高速燒嘴：高速混氣流中火焰穩(wěn)定原理
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在高強(qiáng)度的燃燒室中，高速燒嘴混氣的平均流速比火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮枚?。如果不采取特殊的措施，火焰是不能穩(wěn)定地燃燒的。鄭州中威環(huán)保設(shè)備有限公司*常用的方法是在氣流中設(shè)置穩(wěn)焰器使氣流產(chǎn)生回流區(qū)，利用回流區(qū)使火焰穩(wěn)定。由于回流區(qū)的存在，它不斷地將高溫已燃?xì)怏w帶入回流區(qū)，形成一個(gè)強(qiáng)大的穩(wěn)定點(diǎn)火源，從而不斷地點(diǎn)燃新鮮混合氣，使火焰保持穩(wěn)定。高速氣流中的火焰穩(wěn)定，是燃燒理論中的一個(gè)重要課題，并對(duì)燃燒室或燒嘴的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有重要的影響。為此，人們對(duì)這一方面的問題做過(guò)大量的研究。鄭州中威環(huán)保設(shè)備有限公司從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)人手，然后分析火焰穩(wěn)定的機(jī)理，討論影響火焰穩(wěn)定的因素。
一、非流線體穩(wěn)定火焰的機(jī)理
在燃燒室中，氣流速度遠(yuǎn)比u1為大。為了使火焰穩(wěn)定，往往用非流線體作火焰穩(wěn)定器。以V形槽為例，氣流遇到V形槽以后受到阻滯，繞過(guò)V形槽兩側(cè)。當(dāng)氣流流到V形槽邊緣時(shí)突然擴(kuò)張，造成分離。在V形槽的尾跡中形成回流區(qū)。在流體力學(xué)中，大家做過(guò)氣流繞過(guò)鈍體后的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)，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(shuō)明在飩體后氣流湍流分離很嚴(yán)重，即氣流在分離流動(dòng)中有很強(qiáng)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，氣流的脈動(dòng)分速很大。如果測(cè)量出尾跡中各點(diǎn)的時(shí)均流速，并畫出尾跡中的時(shí)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(lái)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(gè)點(diǎn)軸向分速為零。如果我們把各截面上軸向速度為零的各點(diǎn)連起來(lái)，就可以*一個(gè)軸向速度為負(fù)值的區(qū)域，這就是回流區(qū)。在它以外的部分是順流區(qū)。可以這樣來(lái)解釋回流區(qū)產(chǎn)生的機(jī)理，即主流誘導(dǎo)穩(wěn)定器下游遮蔽區(qū)內(nèi)的氣流，使遮蔽區(qū)內(nèi)造成負(fù)壓，隨著往下游遠(yuǎn)離遮蔽區(qū)，其負(fù)壓減少。由于壓力差的作用，下游的氣體往負(fù)壓區(qū)補(bǔ)充，因而產(chǎn)生回流區(qū)。圖6-21是V形槽尾跡流中靜壓和流速的分布。圖中表明，當(dāng)冷風(fēng)吹時(shí)V形穩(wěn)定器造成的回流區(qū)長(zhǎng)度約為1.5H。燃燒時(shí)，回流區(qū)長(zhǎng)度約為6H。H是穩(wěn)定器尾緣寬度?；亓鲄^(qū)的尺寸影響回流的混氣量，它對(duì)火焰穩(wěn)定影響很大。
從圖 6-20可以看出，根據(jù)V形槽后面各點(diǎn)時(shí)均流速的方向，可以畫出環(huán)流區(qū)。環(huán)流區(qū)的存在，使氣體從后面進(jìn)入回流區(qū)，從前面流出回流區(qū)。從時(shí)均流速分布看，回流氣體好像總在循環(huán)。實(shí)際上，由于回流區(qū)邊界上速度變化很激烈，回流區(qū)里的湍流強(qiáng)度很大（湍流速度可達(dá)60%）。因此，回流氣體與外界有強(qiáng)烈的湍流交換。當(dāng)把繞流V形槽后的混氣點(diǎn)燃以后，火焰就自動(dòng)地穩(wěn)定在V形槽后面。實(shí)驗(yàn)表明，混氣點(diǎn)燃后，回流區(qū)里面充滿了高溫燃?xì)?，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(qū)和環(huán)流區(qū)的位置。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)可以看出，新鮮混氣在1h截面就與環(huán)流區(qū)流出的高溫燃?xì)饨佑|，被點(diǎn)燃以后沿環(huán)流區(qū)外側(cè)流向下游。高溫燃?xì)鈩t從回流區(qū)下游進(jìn)入補(bǔ)充回流區(qū)里的熱量損失。然后，回流區(qū)前面的燃?xì)庥秩c(diǎn)燃混氣。這樣循環(huán)就造成了新鮮混氣不斷地被回流的高溫燃?xì)馑c(diǎn)燃，環(huán)流區(qū)外側(cè)的火焰則不斷地向回流區(qū)補(bǔ)充熱量，并維持回流區(qū)的高溫，使燃燒得以穩(wěn)定地進(jìn)行。
二、火焰穩(wěn)定理論
V形槽火焰的理論有很多學(xué)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(shí)間理論。
能量理論認(rèn)為，混氣是受到回流區(qū)高溫燃?xì)獾募訜?，達(dá)到著火溫度而使火焰保持穩(wěn)定。如果回流區(qū)傳給可燃新鮮混氣的熱量不足以使混氣達(dá)到著火溫度，則火焰熄滅。回流區(qū)含有的熱量Qr 可表示為Qr=VWQ
即回流區(qū)含有熱量Qr 和回流區(qū)容積V’及化學(xué)反應(yīng)速率W成正比。而點(diǎn)燃新鮮混合氣需要的熱量Qs為
Qs=mCp（TB - 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(dāng)混氣流速較低時(shí)，回流區(qū)流出的熱量超過(guò)新鮮混氣點(diǎn)燃需要的熱量，火焰就會(huì)穩(wěn)定住。如果混氣流速增大到點(diǎn)燃新鮮混氣需要的熱量超過(guò)回流區(qū)流出的熱量，就會(huì)點(diǎn)不著混氣而使火焰熄滅。為了找出火焰穩(wěn)定的條件，需要確定回流區(qū)容積、穩(wěn)定器尺寸、化學(xué)反應(yīng)速率與混氣壓力、溫度等的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)可以得出：
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