实验二 层流预混火焰传播速度测定

一、实验的理论基础

许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。 研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。

层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。用S0表示。该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S0。普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。不可避免地有热损失。因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S表示。S除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。 层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。

二、实验原理

实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。

设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。预混气的速度为u0，火焰面平直的上点P的火焰速度为S。S在数值上等于u0在P点垂直于火焰面的法向分量，即

Su0sin （1）

为火焰锥的半顶角。可用测高仪测出火焰高度和底部直径后算得，也可用量角器直接量出。

u0由浮子流量计测定流量后，根据出口直径计算（d0为管口内径）：

Qu0A04d0u0 （2）

2  2



u0

图2-1本生火焰

S

三、实验设备

基本设备为预混火焰装置，用二号混合管再增加：1．照相机暗箱，2．量角器，3．游

标卡尺

四、实验步骤

1. 将照相机暗箱放在合适的位置，调节暗箱长度，使混合管口在毛玻璃上清晰成像，测量

管口内径，计算管口的面积。 2. 检查各部分连接状态，装上带玻璃套管的一号管，观察火焰的Smithells现象。 3. 将水加入恒温水浴，接通电源，使水温达到设定温度。

4. 启动空气压缩机，使气压达到3大气压。先打开空气法门，使浮子流量计中空气流量和

燃料分别达到预定的点火值。在管口点火，电着后再精确调节空气和燃料流量。如果点火不成功，可稍待片刻，使预混气到达管口，然后再点火。

5. 在实验二的稳定界限内，先固定燃料流量，逐渐改变空气流量，以得到不同的气/油比。

记录浮子流量计的指示流量，用量角器量出气/油比数据。

6. 改变燃料流量，重复步骤3至少测定五组燃料流量数据（即共获得30组数据）。 7. 测量完毕后，关闭燃料阀门，切断电源，取下温度计，放掉恒温水浴中的水。整理现场。

五、数据处理

1. 根据流量换算表，把记录的燃料和空气指示读数分别换算成真实流量。

2. 计算气/油体积（A/F）比和对应的火焰速度。将原始数据绘制成表。

3. 纵坐标为火焰速度S（cm/s）。横坐标可选用两种不同方法。一种是以燃料体积百分数

（F/A）为横坐标；另一种是以当量比为横坐标，前者能直观地看出燃料含量。后者清楚的表明预混气偏离化学计量值的程度。为了表示这种偏离程度，定义（F/O）为燃料与氧的质量比，同样（F/A）表示燃料与空气的质量比，则当量比定义为其中

FFAAstolFAstol为（F/A）的化学计量值，即化学计量反应的理论值，这样1，=1，1

分别代表了贫油燃烧，化学计量燃烧和富油燃烧。

六、思考题

1. 测得的最大火焰速度是多少？当量比是多少？偏向贫油的哪一边?是否合理？ 2. 给出实验测得的火焰速度的贫油富油范围。在此范围以外，为什么不能测出火焰速度？比较该范围与实验二中的可燃浓度界限是否一致? 3. 结合实验二和三，叙述预混火焰与扩散火焰的区别。