层流预混火焰稳定浓度界限测定
合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究
第48卷第7期西安交通大学学报V01．48No．7 2014年7月JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Jul．2014DoI：10．7652／xjtuXb201407007合成气预混层流火焰结构的实验和数值研究卫之龙，王金华，舒新建，谢永亮，王锡斌，黄佐华(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，710049，西安)摘要：利用oH—PLIF方法获得了当量比分别为0．6、O．8、1．O、1．2，CO。
或N。
稀释比分别为3％、5％时，合成气／空气／稀释气本生灯预混层流火焰中oH基的分布，结合sTAR—CD模拟计算所得火焰中的流场和组分分布进一步分析了火焰结构。
研究结果表明：随着混合气当量比的增加，0H基高浓度分布区域由火焰前锋面附近转移到火焰边缘；混合气较稀时，火焰前锋面附近0H基浓度最高且沿已燃区方向逐步递减，火焰顶端处OH基浓度减小，模拟计算结果显示火焰顶端并未发生燃料泄漏；化学当量比下，火焰前锋面附近和火焰边缘区域0H基浓度较高，火焰前锋面附近出现了预混燃烧区和扩散燃烧区，该区域中OH基呈现“W”型分布；受N。
和CO。
稀释的影响，混合气层流燃烧速度降低，火焰前锋面拉长，CO。
对火焰结构的影响比N。
更显著；火焰前锋面附近OH基浓度减小，扩散燃烧区O H基浓度增大，说明火焰的预混燃烧有所减弱，扩散燃烧有所加强。
关键词：合成气；0H—PLIF方法；STAR—CD模拟；oH基；稀释气中图分类号：TK411文献标志码：A文章编号：0253—987X(2014)07一0034一07Exp er im en ta l and Numerical Study o n Structure ofLam in ar Premixed Syngas—Air-Diluents FlamesWEI Zhilong，WANG Jinhua，SHU Xinjian，XIE Yongliang，WANG Xi bin，HU ANG Zuohua (State Key Laboratory of Mul t i ph a s e Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaot ong University，Xi’an710049，China) Abstr舵t：The structures of laminar premixed syng as—ai r-di lu en t s flames were obtaineddiffe re n t equivalence ratios(0．6，O．8，1．O，1．2)，diluents(N2／C02)，and dilut io n atratios(3％and5％)by usin g OH—PLI F te chn iqu e．Flame s tructure was analyzed on the basis of the flow field and species dist“bution which were calculated with STAR—CD．The results show that high 0H distribution shifts towards the o ut er flame boundary with the increase of equivalence r at io；for lean mixtufe，the region of high0H radic al concentration locates along the conic primary reaction boundary；O H radi ca l concentration at the flame c o ne ti p decreases，and the nume rica I simulation results show that no leakage o c c u r s at the flame tip；for mixture at stoichiometricrati o，high0H radi cal concentration