高速燒嘴：高速混氣流中火焰穩定原理

       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(huán)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(chǎn)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(gè)強大的穩定點(diǎn)火源，從而不斷地點(diǎn)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(gè)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(wèn)題做過(guò)大量的研究。鄭州中威環(huán)保設備有限公司從實(shí)際經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)V形槽兩側。當氣流流到V形槽邊緣時(shí)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(xué)中，大家做過(guò)氣流繞過(guò)鈍體后的流動(dòng)顯示實(shí)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(mén)渦街。說(shuō)明在飩體后氣流湍流分離很?chē)乐?，即氣流在分離流動(dòng)中有很強的不規則運動(dòng)，氣流的脈動(dòng)分速很大。如果測量出尾跡中各點(diǎn)的時(shí)均流速，并畫(huà)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)軸向速度為負值的區域，這就是回流區。在它以外的部分是順流區?？梢赃@樣來(lái)解釋回流區產(chǎn)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(zhù)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(chǎn)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(fēng)吹時(shí)V形穩定器造成的回流區長(cháng)度約為1.5H。燃燒時(shí)，回流區長(cháng)度約為6H。H是穩定器尾緣寬度?；亓鲄^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(diǎn)時(shí)均流速的方向，可以畫(huà)出環(huán)流區。環(huán)流區的存在，使氣體從后面進(jìn)入回流區，從前面流出回流區。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(diǎn)燃以后，火焰就自動(dòng)地穩定在V形槽后面。實(shí)驗表明，混氣點(diǎn)燃后，回流區里面充滿(mǎn)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(huán)流區的位置。根據試驗測得的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)可以看出，新鮮混氣在1h截面就與環(huán)流區流出的高溫燃氣接觸，被點(diǎn)燃以后沿環(huán)流區外側流向下游。高溫燃氣則從回流區下游進(jìn)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(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氣所點(diǎn)燃，環(huán)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(jìn)行。

    二、火焰穩定理論

   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。

能量理論認為，混氣是受到回流區高溫燃氣的加熱，達到著(zhù)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(zhù)火溫度，則火焰熄滅?；亓鲄^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(xué)反應速率W成正比。而點(diǎn)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(zhù)火溫度與初始溫度。

當混氣流速較低時(shí)，回流區流出的熱量超過(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)回流區流出的熱量，就會(huì )點(diǎn)不著(zhù)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(xué)反應速率與混氣壓力、溫度等的關(guān)系，根據試驗可以得出：

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