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

流动中存在钝体将在其后引起一个回流区的产生，这是由于在钝体边缘发生了气流分离。如果流动的是可燃混合物，并且对其点火，那么火焰就将稳定在回流区和自由流之间的剪切层中。这有两个原因，一是因为在回流区的湍流边界层中有质量和热量的交换，它们将热的燃烧产物带入回流区，使之回流到火焰根部，形成一个连续的点火源；二是因为回流产生了局部低速区，因此火焰可能在高的自由流速下连续。回流区实际上在产生动力的每一个场合都有应用：在工业燃烧器、燃气涡轮、煤发电站和加力燃烧室中。它可能是在高速流中稳定火焰的唯一的实用的和低成本的方法。

最后，当速度过高时，火焰将可能会熄灭或吹熄。一个直接的解释就是，太高的气流速度将会提高对流和紊流扩散的能力，将热从反应区转移，使温度下降，因此易于发生熄火。另一种解释是，我们提供了太多的反应物，我们对火焰“要求太多”。在燃烧理论中，这种情况经常被表达成两种时间尺度的比较：当完成化学反应所需要的时间比流体力学情况所允许的时间（例如，在反应区的滞留时间）要长时，就会发生熄火。

包含这些想法的理论是基于良搅拌反应器概念，它是实际回流区稳焰的一种理想化模型。根据这个模型，如果火焰在回流区的滞留时间太短，使燃烧不能完成，那么火焰将会熄灭。这个滞留时间尺度等于钝体的直径除以自由来流

2的速度U，physD/U，而化学时间尺度大约等于chem/SL，其中SL是层流

火焰传播速度，α是热扩散系数（等于k/ρcp ,其中k为导热率，ρ为密度，cp为比热，所有的值都取室温下的空气的相应值）。比率τphys / τchem叫作Damköhler数，用Da表示。因此，总的来说，在一个给定的燃烧室中，当Da值低于某临界值时火焰将会熄灭，该临界值取决于燃烧器的外形参数。对于熄火还有其他 一些更复杂的理论，但是对于数据解释，这种理论已经足够了。

在本实验中，通过分别改变气流流率和当量比，连续改变着物理和化学的时间尺度。考察一下对于钝体火焰，临界Damköhler数的概念是否有效。为了将相应理论从值班火焰尺寸的试验台推广到真实尺寸的燃烧器，这个概念在工业上用得非常广泛，因此学习如何应用这个概念是非常重要的。

二、 实验目的

1、演示火焰传播过程和测定火焰传播速度。 2、掌握测量层流火焰传播速度的另一种方法。

三、 实验设备

火焰传播速度装置（图1）由火焰传播实验台架一套，浮子流量计两个，空

气压力表、甲烷压力表各一个，双向开关一个，点火开关一个，甲烷流量调节开关一个，单向电磁阀一个，混合器一个、双路直流稳压电源一台，数字计时器一台，周围光源传感器两个，强化石英玻璃管一个，有机玻璃保护屏一个，以及支架、点火火花塞、混气管等组成。

图1 火焰传播速度装置

火焰速度传播实验：将调节好恰当的混合气经过混合管，输入到一根长1.5m、直径25mm的石英玻璃管的一端口上进行充气，经过约70秒管内充足混合气体，便将混合管移至窗外。石英玻璃管的另一端口有一点火器装置将点燃，燃烧的火焰此时在玻璃管内可观察到火球传播。沿着火球传播玻璃管外，放置了两个相距1.4米、用于感知火焰的周围光源传感器，并配以相应的数据采集系统。实验中将记录火焰面先后通过这两个传感器的时间差∆，然后采用

xu

t计算出火焰通过这两个传感器间的平均传播速度SL。

四、 实验原理

空气和燃气调节好当量比被分别输送进入一个混合管，该混合管连接一个内径为25mm石英玻璃管，用于火焰传播速度演示实验。本实验观察火焰在一个石英玻璃管中的传播，是属于层流火焰传播过程，它的传播速度是一个定值。通过测量火焰传播的时间和距离就能算出传播的平均速度。在这个实验中，用于感知火焰面的两传感器的距离是固定不变的，为一个定值，这里主要测量火焰通过这段距离所用的时间，时间的测量是通过周围光源传感器感受到的火焰发光面信号传给数字计时器，记录这两个信号间的时间差就能知道火焰通过两传感器的传播时间。