app ear s alo ng the flame front and on the flame surface，meaning the occu rren ce of a premixed combustion z one and a diffusion combustion zone，a nd the0H distribution appears to resemble a“W"shape；due to the effect s of diluents N2and C02，the 1aminar burning velocity decrea ses，leading to the extension of the flame front，and C02has a gr e at e r impact on the flame structure compared to N2；0H radica l concentration decreas es alon g the flame front while i n cr e a se s i n the diffusion zone，which means the premixed combustion is weakened whjle t he d if fu si on combustion js jnt e n sj f i e d．收稿日期：2013—12—19。
燃料及燃烧除计算外的课后题 (2)分析
第一章1、试就成煤物质的碳化程度说明煤炭的种类及其特点。
答：根据母体物质炭化程度不同可将煤分为四大类，即泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤。
泥煤：质地疏松、吸水性强、含氧量最多，含碳最少。
使用性能挥发分高，反应性强，含硫量低，机械性能很差，灰分、熔点很低。
褐煤：与泥煤相比，密度较大，含碳量较高，氧和氢含量较少，挥发分产较低。
粘结性弱，极易氧化和自然，吸水性较强。
烟煤：与泥煤相比，挥发分较少，密度较大，吸水性较小，含碳增加，氢和氧含量减少，具有粘结性。
无烟煤：含碳量高，密度大，吸水性小，挥发分极小，组织致密而坚硬，热值大，灰分少，含硫量低。
2、说明煤的化学组成。
答：C H O N S 灰分（A）、水分（W）5、说明煤炭灰分的定义，怎样确定煤炭灰分的熔点和酸度？煤炭灰分的酸度与灰分的熔点有什么关系？答：灰分（A）所谓灰分，指的是煤中所含的矿物杂质在燃烧过程中经过高温分解和氧化作用后生成一些固体残留物。
灰分的熔点：灰分是多种化合物构成的，因此没有固定的熔点。
它是指灰分在软化到一定程度的温度。
灰分的酸度：是指灰分中的酸性成分与碱性成分之比。
酸度越大，灰分熔点越高。
7、煤的化学组成有几种表示方法？答：应用基 C%+H%+O%+N%+S%+A%+W%=100%分析基 C%+H%+O%+N%+A%+W%=100%干燥基 C%+H%+O%+N%+S%+A%=100%可燃基 C%+H%+O%+N%+S%=100%煤的工业分析内容是测定水分，灰分，挥发分和固定碳的百分含量。
8、煤的发热量：1kg煤完全燃烧后所放出的燃烧热叫它的发热量。
单位kj/kg。
9、什么是煤的高发热量和低发热量？答：高发热量：指燃料完全燃烧后燃烧产物冷却到使其中的水蒸气凝结成0℃的水时所放出的热量。
低发热量：指燃料完全燃烧后燃烧产物中的水蒸气冷却到20℃时放出的热量。
煤的耐热性是指煤在加热时是否易于破碎而言。
12、什么是煤的粘粘性和结焦性？答：粘粘性指的是粉碎后的煤在隔绝空气的情况下加热到一定温度时，煤的颗粒互相粘结形成焦块的性质。
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 。
燃烧学实验报告1
燃烧学实验报告学院专业学号学生姓名指导教师2017 年 01 月目录实验原理系统图、实验仪器仪表型号规格及燃料物理化学性质 (3)实验一Bensun火焰及Smithell法火焰分离 (6)实验二预混火焰稳定浓度界限测定 (8)实验三气体燃料的射流燃烧、火焰长度及火焰温度的测定 (11)实验四本生灯法层流火焰传播速度的测定 (15)燃烧喷管及石英玻璃管说明燃烧喷管共4根，分别标记为：I号长喷管—细的长喷管(喷口内径7.18mm)II号长喷管—粗的长喷管(相配的冷却器出口直径10.0mm)I号短喷管—细的短喷管(喷口内径5.10mm)II号短喷管—粗的短喷管(喷口内径7.32mm)石英玻璃套管共3个，分别标记为：I号玻璃管—最细的石英玻璃管(本生灯火焰内外锥分离用)II号玻璃管—中间直径的石英玻璃管(观察Burk-Schumann火焰现象及测定射流火焰长度用)III号玻璃管—最粗的石英玻璃管(测定射流火焰温度用)燃烧学实验注意事项1.实验台上的玻璃管须轻拿轻放，用完后横放在实验台里侧，以防坠落。
