层流火焰概念
cantera里面求解层流火焰速度的方程
cantera里面求解层流火焰速度的方程
层流火焰速度是指在燃烧过程中火焰传播的速度，它是燃烧动力学研究中的重要参数。
在Cantera中，我们可以使用一些数学模型和求解方法来计算火焰速度。
我们需要定义火焰的组分和温度分布。
Cantera提供了丰富的化学机制和热力学数据，我们可以选择合适的机制来描述我们研究的燃料和氧化剂。
然后，我们可以通过设置适当的初始条件，如温度、压力和组分分布，来模拟火焰的形成和传播过程。
在Cantera中，我们可以使用一些求解器来求解火焰速度。
其中一个常用的方法是使用一维稳态火焰模型，该模型基于质量守恒、能量守恒和动量守恒等方程。
通过求解这些方程，我们可以得到火焰的温度和组分分布，从而计算出火焰速度。
当然，在使用Cantera进行火焰速度求解时，我们也需要考虑一些其他因素，如化学反应速率、传热和传质等。
这些因素都会对火焰速度产生影响，因此需要在模型中进行合理的考虑和处理。
Cantera提供了丰富的工具和方法来求解层流火焰速度。
通过合理选择化学机制、设置适当的初始条件和使用合适的求解器，我们可以得到准确的火焰速度。
这对于燃烧动力学研究和工程应用都具有重要意义，有助于我们更好地理解和控制火焰的传播过程。
层流燃烧温度
层流燃烧温度层流燃烧温度是指在燃烧过程中，燃料与氧气充分混合后产生的最高温度。
层流燃烧是一种高效的燃烧方式，其温度是燃料燃烧的关键因素之一。
层流燃烧温度主要受到燃料的种类、氧气供应方式、燃料与氧气的混合程度以及燃烧设备的设计等因素的影响。
不同的燃料具有不同的燃烧温度，常见的燃料包括天然气、煤炭、石油等。
天然气燃烧温度相对较低，煤炭和石油的燃烧温度较高。
氧气供应方式也会影响层流燃烧温度。
一般来说，氧气的供应方式可以分为两种，一种是自然通风，另一种是强制通风。
自然通风是指通过自然气流将氧气输送到燃烧区域，而强制通风则是通过风机等设备将氧气压力输送到燃烧区域。
强制通风相对于自然通风来说，可以提供更多的氧气，进而提高燃烧温度。
燃料与氧气的混合程度也是影响层流燃烧温度的重要因素。
混合程度越高，燃料燃烧时与氧气的接触面积就越大，燃烧反应也就越充分，进而燃烧温度也就越高。
为了提高混合程度，可以采取一些措施，比如增加燃料和氧气的接触时间和接触面积，调整燃料和氧气的比例等。
燃烧设备的设计也会对层流燃烧温度产生影响。
设计合理的燃烧设备可以提供更好的燃烧条件，使燃料和氧气充分混合，从而提高燃烧温度。
例如，在燃烧设备的设计中可以考虑采用喷嘴、燃烧室等结构来增加燃料和氧气的混合程度，提高燃烧效率。
层流燃烧温度的高低直接影响到燃烧过程的效率和环境影响。
燃烧温度越高，燃料燃烧的充分程度和燃烧效率就越高，能量利用率也就越高。
同时，燃烧温度过高也会导致一些问题，比如燃烧过程中产生的氮氧化物和硫氧化物等有害物质的生成量增加，对环境造成污染。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况合理调节层流燃烧温度。
一方面，要尽量提高燃烧温度，提高燃烧效率和能量利用率，减少对环境的污染。
另一方面，也要注意控制燃烧温度，避免温度过高导致的问题。
层流燃烧温度是燃烧过程中的重要参数，其高低直接影响到燃烧效率和环境影响。
在实际应用中，需要综合考虑燃料的种类、氧气供应方式、燃料与氧气的混合程度以及燃烧设备的设计等因素，合理调节燃烧温度，以实现高效燃烧和环保燃烧的目标。
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 。
chapte火焰传播理论
• 钝体稳焰的第二个原理：钝体后方，燃料与空气混合物射流 的主流区域中，存在从高速到负流速的分布区域，很容易形 成 w uce 的条件
39
三、其它稳焰方法
在流速较高的预混可燃主气流附 近放置一个流速较低的稳定的小 型点火焰（值班火焰）
第三章 火焰传播理论
3.1 火焰传播
•
在可燃混合物中借助于外加能源使其局部 着火，而后着火部分向未着火部分输送热 量及活性粒子，使之相继着火燃烧，此即 火焰传播问题。
火焰传播原理：火焰前锋内剧烈的燃烧化学反应使其在 边界上产生了很大的温度和浓度梯度，从而导致了强烈 的热质交换。热质交换又引起了邻近的混合气的化学反 应，由此形成了化学反应区在空间的移动，故火焰传播 是一个复杂的物理化学过程。
1
1
O
O
O
火焰稳定
脱火：各处均为 w ＞u
ce
回火：w很小， uce＞w，火 焰逆流传播，而成回火 25
1k 的大小对于火焰稳定与否有很 大影响
uce 在
略小于1时最大，但α≈1时火焰稳定区不
宽，尤其当α>1时更窄。
