燃烧学_第六章.
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燃烧学讲义-第6章油滴燃烧分析解析
α
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
32
火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
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火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr
第6章 可燃固体的燃烧(上课课件)
➢ 6.1.3.1 固体引燃条件和引燃时间
➢引燃条件：
HCGcr Q E LV Gcr Q l
S HC LV Gcr Q E Q l 0
❖ 如果 S<0，固体不能被引燃或只能发生闪燃； ❖ 如果 S>0，固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧，还有多余
部分。这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高，为固 体持续燃烧创造更好的条件；
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
10
➢ 对于一定厚度无限大固体，可用下式估算：
Q l
Ti 4
K
TS
T0
tHale Waihona Puke ➢ Gcr与 有如下关系：
Gcr
h c
1
3000
HC
h为火焰和固体间的对流换热系数，c为空气热容量
11
物质名称
一些高聚物的Gcr和值
Gcr g/（m2·s）
物质名称
Gcr g/（m2·s）
❖ （2）热分解温度 ✓ 可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大
❖ （3）自燃点 ✓ 自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。
❖ （4）比表面积 ✓ 相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。 ✓ 随着粉尘的比表面积增大，其爆炸下限降低，最小引爆能变小而 最大爆炸压力增大。
dt (A) c dT
A h (T 2T T0 )
T0
T∞
ti
c
h
ln T
T T0 T0 2Ti
15
➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，另一面绝热时 假设物体吸收率为α，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成
A Q 'r' dt h A T T0 dt AcdT
➢引燃条件：
HCGcr Q E LV Gcr Q l
S HC LV Gcr Q E Q l 0
❖ 如果 S<0，固体不能被引燃或只能发生闪燃； ❖ 如果 S>0，固体表面接受的热量除了能维持持续燃烧，还有多余
部分。这部分热量可以使可燃气的释放速率进一步提高，为固 体持续燃烧创造更好的条件；
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
10
➢ 对于一定厚度无限大固体，可用下式估算：
Q l
Ti 4
K
TS
T0
tHale Waihona Puke ➢ Gcr与 有如下关系：
Gcr
h c
1
3000
HC
h为火焰和固体间的对流换热系数，c为空气热容量
11
物质名称
一些高聚物的Gcr和值
Gcr g/（m2·s）
物质名称
Gcr g/（m2·s）
❖ （2）热分解温度 ✓ 可燃固体的热分解温度越低，燃点也越低，火灾危险性越大
❖ （3）自燃点 ✓ 自燃点越低的固体，越容易燃烧，因而火灾危险性越大。
❖ （4）比表面积 ✓ 相同的可燃固体，比表面积越大，火灾危险性越大。 ✓ 随着粉尘的比表面积增大，其爆炸下限降低，最小引爆能变小而 最大爆炸压力增大。
dt (A) c dT
A h (T 2T T0 )
T0
T∞
ti
c
h
ln T
T T0 T0 2Ti
15
➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，另一面绝热时 假设物体吸收率为α，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成
A Q 'r' dt h A T T0 dt AcdT
工程燃烧学
二、介质雾化喷嘴（气动式雾化喷嘴）
蒸汽作为介质，可以在雾化同时降低油的粘度，进入喷 嘴的燃油粘度较高时，仍能保证雾化质量，
空气作为介质时，空气压力低，雾化质量较差。
低压喷嘴（3x103~1x104Pa） 高压喷嘴（1x105Pa以上）
1. 低压空气雾化喷嘴
采用鼓风机供给的空气作为雾化介质，喷嘴前风压 低，一般为(5.0~10.0) ×103Pa，高的可达12.0×103Pa。
以平均直径表示雾化细度，工程上两种表示方法：
（1）中间直径法（d50或dMMD） 液雾中大于或小于这一直径的两部分液滴的总质量相等。
（2）索太尔平均直径法（dSMD） 假设油滴群中每个油滴直径相等时，按照所测得的所有油
滴的总体积V与总表面积S计算出的油滴直径，故又称体面积
平均直径。
d SMD
Nidi3 Nidi2
（2）雾化方法
机械式雾化 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，
通过喷油嘴喷出。直流式、离心式和转杯式。 介质式雾化
靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化。 根据其压力的不同，分为高压雾化、中压雾化和低压雾化。 组合雾化
两种雾化方式有机结合起来。
6.2.2 雾化性能及评定指标
（1）雾化过程
雾化过程：
燃油从喷嘴喷出时形成液 流，由于初始湍流状态和 空气对油流的作用，使油 流表面发生波动，在外力 作用下，油流开始变为薄 膜并被碎裂成细油滴。