2.燃烧火焰的温度很高，切勿用手或身体接触火焰及有关器件。
3.燃烧完后的喷嘴口、水平石英管的温度仍很高，勿碰触，以防烫伤。
4.在更换燃烧管时，手应握在下端，尽量远离喷嘴口。
本生灯燃烧实验系统介绍一、本生灯燃烧实验系统本生灯燃烧实验系统如图1所示。
压缩空气（蓝色导管）通过减压阀门调节，进入浮子流量计调节测量。
甲烷（桔红导管）由气瓶开关、减压阀提供，接通单向电磁阀进入浮子流量计调节测量。
主控制面板上设计了一个主控单向电磁阀开关，只有当电源接通，开关按下时，燃料才能供应。
空气和燃气调节好当量比被分别输送进入一个混合管（混合管的功用是缓和气流的脉动，并使甲烷、压缩空气两股气体充分混合，以保证在本生灯管的进口处获得稳定、均匀的流动），该混合管连接一个内径为25mm的本生灯管，用于火焰结构演示实验、钝体火焰稳定实验。
根据火焰传播的余弦定理，已知管口直径，测量出火焰的高度，就能算出火焰锥角。
部分预混层流火焰结构的数值研究
部分预混层流火焰结构的数值研究火焰结构是燃烧物理研究的重要方面之一，因为火焰结构的研究可以更好地理解火势的发展和控制燃烧反应的机理。
近年来，随着计算机性能的提高，数值模拟得到了广泛的应用，在火焰结构的数值模拟研究中取得了较大的进展。
本文以《部分预混层流火焰结构的数值研究》为题，结合预混层火焰计算，研究了部分预混火焰结构和发展的基本特征。
首先，本文介绍了数值模拟预混火焰的基本原理和计算方法。
预混火焰是一种特殊的火焰，其中燃烧物质在空气和氧气的混合物中燃烧，构成一个温度和比热比不均匀的混合层。
由于其中涉及的物理过程比较复杂，因此不能采用完全统一速度模型来描述，本文采用了数值模拟方法，通过求解Navier-Stokes方程、质量守恒方程和热力学方程，结合拉格朗日方法求解本模型。
其次，本文通过详细的数值模拟，研究了温度场和比热比场的分布特征。
首先，根据计算结果的分析，研究发现预混火焰有四个结构层，分别是冷空气层，炽热空气层，燃烧比热比最大的层，以及已燃烧空气层。
其次，在空气层中，烟火气体的温度和比热比均呈现出明显的原位变化特征，且温度和比热比有一定的相关性等特点。
最后，在部分预混火焰中，空气层温度和比热比的分布更加复杂，温度变化更加剧烈，而比热比此时变化幅度较小，且两者之间相关性较弱。
最后，本文通过模拟实验，研究了部分预混火焰的发展过程，并得出结论：部分预混火焰的发展分为三个阶段，分别是混合层热化阶段、混合层火焰支撑阶段和混合层温度稳定阶段，火焰发展过程中温度和比热比均有较大的变化。
本文对预混火焰结构和发展的基本特征进行了研究，以期为实际火势演变和热力学过程的研究提供参考。
然而，尽管本文的研究有助于理解火焰结构的变化特征，但是目前空气流场气流场的分析计算尚未被彻底解决，因此有必要在这方面进行更多的研究。
综上所述，本文以《部分预混层流火焰结构的数值研究》为标题，从预混火焰的基本原理出发，通过数值模拟研究了部分预混火焰结构和发展的基本特征。
预混火焰稳定浓度界限测定doc
预混火焰稳定浓度界限测定◆所属课程：《燃烧学》◆实验类别：热能动力类专业级一、目的：观察预混火焰的回火和吹脱等现象，测定预混火焰的稳定浓度界限。
二、原理火焰稳定性是气体燃料燃烧的重要特性，在不同的空气/燃料比时，火焰会出现冒烟、回火和吹脱现象。
本试验装置可以定量地测定燃料浓度对火焰传播稳定性的影响，从而绘制得到火焰稳定性曲线(回火线)。
三、试验设备与燃料试验设备：小型空压机、稳压筒，Bensun火焰试验系统，冷却水系统，II号长喷管，有机玻璃挡风罩，点火器。
燃料：液化石油气。
四、试验步骤1. 开启排风扇，保持室内通风，防止燃气泄漏造成对人员的危害。
2. 启动压缩空气泵，直至压气机停止工作，保证储气罐有足够的空气量。
3. 按试验原理系统图，检查并连接好各管路，装上II号长喷管及冷却器(出口直径10.0mm)，接通循环冷却水；罩上有机玻璃挡风罩，稍开冷却水阀，确保冷却器中有少量水流过。
4. 打开空气(进气)总阀，按要求设定预混空气定值器压力(定值器已预先调整好，勿需学生调整)。