26
w
黄 色 火 焰 区
脱火区 稳定区
当 1K=0 ，纯扩散火焰，不 可能回火，因为管道中没有 氧气，火焰传播速度为0。 也不易脱火，因为，随着燃 料在环境中的扩散，与氧气 混合，火焰传播速度上升， 而流速却在扩散过程中不断 下降，很容易出现火焰稳定 点。 火焰极为稳定，但化学不完 全燃烧损失大。
21
脱火、回火的本质在于火焰传播速度 与气流速度之间平衡的问题。
uce＞w
Wn为
回火
uce＜w
w wm
脱火
w在法向分量：
uce＞wn uce＜wn
非预混层流火焰模型
在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数，具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率，第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物
质的比焓。耗散标量 必须在小火焰中定义。公式 14.4-2 的变形形式在【114】中使用。
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数，p 是压力，Xi 是第 I 种物质的摩尔分数，a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变 率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。
平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v 是燃料和氧 化剂的速度，d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 很方便。标量耗散定义如下：
在平衡பைடு நூலகம்预混燃烧模型中，温度的极限为
和
。对非绝热小火焰模型，
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限
层流火焰传递速度测定
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。
转子流量计
天然气
湿式流量计
混合气
风机
调节阀 湿式流量计 稳压箱
本生灯 垂高仪
实验步骤与结果记录
1. 启动风机，调节风量，使本生灯出口流量约为 0.6m/s。并读出空气流量。
2. 由以上空气流量粗略估算出空气系数为0.8、0.9、 1.0、1.1、1.2的天然气流量。
3. 开启天然气阀，按上述5种情况调整天然气流量。 4. 待每一工况稳定后，有湿式流量计计测出天燃气、
空气的体积流量（空气5升，天然气1升的时间）， 由垂高仪测出火焰内锥高度。 5. 记录室温，计算Sn。 6. 结果记录，P67。
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。
α=燃烧1kg 燃料所实际供给的空气质量/ 完全燃烧1kg 燃料所需的理论空气质量
α＞１,空气过剩；α<1，燃烧不充分。
第六章层流预混火焰传播
5 m2
/
s
将上述的DT和 RR 的值代入层流火焰速度公式得：
SL
=
[2( DT w f ,ur
u
____
) RR]1/2
=
[2*
5.89 * 101
5
* 107.3 ]1/ 2 * 1.16
=
0.425m
/
s
=
42.5cm
/
s
15.625+ 1
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
动力燃烧: m r r
（预混～） 混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于 Premixed～ 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。
二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）
将以上方程从 x xi
(式中T Ti；dT / dx dT / dx
)
xi
到 x (式中T Ti ; dT / dx 0) 积分，得
Tb
1/ 2
(dT / dx)
xi
2H R
Ti
RRdT
（6-6）
方程（6-6）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导 进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。
P
u
u
2 u
(Tb
/
Tu
)
1
