层流预混火焰外文翻译资料

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层流预混火焰

1 介绍与火焰传播速度的测量方法

从Hugoniot图中（图4.2），我们学习了两种燃烧波，分别是爆震波（Hugoniot曲线的区域Ⅰ和区域Ⅱ）和缓燃波（区域Ⅲ和区域Ⅳ）。爆震波是由燃烧维持的超音速波，而缓燃波是通过化学反应释放的热来传播的亚音速波。如先前提到的,在第Ⅳ区域不存在解,这是因为燃烧产物无法从超音速波中分离出来。第Ⅲ区域唯一的解是这章主要的研究对象。学习层流火焰时的一个主要任务是确定层流火焰传播速度，它是在给定的设定条件下缓燃波的唯一解。涉及浓度和温度分布方面的详细的火焰结构也是很有趣的。

火焰的速度定义为，流向燃烧波的未然混合气在燃烧波表面的法向的速度。为了测量这个量，已经发展了很多不同的测量技术。在下面的章节中，我们将简要地论述一些普遍的技术。想要获得更多与测量层流预混火焰速度和火焰结构的技术相关的详细信息，读者可以参考由Glassman, Gaydon 和Wolfhard, Beer 和Chigier, Weinberg, 和Kanury 写的书。

1.1 本生灯法

首个实验室预混火焰燃烧器是由Bunsen于1855年发明的。图5.1展示了一幅本生灯的原理图。燃气从本生灯底部附近的一个输气通道进入燃烧器。气态燃料射流使主要的空气从控制环的许多小孔中引射进来。随着燃料和空气在圆管内的流动，它们互相混合。在到达燃烧器顶部之前，燃气已经充分的混合好了，可以视为均匀的。在燃烧器口，火焰固定在燃烧器顶部附近。只要燃料的补给速率保持恒定，预混火焰在静止的大气环境中将保持静止和稳定。

由Gaydon 和Wolfhar绘制的一幅锥形预混乙烯-空气火焰展示在图5.2a中。由Weinberg提供的一幅锥形预混层流火焰的阴影照片展现在图5.2b中。由Weinberg提供的一幅预混火焰的可见（外圆锥）和纹影（内圆锥）圆锥的同时摄影照片在图5.2c中展示。

这些照片清晰的显示了一个发光的圆锥形区域，反应和热释放发生在这个区域中。在发光的圆锥下面，有一个黑色的区域（在图5.1中已标注），在这个区域中，未燃烧的燃气分子将它们的流向从最开始的垂直方向转变成朝外的方向。随后未燃烧的燃气立即到达了发光圆锥区域的下方，它们被加热到一个临界温度，在此温度下，迅速的化学反应开始发生。已燃燃气在离开火焰区域的过程中膨胀，并且它们被周围的空气稀释和冷却。一小部分流线被绘制在图5.1中，来描述在本生灯火焰附近的大致的流动特征。

发光区域的厚度通常不超过1mm。根据Glassman所述，发光区域的颜色随着燃-空比的变化而变化。当混合物中燃料稀薄时（空气过量），圆锥形表面呈深蓝紫色，这是由于高浓度被激活的CH自由基的辐射。当混合物中燃料富裕时（空气量不足），圆锥形表面是绿色的，这是由于高浓度的C₂分子的辐射。高温已燃燃气通常发出微红的白光，这是由于CO₂和H₂O的辐射。当混合物的燃料非常富裕时（火焰更加缺氧），碳颗粒会形成，会出现很强的黄色辐射。辐射之所以是黄色的，是因为该温度下黑体辐射在黄色区域的曲线峰值通常存在于这些预混火焰中。

图5.1 基于本生灯的预混层流火焰的原理图

与扩散火焰比较，本生灯产生的预混火焰相对整齐并且能发生更加强烈的燃烧，产生更高的有效温度。在简单类型的本生灯中，如图5.1所示，燃气从一个小的喷嘴或小孔中流出并将一些空气吸入（主空气）。燃气和主空气的混合物以一定的速度通过燃烧器管，该速度足够阻止火焰回火到管中。混合物因此能够在燃烧器顶部燃烧。为了更好的吸入空气，空气孔必须有足够的大小。被引射的空气量通常远远低于燃气完全燃烧所需要的量。

本生灯的尺寸有一定的限制。根据燃气-空气混合物的熄火距离（该术语在后面陈述）来设定圆管的直径的下限值。由大型的燃烧器的火焰上升的回火趋势来设定上限值。为了维持位于管口的火焰，对于一个给定的供给压力，有一个最大的燃气速度。为了使管中的每个点都有足够的速度和防止火焰回火，对于大型燃烧器，平均燃气速度必须增加。

图5.2 （a)预混乙烯-空气火焰的图片（由Gaydon和Wolfhard提供）。（b)锥形预混额层流火焰的阴影图像（由Weinberg修改；由J.W.Anderson拍摄）。（c）预混火焰的可见（外部）和纹影（内部）圆锥的同时摄影照片（由Weinberg修改；由J.W.Linnett拍摄）。