已分裂出的油滴在气体介质中还 会继续再分裂。油滴在飞行过程 中，受外力（油压形成的推进力、 空气阻力和重力）和内力（内摩 擦力和表面张力）作用，只要外 力大于内力，油滴便会产生分裂。 直到最后内力和外力达到平衡， 油粒不再破碎。
高等燃烧学讲义第6章(郑洪涛4学时)
• 初始的浓度可以根据给出的化学当量比求出。氧化剂和燃 料的摩尔分数为
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 物质的量浓度[Xi]=χiP/(RuT)为
• 对反应速率微分方程和能量微分方程进行数值积分，结果 如图6.4所示。 • 由图可见，在前3ms中温度只上升了200K，而后却在O.1ms 内上升到绝热火焰温度(大约3300K)。 • 这一温度迅速上升并伴随快速的燃料消耗的现象，称为热 爆。 • 这是由于反应速度依式[-Ea/RuT]随温度强烈地变化。由图还 可见，爆震的压力导数很大，最大可达1.9×1013Pa/s。
高等燃烧学
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合
主讲人：郑洪涛
Hale Waihona Puke 第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合
• 6.1 概述 • 6.2 定压-定质量反应器 – 6.2.1 守恒定律的应用 – 6.2.2 反应器模型小结 • 6.3 定容-定质量反应器 – 6.3.1 守恒方程的应用 – 6.3.2 反应器模型小结 • 6.4 全混流反应器 – 6.4.1 守恒定律的应用 – 6.4.2 反应器模型小结 • 6.5 柱塞流反应器 – 6.5.1 假设 – 6.5.2 守恒方程的应用. . • 6.6 在燃烧系统建模中的应用 • 6.7 小结
第六章 反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.1 定压· 定质量反应器——守恒定律的应用
• 对上式进行微分得 • 假设是理想气体，焓值只与温度有关。则：
• 上式提供了与系统温度的联系；同时浓度[Xi](单 位体积的摩尔数)的定义和质量作用表达式 则 提供了与系统组成Ni和化学动力学dNi/dt的联系。 其表示为
燃烧学—第6章3
铅柱压缩实验
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
19
《燃烧学》--第六章
炸药的氧平衡
绝大多数炸药是由C、H、O、N等元素组成的有机化合物 通式 CaHbOcNd b c 2 a 爆炸时的需要的氧原子数 2
（1）正氧平衡 （2）零氧平衡 （3）负氧平衡
炸药的猛度
猛度炸药爆炸时粉碎与其直接接触物体或介质的能力。 猛度与爆速有关。 用炸药爆炸时铅柱被压缩的高度表示炸药的猛度
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17
《燃烧学》--第六章
炸药的
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18
《燃烧学》--第六章
炸药的猛度测定
24
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第六章
炸药的安全
在炸药的保管和储存过程中应着重注意如下特性 ：
1）炸药的感度 2）炸药的不稳定性 3）炸药的殉爆 安全距离（RⅠ）：
炸药爆炸时，对人作用的最小允许的距离
RI 5
Q W QTNT
安全距离（RⅡ）
10
《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
11
《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
12
《燃烧学》--第六章
产生轰燃（回火）的室内火灾发展示意图
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13
《燃烧学》--第六章
6.5炸药爆炸
炸药的爆炸特点
（1）化学反应速度极快
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31
《燃烧学》--第六章
（四）粉尘的爆炸环境条件
第 6 章 2 固体可燃物的阴燃及粉尘爆炸
20
粉尘爆炸的特点： 与气体爆炸相比） 粉尘爆炸的特点：（与气体爆炸相比） 点火能大 感应期长， 感应期长，可达数十秒 爆炸压力和升压速度小于气体爆炸 “二次爆炸” 二次爆炸”
初次爆炸的冲击波有扬尘作用 离爆炸点越远， 离爆炸点越远，破坏越严重
烟气中CO浓度高，毒性大 浓度高， 烟气中 浓度高
粉尘爆炸时燃烧不完全
dP ⋅V dt max
27
1 3
= K st = 常数
o 1kg含挥发份 ～26％的焦煤，在高温下可释放出 ～ 含挥发份20～ ％的焦煤，在高温下可释放出290～ 含挥发份 350L的可燃气，因此其粉尘容易爆炸并形成较高的爆炸压 的可燃气， 的可燃气 力（0.4～0.6MPa） ～ ）
燃烧热高的粉尘容易发生爆炸 燃烧热高的粉尘容易发生爆炸
23
（二）粉尘的粒度和浓度
17
粉尘爆炸的条件 ： 粉尘本身必须是可燃的
可燃粉尘包括：有机粉尘和无机粉尘两大类。 可燃粉尘包括：有机粉尘和无机粉尘两大类。
粉尘以一定的浓度悬浮于空气中
悬浮的粉尘浓度只有处于一定的浓度范围内才能爆炸。 悬浮的粉尘浓度只有处于一定的浓度范围内才能爆炸。
存在足够的引起粉尘爆炸的火源
粉尘燃烧需要首先加热分解、放出可燃性气体， 粉尘燃烧需要首先加热分解、放出可燃性气体，因此粉尘的爆 炸需要较多的点火能量。 炸需要较多的点火能量。
3
阴燃的传播
传播方向 烟 灼热炭
原始纤维素 （Ⅰ区）
纤维素变色区 （Ⅱ区）
黑色炭
残余区/炭 残余区 炭 （Ⅲ区）
纤维素棒沿水平方向阴燃示意图
4
热解区I 热解区
