基本介紹
- 中文名：層流燃燒速度
- 外文名：laminar burning Velocity
- 實驗方法：定容燃燒彈法為主
- 影響因素：火焰拉伸
性質,測量方法,影響因素,意義,
性質
層流燃燒速度是一維絕熱平面的火焰面相對於來流未燃預混氣體的速度。層流燃燒速度是反應燃料燃燒特性的重要參數之一。
測量方法
層流燃燒速度的測量主要有本生燈法，對沖火焰法，定容燃燒彈法等。
本生燈法
典型的本生燈火焰，是軸對稱的圓錐型預混火焰，如圖1－1所示。其基木原理是一定量的未燃預混氣體在燃燒器或圓管內作層流流動，若將其點燃，則圓錐型火焰穩定在質量流率和質量燃燒率達到平衡時的燃燒器或圓管出口處。木生燈法是利用預混火焰錐來確定層流燃燒速度。在穩定狀態下，單位時間內火焰前鋒面被燒掉的混合氣等於單位時間內噴口流出的可燃混合氣，據此來確定層流燃燒速度。
圖1-1
本生燈火焰的優點：燃燒器較為簡單，實驗過程容易操作。但是在本生燈法的測量中，需要持續提供未燃氣，靠近管壁處的氣流受到了管壁散熱冷卻作用使得火焰前鋒正常火焰燃燒速度比其他部位低，管中必處氣流受到火館加熱作用而使得火焰前鋒的正常拉伸火焰速度達到最大值，因此層流燃燒速度在不同區域會產生差異。此外，由燈口噴出的可燃混合氣在過渡到劇烈燃燒之前，存在一個很薄的加熱層，因此，火焰前鋒錐體的形成要離開燈口－小段距離，並且要比燈口尺寸略微擴大。
對沖火焰法
在兩個相距一定距離的對置噴嘴中，通過射流的形式提供相同相對的混合氣體，點燃可燃氣後，使得兩個火焰有相互滯止的作用。如圖1－2所示，在射流方向，氣流速度沿著軸向方向下降，相撞後產生橫向的速度分量，火焰也會向著橫向延伸，因此火焰整體也是被拉伸的。在實驗中，可W很方便地任意調節兩個噴嘴之間距離和噴嘴出口預混氣體流速，因此通過調節噴嘴之間距離和噴嘴出口預混氣體流速改變對沖火焰的拉伸率，可測得拉伸火焰速度以及火焰拉伸率，通過擬合推導出速度梯度為0時候的燃燒速度即為層流燃燒速度。對沖火焰的優點：對沖火焰構造出一種絕熱狀態，避免了熱損失的影響。但是對沖火焰需要示蹤粒了，同時對實驗條件要求較高。
圖1-2
定容燃燒彈法
在密閉的容器內充滿可燃氣體，在容器中屯、通過點火系統點燃混合氣，火焰由點火中屯、向四周傳播，通過紋影系統和高速攝影，可採集火焰的傳播過程，進而推導層流燃燒速度。如圖1－3所示，在火焰傳播過程中，向四周膨脹的已燃氣體會使未燃區的壓力和溫度不斷提高，通過壁面反射的壓力波又會進而作用到火焰面，影響火焰的傳播過程。因此，在層流燃燒速度的測量中，會在定容燃燒彈上安裝缸壓感測器，測量缸內壓力的變化。在推導層流燃燒速度時，使用壓力幾乎保持不變時的火焰紋影圖片，計算層流燃燒速度。定容燃燒彈法的優點是實驗裝置簡單，實驗能夠連續記錄火焰傳播過程，保證拉伸率及火焰速度從同一個實驗得到，方便推導馬克斯坦長度，方便進行高壓試驗。缺點是點火能量對火焰傳播初期有影響，邊界對火焰傳播後期有影響，因此，在實驗室中，會選取不受點火能量W及壁面影響的區間進行層流燃燒速度的推導。
圖1-3
在以上幾種常見方法中，本生燈火焰會受到壁面的影響，同時火焰尖端受到火焰拉伸的影響較大；對沖火焰需要提供示蹤粒子，且對實驗條件要求很高；對於球形火焰，受點火能量及壁面的影響，只有部分數據能夠用來推導層流燃燒速度，但實驗裝置較為簡單，實驗過程中可記錄連續的火焰傳播過程，保證拉伸率及火焰速度從同一實驗得到，可推導出馬克斯坦長度，並且方便進行高壓試驗。因此，近年來，定容燃燒彈法廣泛套用於研究層流燃燒速度的實驗中。
影響因素
火焰拉伸對層流燃燒速度有較大的影響，是引起誤差的主要因素，燃燒速度對火焰拉伸的敏感程度可通過馬克斯坦長度(Marksteinlength)來表征。
混合氣成分比例
對於層流燃燒速度，變化趨勢和無拉伸火焰速度基本一致，即層流燃燒速度隨著氨氣比例的增大而降低。具體而言，氨氣比例小於10%時，層流燃燒速度隨著氨氣比例增大而明思増大。當氨氣比例處於10%和100%之間時，層流燃燒速度隨著M氣比例增大而增大的趨勢相對平緩。