为了获得良好的混合和获得足够的时间让由燃气射流产生的涡流逐渐减弱，燃烧器要具有一定的长度，但是如果燃烧器太长，它会增加不必要的流动阻力和减弱空气的引射效果。对于天然气，通常管长应该是管口内部直径的6倍。对于有较高燃烧速度的预混燃气混合物，需要一个长的燃烧器，通常管长是其直径的10倍。管的内部直径通常大约1cm。前面所述的简单设计原理的本生灯被应用到很多燃气设备中，例如烹饪炉和燃气灶。

流过锥形火焰的流动布局绘制在图5.3中。让我们称最里面的圆锥形的锥形表面面积为A_f，管的横截面积为A_t，管内的平均流速为V_t。然后，层流火焰燃烧速度为S_L,定义为未加热预混燃气刚进入火焰区域的速度的大小，可以由质量连续性来确定：

(5-1)

因为锥形表面面积A_f比A_t大，所以S_L肯定比V_t小。

图5.3(a)本生灯管口附近的流动分布。(b)不同锥形表面的相对位置

虽然式（5-1）是一个很简单的等式，但在确定S_L上还是有一些困难。这是由于表面积A_f的不确定性。依靠光学方法，锥形面积的变化以图5.3b的方式表示。许多实验者使用阴影圆锥，因为它比纹影法技术更简单。阴影圆锥，更冷，可以给出比可见圆锥更加正确的结果。

在实验中，细小的氧化镁颗粒被卷吸入气态蒸汽，实验表明流动流线在到达纹影圆锥之前保持得相当的直，然后在达到可见圆锥前偏离燃烧器轴线。这些实验已经引导很多实验者使用纹影圆锥来估计火焰速度。总的来说，火焰区域越厚，测定S_L时的测量误差越大。

对于研究预混层流火焰，本生灯法最大的优势是设备简单，灵活，容易适应在初始温度和压力条件下的测量。然而，它也有一些缺点，如下所述：

1、化学组分与他们周围大气的扩散交换，通过在锥形火焰基底附近的圆周边缘，改变燃料-氧化剂比，以至于观测到的火焰速度也许不能代表测量的燃-空比。

2、很难完全消除壁面熄火效应对火焰速度的影响。

3、火焰圆锥在阴影测量时会起到镜片的效果。这会导致测定合适的圆锥尺寸时的不确定性。

4、空气的卷吸也许会不充分，在大直径燃烧器中造成回火的趋势。

本生灯法测量火焰速度S_L的精确度大概是plusmn;20%。

1.2 定容球形燃烧弹法

我们应该注意到，层流火焰不一定必须要像在图5.3中展示的本生灯火焰那样处于静止。它也可以在球形的有窗腔室中成为移动的火焰。在封闭定容球形燃烧弹法中，可燃的混合物是在一个刚性的球形容器中间被点燃，通常这个容器的直径大约是30cm。随着火焰发展，膨胀的已燃燃气的绝热压缩作用，会导致未然燃气的压力和温度上升。温度的升高将导致火焰速度从容器中心到壁面不断的加快。在这种方法中，已燃燃气的球形区域的尺寸和容器内压力的同时记录可以用来测定S_L。从未燃气体瞬时质量随时间变化的考虑可以表示出，球形爆燃波的层流火焰速度是与dp/dt和dr/dt有关，根据

(5-2)

上式中，p和r是瞬时的腔内压力和球形火焰半径。R是球形容器的内部半径，而gamma;_u未燃燃气的比热比（绝热指数）。在式(5-2)中，通过是两个时间导数的差获得S_L，这两个对时间的导数的量级是相近的，因此，在计算S_L时，误差会在这些导数中被放大。

另一种估计燃烧速度的方法是确定已燃燃气的质量分数Y的变化率。如下

(5-3)

上式中p_i是未反应燃气混合物的初始压力。对于Y的值较小的，Y的值可以由下式计算

上式中，p_e是基于定容燃烧条件下的腔室平衡压力，它可以由热化学原理计算出来。由定容球形燃烧弹法推出的火焰速度假设在火焰前锋面后完全均衡并且物热损失。紧跟在火焰前锋后面的相对大的体积中任何达到平衡的延迟将造成误差；使用上述表达式计算出的S_L的值通常比实际值要小。

1.3 肥皂泡（定压燃烧弹）法

在肥皂泡法中，均匀可燃混合物为用来吹一个围绕在一对火花电极周围的肥皂泡。在时间为零时（刚开始），包裹在一个球形肥皂泡内的燃气混合物被火花点燃（如图5.4）。一个计算火焰速度的近似方法如下所示

(5-4)

上式中V_flame是球形火焰前锋面的平均空间速度，r_i是肥皂泡的初始半径，而r_f是已燃燃气的球的最终半径。总的来说，我们可以假设：（1）在气态混合物中球形火焰在径向扩散均匀；（2）压力始终不变;(3)火焰前锋面的成长可以使用一些摄影方式跟踪。

图5.4 肥皂泡法的实验装置

瞬时火焰速度可以通过将

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