温度急剧上升，并且从原材料中将挥发出大量的烟， 温度急剧上升，并且从原材料中将挥发出大量的烟，阴燃产生的烟 与有焰燃烧产生的烟不大相同，其具有较强的可燃性。 与有焰燃烧产生的烟不大相同，其具有较强的可燃性。
第 6 章 1 可燃固体的燃烧课件
最大爆炸压力增大。
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4
• （5）（极限）氧指数（LOI，OI)
• 定义：刚好维持物质燃烧时的混合气体中最低氧含量的体积百分 数。
• 氧指数越小的高聚物，火灾危险性越大。 • 氧指数小于22的属易燃材料； • 氧指数在22－27之间的属难燃材料； • 而氧指数大于27的属高难燃材料。
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➢（3）如果物体单面受热，另一面不绝热
A h ( T T ) d ( A t ) c d A T h ( T T 0 ) dt
A h ( T 2 T T 0 )d ( tA ) c dT
dt (A)cdT
Ah(T2TT0)
T0
T∞
ti hclnTTT0T02Ti
ψ=0.27，着火点Ti＝543K，环境温度T0＝293K
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13
• 薄片状固体（Bi=hL/K数较小）：
• 如窗帘、幕布之类
• 估算薄物的引燃时间
• 假设一薄物体的厚度、密度、热容和它与周围环境间的 对流换热系数分别为τ、ρ、c、和 h；
• 薄物体的燃点和环境温度（或物体初温）分别为 Ti和T0。
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➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，另一面绝热时 假设物体吸收率为α，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成
A Q 'r ' d h t A T T 0 d A tcdT
dtQ r'' hcTT0dT
Qr
对该式从T0到Ti积分得引燃时间为
T0
ti hclnQ r'' hQ Tr''i T0
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
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燃烧学-第六章
二、雾化方式和喷嘴
• 按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分为：压力式、旋 转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。
压力式雾化喷嘴
压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。它可以用在航空喷气发动机、 燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 按该原理工作的雾化器有：直流式、离心式和转杯式
中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于
dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总
体积与总面积之比。
18
（2）雾化角
出口雾化角
19
（3）燃料的流量密度分布 单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
20
（4）喷雾射程 喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
21
（5）雾化均匀度 积分表示法 将大于某一直径d的所有液滴的质量占全部液滴质量的 百分数表示成液滴直径的函数。 微分表示法 将直径在d和d＋Δ d之间的所有液滴的质量占全部液 滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。
7
四、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器 液体 小液滴 悬浮 边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化 （2）易蒸发的液体－－汽化器
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P 0.1~1N / m2 (106 ~105 atm)
因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。
层流火焰特点
绝对速度 气流速度
u p wp u n
相对速度
火焰锋面很薄，通常只有0.01～0.1mm
层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧 过程
层流火焰传播速度很低，u n 通常在1m/s以下
P u (u / x)x u u u u u u u (u b u u )
2 (u b / u u ) 1 u u u2 ( u / b ) 1 P u u u
由理想气体状态方程，
u / b (Pu / Pb )(Rb / Ru )(Tb / Tu ) ~ (Tb / Tu )
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
2 (Tb / Tu ) 1 P u uu
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 的典型值等于 Tb / Tu 的典型值在5-7范围内，
1 103 g / cm3。因此 P 的典型值为：
一、层流火焰传播的热理论内容
p r
预热区 反应区
层流火焰传播的热理论内容