（1）H2+CH4/CO混合氣，當H2的比例為0時，隨著CH4比例的升高，層流燃燒速度先增大後減小，火焰的最大層流燃燒速度出現在CH4比例為20%左右。當H2的比例為40%時，隨著CH4比例的升高，層流燃燒速度逐漸減小。層流燃燒速度的變化趨勢和絕熱火焰溫度的變化趨勢不完全一致，說明絕熱火焰溫度不是影響層流燃燒速度的唯一因素。
（2）H2+CH4/CO混合氣，在H2比例為0%時，在小CH4比例下(CH4比例小於20%），隨著CH4比例增大，OH自由基生成速率最大的鏈分支反應R1(H+O2=O+OH)反應速率增大，OH自由基濃度明顯増大。同時主氧化反應R31（C0+0H=C02+H）的敏感性係數較大，鏈分支反化R1的敏感巧係數增大，對層流燃燒速度的升高有積極的促進作用。隨著CH4比例的繼續增大，R1的反應速率下降，OH濃度上升趨勢受到抑制，R31反應速率下降，敏感巧係數降低，此外絕熱火焰溫度的下降共同導致了火焰的層流燃燒速度下降。
（3）H2+CH4/CO混合氣，當H2比例從0%變為40%時，基元反應R31的敏感性係數有較大程度的降低，且隨著CH4比例升高，和H2比例為0%時不同的是，OH自由基的摩爾分數隨著CH4比例的升高有所下降，此外，相比於H2比例為0%，當H2比例為40%時，敏感性係數小於R31的基元反應R3（OH+H2=H+H2O）的反化速率明思增大，消耗了大量OH自由基，因此R31的反應速率隨著CH4比例的増大出現下降趨勢。此外，火焰絕熱火焰溫度隨著CH4比例升高而降低，因此，在熱力學主導的作用下，層流燃燒速度隨著CH4比例升高而單調下降。
（4）CO+H2/CH4混合氣，當CO的比例為0時，隨著H2在CO+H2/CH4中比例的升高，層流燃燒速度增大，速度增大幅度明顯；當CO的比例逐漸增大，隨著H2在H2/CH4中比例的升高，層流燃燒速度增大幅度逐漸減弱：當CO比例增大到95%時，隨著H2在H2/CH4中比例的升高，層流燃燒速度開始減小，此時層流燃燒速度的變化趨勢和絕熱火焰溫度的變化趨勢完全不同，說明絕熱火焰溫度不是影響層流燃燒速度的主導因素。
（5）CO+H2/CH4混合氣，當CO比例為60%時，隨著也比例的升高，敏感性係數較大的基元反應R1(H+O2=O+OH)及R31(CO+OH=CO2+H）的反應速率均有思著升高，對增大層流燃燒速度有積極作用。此外，絕熱火焰溫度隨著H2比例增大而升高，進而在共同作用下增大層流燃燒速度。
（6）CO+H2/CH4混合氣，當CO比例為95%時，隨著H2比例的升高，H和OH自由基濃度均有下降，敏感性係數較高的基元反應R31(CO+OH=CO2+H）、R1(H+O2=O+OH)和R16(HO2+H=OH+OH)的反應速率下降，進而影響火焰的層流燃燒速度。雖然火焰的絕熱火焰溫度隨著H2比例増大而升高，但由於化學動力學影響起到了主導作用，因此層流燃燒速度出現下降趨勢。
（7）CH4+H2/CO混合氣，隨著H2在H2/CO混合氣中比例升高，層流燃燒速度增大；CH4比例越小，增大的幅度越大。
火焰溫度
對於層流燃燒速度，火焰溫度是十分重要的影響因素。針對不同H2比例下絕熱火焰溫度的變化開展了研究，絕熱火焰溫度通過Gaseq軟體得到。隨著當量比的增大，絕熱火焰溫度升高，隨著氨氣比例的增大，絕熱火焰溫度不但沒任增大，反而在當量比小於1j時稍有減小的趨勢。因此，對於層流燃燒速度隨著氨氣比例增大而迅速增大，火焰燃燒溫度並非是主導因素，因此，還有其他影響因素對層流燃燒速度的變化規律起作用。
初始壓力
層流燃燒速度隨著初始壓力的增大而減小，技是由於隨著初始壓力的增大，溫度不敏感的鏈終止反應化H+O2+M=HO2+M的反應速率得到加強，消耗了大量的H自由基，而溫度敏感巧強的鏈分支反應化H+O2=O+OH的反應速率基本保持不變。因此，在鏈終止反應加強的作用下，H2/CO/air混合氣的層流燃燒速度隨著初始壓力的升高而降低。
意義
層流燃燒速度可用於分析和預測發動機的燃燒性能，對指導發動機的最佳化設計有重要意義。從基礎研究的角度來看，層流燃燒速度是用來驗證燃燒過程中化學反應機理的重要參數，是建立健全預混燃燒數理模型的重要基礎，同時是提供仿真計算的基礎燃燒數據；從工程化用的角度來看，層流燃燒速度是影響燃燒系統綜合效率的重要因素，是理論預測燃燒過程及研究燃燒產物生成機理的重耍基礎，因此預混層流燃燒速度的研究具有重要意義。
