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高速燒嘴：高速混氣流中火焰穩定原理

添加時間：2018/9/2 15:18:59 瀏覽次數：2438

在高強度的燃燒室中，高速燒嘴混氣的平均流速比火焰傳播速度大得多。如果不采取特殊的措施，火焰是不能穩定地燃燒的。鄭州中威環保設備有限公司*常用的方法是在氣流中設置穩焰器使氣流產生回流區，利用回流區使火焰穩定。由于回流區的存在，它不斷地將高溫已燃氣體帶入回流區，形成一個強大的穩定點火源，從而不斷地點燃新鮮混合氣，使火焰保持穩定。高速氣流中的火焰穩定，是燃燒理論中的一個重要課題，并對燃燒室或燒嘴的設計和運行有重要的影響。為此，人們對這一方面的問題做過大量的研究。鄭州中威環保設備有限公司從實際經驗人手，然后分析火焰穩定的機理，討論影響火焰穩定的因素。

一、非流線體穩定火焰的機理

在燃燒室中，氣流速度遠比u₁為大。為了使火焰穩定，往往用非流線體作火焰穩定器。以V形槽為例，氣流遇到V形槽以后受到阻滯，繞過V形槽兩側。當氣流流到V形槽邊緣時突然擴張，造成分離。在V形槽的尾跡中形成回流區。在流體力學中，大家做過氣流繞過鈍體后的流動顯示實驗，在尾跡中氣流分離生成漩渦，這些漩渦依次脫落形成卡門渦街。說明在飩體后氣流湍流分離很嚴重，即氣流在分離流動中有很強的不規則運動，氣流的脈動分速很大。如果測量出尾跡中各點的時均流速，并畫出尾跡中的時均流速分布，則如圖6-20所示。由圖可知，在V形槽以外的氣流軸向速度與原來的主流方向一致，而在V形槽尾跡中，氣流方向與主流方向相反。在I - I截面上有兩個點軸向分速為零。如果我們把各截面上軸向速度為零的各點連起來，就可以*一個軸向速度為負值的區域，這就是回流區。在它以外的部分是順流區。可以這樣來解釋回流區產生的機理，即主流誘導穩定器下游遮蔽區內的氣流，使遮蔽區內造成負壓，隨著往下游遠離遮蔽區，其負壓減少。由于壓力差的作用，下游的氣體往負壓區補充，因而產生回流區。圖6-21是V形槽尾跡流中靜壓和流速的分布。圖中表明，當冷風吹時V形穩定器造成的回流區長度約為1.5H。燃燒時，回流區長度約為6H。H是穩定器尾緣寬度。回流區的尺寸影響回流的混氣量，它對火焰穩定影響很大。

從圖 6-20可以看出，根據V形槽后面各點時均流速的方向，可以畫出環流區。環流區的存在，使氣體從后面進入回流區，從前面流出回流區。從時均流速分布看，回流氣體好像總在循環。實際上，由于回流區邊界上速度變化很激烈，回流區里的湍流強度很大（湍流速度可達60%）。因此，回流氣體與外界有強烈的湍流交換。當把繞流V形槽后的混氣點燃以后，火焰就自動地穩定在V形槽后面。實驗表明，混氣點燃后，回流區里面充滿了高溫燃氣，它的溫度分布如圖6-22所示。圖中還示出了V槽后面回流區和環流區的位置。根據試驗測得的溫度場和速度場可以看出，新鮮混氣在1h截面就與環流區流出的高溫燃氣接觸，被點燃以后沿環流區外側流向下游。高溫燃氣則從回流區下游進入補充回流區里的熱量損失。然后，回流區前面的燃氣又去點燃混氣。這樣循環就造成了新鮮混氣不斷地被回流的高溫燃氣所點燃，環流區外側的火焰則不斷地向回流區補充熱量，并維持回流區的高溫，使燃燒得以穩定地進行。

二、火焰穩定理論

V形槽火焰的理論有很多學派。其中*主要的有兩種理論：一種是能量理論：另一種是特征時間理論。

能量理論認為，混氣是受到回流區高溫燃氣的加熱，達到著火溫度而使火焰保持穩定。如果回流區傳給可燃新鮮混氣的熱量不足以使混氣達到著火溫度，則火焰熄滅。回流區含有的熱量Q_r 可表示為Q_r=VWQ

即回流區含有熱量Q_r和回流區容積V’及化學反應速率W成正比。而點燃新鮮混合氣需要的熱量Q_s為

Q_s=mC_p（T_B - T₀）

式中：m為與熱回流邊界接觸的新鮮混氣量；CP為混氣比熱；TB、 T0為混氣的著火溫度與初始溫度。

當混氣流速較低時，回流區流出的熱量超過新鮮混氣點燃需要的熱量，火焰就會穩定住。如果混氣流速增大到點燃新鮮混氣需要的熱量超過回流區流出的熱量，就會點不著混氣而使火焰熄滅。為了找出火焰穩定的條件，需要確定回流區容積、穩定器尺寸、化學反應速率與混氣壓力、溫度等的關系，根據試驗可以得出：

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