设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 如果新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当v0＝un时（方 向相反），可以得到驻定的火焰前锋。 将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热 区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身 热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相 等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。
二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）
对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：
连续方程 动量方程
v 0v0 0 un m
p 常数
dT d dT (l ) = RR(- D H R ) （6.2） 能量方程 r 0 vnC p dx dx dx
混气本身热焓的变 化——对流项 传导的热流 ——扩散项
(2-29)
预热区：
在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：
u uu c p (dT / dx) d (dT / dx) / dx 0
(dT / dx) xi u uu c p (Ti Tu )
气体冷边界条件: T Tu 以及 dT / dx 0
扩散燃烧: m r m （非预混～） 化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混 Diffusion ～ 合扩散速度，而与化学反应速度关系不大。 混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于 化学反应速度（或化学动力因素），而与混 合扩散过程关系不大。 动力－扩散燃烧: 燃烧的快慢既与化学动力因素有关， 也与混合过程有关。 动力燃烧: （预混～） Premixed～
τr （τ ch ）
m r r
二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）
n
未燃气 已燃气 火焰前锋：向新鲜混气传播的火 焰前沿（薄薄的化学反应发光区， 厚度及参数变化梯度）。 火焰传播速度：火焰前锋沿法线 方向朝新鲜混气传播的速度（有 相对速度的含义，是相对于未燃 dn 混气的速度）。 ul S L Su 方向：总是从已燃气指向未燃气。
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度
火焰稳定
§6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播的机理有三种理论：
热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜 混气的热传导 扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是 控制层流火焰传播的主要因素 综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传 播可能有同等重要的影响
第六章 层流预混火焰传播与稳定
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度
火焰稳定
§6.1 基本概念
一、预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧
燃烧燃料所需的时间 m r
燃料与空气混合时间 τ m （τ ph ） 燃烧反应时间
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。
对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：
d ( u) / dx 0 u 常数
忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：
dP / dx u(du / dx) 0
应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，
化学反应生热量
方程(6-2)中的边界条件如下：
x (未燃气体）
T Tu ,
dT / dx 0 dT / dx 0
x (平衡时已燃气体） T Tb ,
根据分区近似解法，求Un：
把火焰分成预热区和反应区。在预热区 中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略 能量方程中温度的一阶导数项。 根据假设，在预热区中的能量方程为:
大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火 焰面划分为预热区δph和反应区δr
五、通过火焰的压降
Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层 流火焰速度）有关。
/ A) 2 ( u uu ) 2 dP / dv (m
uu ( S u ) 层流火焰速度= (1 / u ) (dP / dv)
dt
dn
t
t+dt
up w p u n (矢量形式)
三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。
Hale Waihona Puke 四、火焰结构• 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1 毫米左右的狭窄区域 • 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。
层流预混火焰坐标系
一维层流火焰结构