五、 实验步骤

1、图1所示。打开压缩空气阀门（空气压力0.3Mpa），调节减压阀出来的压缩空气符合实验压力要求。

2、打开甲烷气罐阀门，调节减压阀（甲烷压力0.1MPa），符合实验要求。 3、打开控制总开关，接通电磁阀。

4、调节浮子流量计使得压缩空气和甲烷流量达到当量比为Φ=1的流量。 5、将甲烷气体和压缩空气送入混合器，混合器将已知配比适合点燃的混合气体送石英玻璃管一端中。

6、大约经过70秒,关闭甲烷调节控制阀，（迅速抽出混合管甩到窗外）管的两个端口保持堵塞状态3～5秒，以便混合气体继续混合，然后按点火器控制键，在玻璃管的另一端用点火电嘴点火。此时可以看见一个火焰面从点火端向另一端传播。观察火焰传播现象并记下火焰传播时间。

7、记录两个传感器之间的距离∆S和过数字计数器传过这段距离所用的时间∆t。

8、重复实验几次，求平均值。

9、关闭甲烷气瓶阀，关闭压缩空气阀。 10、关闭电源和数字频率计数器。 11、实验结束。

六、 实验数据处理

1、气体流量

由于本实验所用空气为压缩空气，则其空气压力必然会对流量造成一定影响，浮子流量计的读数用m3/h表示的体积流量。那么，由公式PVnRT可知，压力与体积成反比，用V测 表示实测的流量，可用公式VPairV测/P0算出常压下的空气体积流量Vair。

2、当量比

对于空气中的甲烷，化学恰当燃料/空气体积比为1: 9.2。 3、误差分析

气流速度的误差大概为±5%，这是由于浮子高度的读数误差以及浮子流量计标定和曲线拟合的误差。因此在估计计算当量比时的组合误差同时，还必须估计在测量火焰速度和贫油熄火极限时的误差，这取决于操作者。

火焰传播速度余弦定律：

设气流与焰锋法线方向成一夹角φ，可把气流分解成两个分速，一个是与焰

锋表面垂直的法向分速un，一个是与焰锋表面平行的切向分速uT。前者产生的牵连运动将使焰锋沿a-b顺着焰锋表面移动。当火焰稳定时，这两个分速引起的焰锋牵连运动将得到平衡和补偿，亦即焰锋相对于灯口的位置不变。显然，与法向分速un相平衡的正是当地的火焰传播速度ul，他们的大小相等而方向相反，从数值上看un=ul。

由于

unucos

所以

ulucos

这就是说，在火焰稳定时，迎面气流速度在火焰前锋法向上的投影，即法向分速，在数值上必等于混气的火焰传播速度，这就是余弦定律。

本生灯层流火焰传播速度计算公式：

令内锥表面积为Af，灯管的截面积为At，管内的平均流速为Vt，层流火焰传播速度SL就可以用连续方程来确定。

SLVt(At/Af)

由于锥体表面积Af大于Ar，所以SL必小于Vf。

表1 当量比与甲烷、空气的流量对照表 Φ Vair(m3/h) VCH4(m3/h) 0.6 2.38 0.7 2.04 0.8 1.79 0.9 1.59 1.0 1.43 0.15 1.1 1.30 1.2 1.19 1.3 1.1 1.4 1.02 表2 理论的甲烷—空气混合物的层流火焰传播

速度 Φ SL(m/s) 0.8 0.30 0.9 0.38 1.0 0.43 1.08 0.45 1.1 0.44 1.2 0.40 1.3 0.31 1.4 0.18 七、 实验注意事项

点火前一定要确认将混气管移出石英玻璃管，并移至到窗外。监控人员必须有一名学生专人负责，向点火人员报告能否点火，接到监控人员的可以点火指示。点火人员才能按点火按键。

火焰传播速度测量系统的调试：

1．将两只传感器分别安装在距石英玻璃管体两端口50毫米处支架上。

2．接上电源，通用计数器必须进行如下设置：

a、通道A（左通道）、B（右通道）的4盏指示灯均为上面3只灯亮； b、 按通道“CH”，“TOT” 清零。 设触发电平用功能键调至“600mv”； c、重复(b)，设置另一通道触发电平； d、按“TI”，即测“时间间隔”的意思； e、按“TOT”清零，即可工作。

八、 思考题

1.层流火焰传播速度的定义是什么？对于扩散火焰，是否存在火焰传播速度？