用到的器具是否完好，进行气密性实验。 2，打开电源启动气泵，调节本生灯出口大小使流速稳定，用流量计测定空气流量。 3，打开燃气阀，点燃火焰，这时火焰会呈扩散式燃烧；慢慢开启空气泵调节阀，送入空气。当混合气体发生完全燃烧出现火焰内锥时（即呈现完全的蓝色火焰并且火焰面三角形清晰可见），用气量计测出燃气与空气的体积流量，测高仪测得火焰内锥高度（从火焰底部，即喷口出口断面处到火焰顶部间的距离）。 4，多次适当增加或减少空气量，即改变一次空气系数，测出相应的火焰内锥高度。将测得的数据填入测试表中。根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气和空气测量流量换算成(当地大气压下)喷管内的流量值，然后计算出混合气的总流量，求出可燃混合气在管内的流速u s ，并求出燃气在混合气中的百分数。记录室温，计算出0u 值。 三、结论 通过用本生灯法测定石油液化气体火焰法向传播速度的实验，了解火焰传播的的形式。并得出可燃混合流量与火焰传播速度的关系。
1本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置 - 副本 (1)
用本生灯法测定60.1%甲烷—39.9%二氧化碳混合气体的 火焰法向传播速度实验 一、实验目的 巩固火焰传播速度的概念，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。测定可燃气的层流火焰传播速度。 二、实验原理 层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度的方法很多，本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。 正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。在稳定的火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图1)，即 图一 火焰传播速度测试原理 0sin s u u α=? 式中：u s －混合气的流速（cm/s ）； α－火焰锥角之半。 或 022v q u r r h =+ 式中：q v －混合气的体积流量（L/s ）； h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ）。
上式是使用本生灯火焰高度法测定可燃混合气体的层流火焰传播速度 u 0的计算式。在我们的实验中，可燃混合气体的体积流量 q是用湿式流量计分 v 别测定燃气与空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h可由测高尺测量。 三、实验设备结构 实验台由本生灯、旋涡气泵、湿式气体流量计、测高尺等组成。旋涡气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、湿式气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度。 四、实验步骤 1、启动旋涡气泵，调节风量使本生灯出口流速稳定，并由湿式流量计读出空 气流量。 2、开启燃气阀，并持续进行点火，点燃燃气。 3、缓慢调节空气和燃气流量，当火焰稳定后，分别由湿式流量计测出燃气与 空气的体积流量；由测尺测出火焰内锥高度（从火焰底部，即喷口出口断面处到火焰顶部间的距离）。 u值。 4、记录室温，计算出 五、数据处理 1．根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气和空气测量流量换算成(当地大气压下)喷管内的流量值，然后计算出混合气的总流量，求出可燃混合气在管内的流速u s，并求出燃气在混合气中的百分数。 2．计算出火焰传播速度u0，将有关数据填入表内。 六、需要测量的数据以及需要换算的数据表 以下为实验者需要测量和观测的数据 喷管口半径：0.40cm 室温：22 ℃当地大气压：101 kPa
第六章 预混层流火焰
第六章 层流预混火焰传播 §6-1 火焰速度和火焰结构 一维层流火焰在预混燃料-氧化剂混合物中传播是最简单的燃烧现象之一，在此火焰 中，化学动力学以及能量和组分扩散输运起重要作用。通过守恒方程和状态方程可以导出Rankine-Hugoniot 曲线。该曲线把在一维层流预混火焰中未燃气和已燃气状态联系起来。已燃气体位于Rankine-Hugoniot 曲线下分支（缓燃），并相应于未燃气体状态Rayleigh 线与具有适当反应热的Rankine-Hugoniot 曲线交点L ，如图6.1-6.2中所示。 图6.1 层流预混火焰坐标系 图6.2 一维燃烧波的Rankine-Hugoniot 曲线和Rayleigh 线 Rayleigh 线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度，即层流火焰速度有关。 22)()/(/u u u A m dv dP ρ?=?=& ==)(u u S u 层流火焰速度=)/()/1(dv dP u ρ? 由于缓燃Rayleigh 线斜率比爆震Rayleigh 线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小 得多。 虽然守恒方程和状态方程提供了缓燃的未燃气体和已燃状态之间的关系，但不能唯一确定层流火焰速度u S 。为了确定u S ，必须将守恒方程通过缓燃波积分。由于在第5章中推
导的方程是非线性耦合微分方程，其准确解只有通过数值积分才能获得。它需要很大的计算资源。为了考察层流火焰的某些特征（如火焰速度和厚度）以及这些特征与燃烧参数如燃料类型、化学配比、压力及未燃气体的温度的关系，对方程组进行了简化，以便能分析求解。要得到简化的模型，需要引入一系列的假设。我们从考察参考系建立在火焰上的层流火焰结构的某些方面入手。如前所述，这些计算是针对等压过程进行的。但是对一维缓燃的Rankine-Hugoniot 曲线，如图6.2所示，已燃气的压力小于未燃气的压力。现在我们需要考察压力减少的数值是否小到可以忽略的程度。如果能假设压力近似不变，则可以减少一个需要求解的方程数，动量方程将减少到P=常数。 对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成： 常数=?=u dx u d ρρ0/)( 忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成： 0)/(/=+dx du u dx dP ρ 应用以上两个方程估算通过火焰的压力降， [][] 1)/(1)/()()/(22 ?=??≈Δ?=Δ=ΔΔΔ?≈Δb u u u u b u u u b u u u u u u u u P u u u u u x x u u P ρρρρρρρ 由理想气体状态方程， )/(~)/)(/)(/(/u b u b u b b u b u T T T T R R P P =ρρ 由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的压力降与温度增加相比是很小的，因此 []1)/(2 ??=Δu b u u T T u P ρ 碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在15-40cm/s 范围内。 u b T T /的典型值在5-7范围内，u ρ的典型值等于33/101cm g ?×。因此P Δ的典型值为： 2650.1~1/(10~10)P N m atm ???Δ= 因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。 §6-2 一维层流预混火焰模型 描述一维预混火焰的方程组是：压力为常数的条件下的质量守衡（=u ρ常数），能量守恒（H=常数），组分守恒以及理想气体状态方程。如附录G 中公式（G-40），（G-41）所示， 若利用Le=1近似，可以假设能量方程和组分方程为同一种形式： []RR dx dx d D u d =?/)/(ηρηρ 式中： [] )(/)()] /[('ref R sebsible T i i i i T H T h Y Δ?=?=ηυυη 只要求解能量方程和组分方程中的一个，加上适当的边界条件，就可以完全决定火焰的结构和速度。