开启液化石油气开关阀，使燃气管充满石油气，然后打开燃气(进气)总阀。
5. 缓慢打开预混空气调节阀，使空气流量指示在150L/h左右。
再打开燃气调节阀，使燃气流量指示在3.8L/h左右，用点火器在喷管出口点火。
6. 调节(增加)空气流量，使火焰内锥出现黄尖，记录火焰发烟时的燃气和空气参数。
再增加空气流量，使管口形成稳定的Bensun火焰，记录圆锥火焰的燃气和空气参数。
然后缓慢调小空气流量，待形成平面火焰时，记录燃气和空气参数。
管口形成平面火焰为回火的贫富燃料线界限。
缓慢增加空气流量，待火焰被吹脱时，记录燃气和空气参数。
上述各种现象时的燃气和空气压力及流量记录于表一中。
7. 在3.8~5.2L/h之间，再选2~4个不同燃气流量点，重复6.中的实验内容。
8. 关闭燃气和空气阀门，整理试验现场。
五、数据处理1. 根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气和空气的测量流量换算成相同压力(如0.1MPa)下的流量值。
层流火焰传递速度测定
• 一根玻璃管内充满燃气空气混合气体，一端点燃，形成一个焰面， 此焰面从一端传播到另一端。
S Sn
距离L 时间t
火焰传播速度：S=L/t
垂直于焰面的法向速度：Sn=S*Ad/As Ad：玻璃管截面积 As：火焰前沿面面积
火焰高度法测火焰传播速度
• Sn=Wn=w· Cosθ=w· dA1/dS
• Wn：喷嘴出口速度； • w：流经微元火焰面ds的可燃混气流速。 • dS：锥状内火焰面上任意微元面面积。 • dA1：微元火焰面在喷口断面上的投影。
w Sn
我们认为火焰面上各处Sn都相同，流速w在断口 面上也均匀分布，则经积分运算得： Sn=V/A V——可燃混和气体体积流量。 A——锥面内焰面总表面积。 由几何运算求的锥面面积的： Sn=318V/（r*SQRT（r2+h2）) 318——常数，阻尼系数。 r，h——内焰锥面低圆半径和高度。
试验原理
• 当供给本生灯的燃气混合物处于火焰传播界限范围内（天然气在 可燃混合气体中的体积分数为5%-15%）已经层流运动工况时，在 本生灯管口可获得一稳定的锥状火焰面，在α<1时火焰有一清洗 的内锥面和外焰，α>=1时外焰消失只有内锥面焰面存在。内焰 面任意位置都满足未海尔松余弦定理。
静止气流中火焰传播速度
本生灯
德国化学家R.W.本生为装备海德堡 大学化学实验室而发明的用煤气为燃料 的加热器具。在本生灯发明前，所用煤 气灯的火焰很明亮，但温度不高，是因 煤气燃烧不完全造成的。本生将其改进 为先让煤气和空气在灯内充分混合，从 而使煤气燃烧完全，得到无光高温火焰。 火焰分三层：内层为水蒸气、一氧化碳、 氢、二氧化碳和氮、氧的混合物，温度 约300℃，称为焰心。中层内煤气开始燃 烧，但燃烧不完全，火焰呈淡蓝色，温 度约500℃，称还原焰。外层煤气燃烧完 全，火焰呈淡紫色，温度可达800～ 900℃，称为氧化焰，此处的温度最高， 故加热时应充分利用氧化焰部分。
【清华大学 燃烧学】燃烧理论_8层流预混火焰
燃烧室外壳
34 VP130(98)-023
Titan 130 可调机构阀和喷嘴
Vane Swirler for Practical LSBs
• Angled vanes to induce swirling motion in annulus
• Center channel allows some premixture to bypass swirl annulus
• Screen balances pressure drops between swirl and center flows
• Freely propagating premixed turbulent flame • Unattached and lifted flame • Flame stabilization does not rely on flow
recirculation • Stable under very rich to ultra lean conditions • High turn-down exceeding 50:1 • Emissions not highly sensitive to degree of
– Straight or curved vane with angles 37o < a < 45o