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
工程燃烧学工程燃烧学23
• 在火焰前锋厚度的很大一部分区域 ，化学 反应速度很小，这部分称为可燃混合物的 “预热区”。化学反应主要集中在很窄的区 域 中，在这个区域内反应速度、温度和活 化中心的浓度都达到了最大值。称为“化学 反应区”，也称为火焰前锋的“化学宽度”。
一、层流火焰焰锋结构
• 如果在本生灯直管内的预混可燃气体流动为层流，则在管口处可得到稳定的正锥形火焰前锋。 在如果层流火焰在管道内传播，则焰锋呈抛物线形；若在管内的层流预混可燃气流中安装火 焰稳定器，则会形成锥形焰锋。
• 层流中的火焰前锋形状是多种多样的。但在火焰锋面的两侧必然是未燃的预混可燃混合物气 体和已燃的烟气，在很薄的焰锋面内进行着剧烈的燃烧化学反应和强烈的两类气体混合。四、Fra bibliotek流火焰传播速度
燃料
氢 乙炔 乙烯 甲烷 苯 丙烯
理论空 气量
Lo （kg/kg）
34.5 13.25 14.8 17.23 13.3 14.8
燃料体积浓度（%）
化学 当量 29.5 7.75 6.56 9.5 2.73 4.47
着火 下限 4.0 2.5 2.7 5 1.4 2.0
着火 上限 75 81 34 15 7.1 11
着火限时过量空 气系数
下限
上限
10.1
0.14
3.57
0.18
2.51
1.35
1.98
0.39
1.96
0.36
2.28
0.37
火焰传播 对应于
速度 vLmax （cm/s）
vLmax体积 浓度（%）
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层流火焰概念
层流火焰概念
层流火焰是指在燃烧室中形成的一种稳定的、纵向分层的火焰结构。
它是工业燃烧过程中常见的一种火焰形态，具有高效、稳定和低排放等优点，广泛应用于工业生产中。
一、层流火焰的定义和特点
1.1 定义
层流火焰是指在燃烧室中形成的一种稳定的、纵向分层的火焰结构。
它通常由多个较薄且相对独立的气体层组成，每个气体层内部具有相同的温度和组成，并且相邻两个气体层之间存在明显的温度和组成梯度。
1.2 特点
（1）高效：由于每个气体层内部具有相同的温度和组成，可以有效地控制燃料和氧气之间的混合程度，使得燃料能够充分地与氧气反应，从而提高燃烧效率。
（2）稳定：由于每个气体层都是相对独立的，不会相互干扰或干扰外部环境，因此层流火焰具有较高的稳定性，不易受到外界因素的影响。
（3）低排放：由于燃料和氧气之间的混合程度受到有效控制，可以使得燃烧产生的废气排放量降低，从而减少对环境的污染。
二、层流火焰的形成机理
2.1 燃料和氧气混合
在燃烧室中，燃料和氧气通过喷嘴或其他方式进入，并在一定条件下
混合。
由于不同层次之间存在温度和组成梯度，使得混合程度不同。
通常情况下，在较高温度和较高浓度的区域，混合程度较好；而在较
低温度和较低浓度的区域，则混合程度相对较差。
2.2 燃烧反应
当燃料和氧气混合到一定程度时，就会发生燃烧反应。
在反应过程中，产生大量的能量释放，并且会改变温度、压力和组成等参数。
由于不
同层次之间存在温度和组成梯度，使得燃烧反应发生的位置和强度不同。
通常情况下，在较高温度和较高浓度的区域，燃烧反应比较强烈；而在较低温度和较低浓度的区域，则反应相对较弱。
2.3 火焰传播
随着燃料和氧气的不断混合和反应，火焰开始在燃烧室内传播。
由于不同层次之间存在温度和组成梯度，使得火焰传播速度不同。
通常情况下，在较高温度和较高浓度的区域，火焰传播速度比较快；而在较低温度和较低浓度的区域，则传播速度相对较慢。
三、层流火焰的应用领域
层流火焰具有高效、稳定和低排放等优点，广泛应用于工业生产中。
以下是一些典型的应用领域：
3.1 工业锅炉
工业锅炉是指用于产生蒸汽或加热水等工业用途的设备。
在工业锅炉中使用层流火焰可以提高燃料利用率、降低排放量，并且可以实现低氮燃烧，减少对环境的影响。
3.2 工业窑炉
工业窑炉是指用于生产陶瓷、玻璃、水泥等工业产品的设备。
在工业窑炉中使用层流火焰可以提高温度均匀性和稳定性，从而提高产品质
量和生产效率。
3.3 工业干燥机
工业干燥机是指用于将湿度较高的物料干燥至一定程度的设备。
在工业干燥机中使用层流火焰可以提高干燥效率、降低能耗，并且可以减少对物料质量的影响。
四、总结
层流火焰是一种稳定的、纵向分层的火焰结构，具有高效、稳定和低排放等优点，广泛应用于工业生产中。
其形成机理主要包括燃料和氧气混合、燃烧反应和火焰传播等过程。
在实际应用中，层流火焰被广泛应用于工业锅炉、工业窑炉和工业干燥机等领域，为工业生产提供了高效、稳定和环保的解决方案。