层流预混火焰传播速度测定
层流预混火焰传播速度的测定 实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超 一、实验的理论基础 许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。 研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。 层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。用S 0表示。该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S 0。普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。不可避免地有热损失。因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S 表示。S 除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。 层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。 二、实验原理 实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。 设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。预混气的速度为u 0，火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。S 在数值上等于u 0在P 点垂直于火焰面的法向分量，即 S u =0sin α （1） α为火焰锥的半顶角。可用测高仪测出火焰高度和底部直径后算得，也可用量角器直接量出。 u 0由浮子流量计测定流量后，根据出口直径计算（d 0为管口内径）： Q u A d u == 004 02 0π （2） S ∠ 图2-1本生火焰 三、实验设备 预混火焰装置 五、数据数据及处理
中南大学本生灯法测量火焰传播速度实验指导书
R Q Y Y-3 本生灯法测量火焰传播速度 实验指导书 中南大学能源科学与工程学院 二0一一年四月
本生灯法测量火焰传播速度 实验指导书 一、实验目的 1．了解本生灯的工作原理和结构构成，观察火焰结构，巩固火焰传播速度的概念。 2. 测定液化石油气的层流火焰传播速度，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。 3．测定不同燃料百分数下火焰传播速度，掌握不同油气比对火焰传播速度的影响， 二、实验原理 层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。测量火焰传播速度的方法很多，本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。 正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。在稳定的Bensun 火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。在此面上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图1)，即 0sin s u u α=? 式中：u s －混合气的流速（cm/s ）； α－火焰锥角的一半。 或 2 201000h r r q u v +=π cm/s 式中：q v －混合气的体积流量（L/s ）； h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ） 10—单位换算系数 上式是使用本生灯火焰高度法测定可燃混合气体的层流火焰传播速度0u 的计算式。
q是用浮子流量计分别测定燃气与空气的单位体在我们的实验中，可燃混合气体的流量 v 积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h可由测高尺测量。 三、实验内容 利用火焰试验系统，调节预混空气调节阀，观测预混火焰的回火和脱火等现象。利用本生灯火焰试验系统，调节预混空气调节阀，观测本生灯火焰的内、外火焰锋面。按照生灯法测量火焰传播速度的原理和方法，测定不同空气消耗系数时的火焰传播速度，从而绘制得到火焰传播速度与空气消耗系数的关系曲线。 四、实验设备结构 实验台由本生灯、旋涡气泵、浮子气体流量计、测高尺等组成。旋涡气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、浮子气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度。如图2所示。 五、实验步骤 1、启动旋涡气泵，调节风量使空气流量约为0.56 m3/h，表压为0.35 kPa。 2、开启燃气阀，调整燃气流量约为24 L/h，表压为0.52 kPa。
实验二 层流预混火焰传播速度测定
实验二层流预混火焰传播速度测定
实验二层流预混火焰传播速度的测定 一、实验的理论基础 许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。 研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。 层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。用S0表示。该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S0。普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。不可避免地有热损失。因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S表示。S除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。 层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总
是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰 速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的 地方。当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计 量值的位置上。在这一位置，燃料与氧化剂混合 最均匀，反应率最快。偏离这一位置，不可能组 织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念， 这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。 二、实验原理 实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。 设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火 焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预 混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的 气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化 为正锥形，如图3-1所示。预混气的速度为u 0， 火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。S 在数值 上等于u 0在P 点垂直于火焰面的法向分量，即 S u =0sin α （1） α为火焰锥的半顶角。可用测高仪测出火焰高度 和底部直径后算得，也可用量角器直接量出。u 0由浮子流量计测定流量后，根据出口直径计算 （d 0为管口内径）： Q u A d u ==004020 π （2）