– Ratio of mass flow rates through center channel and swirl annulus 0.3 < m < 0.5
Unique Features of LSB Can Overcome Limitations of Premixed Combustion
2020/11/21 Saturday
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层流预混火焰浓度稳定界限的测定
实验成员：徐俊卿 郑仁春 韩超
一、实验的理论基础
现代工业要求尽可能高效地利用燃料，这就要求在稳定燃烧条件下，使燃料与空气以适当的比例混合燃烧。
因此对燃料燃烧特性及流体力学和热力学方面需要有详细了解。
预混可燃气燃烧时，如果预混气体的速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后完全熄灭，称为吹脱或吹熄。
反之，如果预混气的法向速度小于火焰传播速度，火焰将逆流向上游移动，进入燃烧器内部，即出现回火现象。
在燃烧过程中，出现回火和熄灭都是不允许的。
回火会引起爆炸。
熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。
回火现象只能出现在预混燃烧过程中。
在扩散燃烧中，燃料和空气是分别送入燃烧室的，在燃烧器内两者并不接触，因此没有回火现象。
熄灭或吹脱现象在预混燃烧和扩散燃
煤气 甲烷
（l/min ） 图1-1 甲烷/空气 煤气/空气 稳定曲线
要维持正常的稳定燃烧，就需要避免出现回火或熄灭现象，因而要求知道燃料的稳定燃烧范围。
这一稳定界限与燃料/空气比和环境的温度和压力有关。
图1—1是甲烷/空气煤气/空气在常温常压下预混燃烧的火焰稳定范围。
图中下部是富油燃烧区，稳定范围宽，不易回火和吹脱。
但火眼呈黄色，发光。
下面一根曲线为火焰尖顶出现黄色的界限。
图中上方为火焰吹脱熄灭界限。
当预混气处于该曲线上方时，火焰被吹脱。
左边回火界限呈斜山立形，预混气的状态处于山丘内时出现回火现象。
回火界限与预混气的空气气/燃气比有关。
当空气/燃气比接近化学计量值时，火焰传播速度快，稳定范围小，容易出现回火。
但这时燃烧效率最高。
二、实验原理
本实验用一套预混火焰装置（本生灯）进行实验，既可以定性观察预混火焰的各种现象，又可以定量地测定火焰浓度稳定的界限，火焰传播速度等各种燃烧特性。
～220V
图1-2实验系统图示意图
图1—2为实验装置系统图，小型压气机供给压缩空气，通过一个稳压减压阀保持气压
稳定。
流量由浮子流量计读数。
燃料可用丁烷气、城市煤气或石油液化气等。
由浮子流量计控制燃料流量。
空气和燃料分别送入混合块进行混合。
为保证燃料空气充分混合，并保
25
303540455055606570758085
A / F 100%
VF ml / min
由图：图形形状与预想较为相符，当纵坐标数值似乎过大。
按照实验数据，空气流量
很大，燃烧总为贫油燃烧，实验情况与贫油燃烧不相符。
若取空气流量与燃料流量相同，似乎实验与理论将比较符合。
实验误差主要源于：流量计测量误差；黄尖、回火、吹脱各状态的观察可能有偏差。
五、思考题
1．火焰的回火和吹脱的现象是怎样发生的?它有什么危害?怎样防止这种现象发生?
答：1）预混可燃气燃烧时，若预混气速度在火焰锋面上的法向分量大于火焰传播速度，火焰将向下游移动，最后熄灭，即为吹脱或吹熄。
而若该法向速度小于火焰传播速度，火焰将向上游移动，进入燃烧器内部，出现回火。
2）回火会引起爆炸。
熄灭使动力机械停止工作，并向周围扩散有毒气体，有中毒和爆炸的危险。
3）使燃料在稳定的燃烧范围内。
2．Smithells火焰内外圆锥各是什么火焰？生成Smithells火焰的条件是什么？
答：1）内圆锥是预混火焰，外圆锥是扩散火焰。
3．用以学过的知识，解释火焰顶端为圆形及管口淬熄区的形成。
答：在锥体顶部，火焰前沿的曲率半径和火焰前沿厚度在数量级上相当，因此，热传导及活性分子扩散非常强烈，提高了当地的火焰传播速度，这使得锥顶度圆。
由于火焰向金属壁面的散热或活性分子的销毁，靠近喷口处有一个无火焰区。
4．预混火焰稳定界限除与浓度有关外，还与哪些热物理参数有关？说出它们的定性关系。
答：1）还与环境的温度和压力有关。
2）温度升高，火焰传播速度增加，稳定界限上升；压力增加，火焰传播速度下降，稳定界限下降。