层流火焰
力学术语
当将管内静止气体或作层流流动气体(Re<2100)点燃时,形成的火焰叫层流火焰。
简介
实验室用的本生灯燃烧得到的也近于层流火焰。
层流火焰厚度很小(<1mm),火焰传播速度的数量级为1~100cm/s,火焰锋面光滑。
原子吸收预混合型原子化器形成的以气体的层流为特征的火焰。
这种火焰比较稳定,测量时波动小,适用于原子吸收定量分析。
层流
层流(laminar flow)是流体的一种流动状态,它作层状的流动。流体在管内低速流动时呈现为层流,其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处最大,其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5。
对于粘性流体的层状运动,流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。层流只出现在雷诺数Re(Re=ρUL/μ)较小的情况中,即流体密度ρ、特征速度U和物体特征长度L都很小,或流体粘度μ很大的情况中。当Re超过某一临界雷诺数Recr时,层流因受扰动开始向不规则的湍流过渡,同时运动阻力急剧增大。临界雷诺数主要取决于流动形式。对于圆管,Recr≈2000,这时特征速度是圆管横截面上的平均速度,特征长度是圆管内径。层流一般比湍流的摩擦阻力小,因而在飞行器或船舶设计中,应尽量使边界层流动保持层流状态。
研究层流燃烧的意义
由于实验手段的不断提高和计算机水平的日益发展,人们对燃烧的研究也从层流燃烧发展到湍流燃烧。但是,人们在研究湍流燃烧的过程中,发现其与层流燃烧的关系非常密切,特别是在代用燃料的研究过程中,在相同的湍流强度和进气方式下,湍流燃烧速度取决于不同燃料的化学物理性质,而采用层流燃烧的研究方法可对燃料的燃烧品质进行精确的了解和全面的反映。层流燃烧的研究方法与湍流相比,其实验方式简单易行,实验结果也较为精确可靠,计算模型的建立也同样简单可靠。应用层流火焰来研究燃料的燃烧品质,能够详细、全面的了解其在不同环境条件下的化学反应机理。另外,燃料在高温、高压下的层流燃烧特性对分析和预测内燃机的运行特性起着非常重要的作用。
预混层流火焰
传播特性
许多学者提出了不同数学模型用于预测预混气体火焰传播,并取得了一定的进展。最近,已经从数值和实验上研究了火焰拉伸对预混火焰特性的影响。在研究传播的球形层流预混火焰时地发现,火焰拉伸对层流燃烧速度影响显著而层流燃烧速度与马赫数(Ma)和平面层流燃烧速度(未拉伸)有关。由文献所用的测量方法补充,运用现代的测量方法评估了Kazakov和Frenklach的详细C/H/O反应机理。通过分析实验和计算结果,发现火焰与拉伸的相互作用和以前在实验室内研究的表面传播球形层流预混火焰相同。这包括火焰条件的保守选择,从而使随着火焰半径变化的火焰厚度变化、曲率和燃烧速度的变化问题在观察限度内达到最小。
速度特性
静止的预混气体用电火花或灼热物体局部点燃后,火焰就会向四周传播开来。形成一个球形火焰面。在火焰面的前面是未燃的预混气体。在其后面则是温度很高的已燃气体一燃烧产物。它们的分界面是薄薄的一层火焰面,在其中进行着强烈的燃烧化学反应,同时发出光和热。它与邻近地区之间存在着很大的温度梯度与浓度梯度。这薄薄一层火焰面统称为“火焰前锋”或“火焰波前”,或“火焰波”。火焰的传播就是火焰前锋在预混气体中的推进运动。这主要是因为火焰前锋内燃烧化学反应使在其边界上产生了很高的温度和很大的浓度梯度,从而产生了强烈的热量和质量交换。这些热量和质量的传递又引起了邻近的混合气的化学反应,这就形成了化学反应区在空间的移动。火焰传播的快慢决定于预混气体的这些物理化学性质。
本生灯
德国化学家R.W.本生的助手为装备海德堡大学化学实验室而发明的用煤气为燃料的加热器具。在本生灯发明前,所用煤气灯的火焰很明亮,但温度不高,是因煤气燃烧不完全造成的。本生将其改进为先让煤气和空气在灯内充分混合,从而使煤气燃烧完全,得到无光高温火焰。火焰分三层:内层为水蒸气、一氧化碳、氢、二氧化碳和氮、氧的混合物,温度约300℃,称为焰心。中层内煤气开始燃烧,但燃烧不完全,火焰呈淡蓝色,温度约500℃,称还原焰。外层煤气燃烧完全,火焰呈淡紫色,温度可达800~900℃,称为氧化焰,此处的温度最高,故加热时利用氧化焰。
本生灯是实验室常用的中高温加热工具。因其操作温度较酒精灯高,故灯具的材质必须使用较耐热的金属。又由于它的燃料在室温时是气态,使用时应特别注意管线的安全。本生灯在使用时要特别注意使用安全。使用前必先检查所有开关是否在关闭的状态。确定所有的开关都在关闭的状态时,才能打开瓦斯的总开关。
层流火焰淬熄的电学特性
测量原理
(1)燃气丙烷和空气分别由燃气瓶和空气泵提供,通过不同的管路进入混合室进行混合,在燃烧器出口处被点燃,产生扩散火焰或预混火焰。
(2)火焰与直流恒定电源、万用表、淬熄平面构成闭合回路,根据串联电路的欧姆定律R=U/I,在不同条件下测量回路中的电流数值,分析结果并得出火焰淬熄时电阻的相关特性。
(3)采用控制变量法,改变火焰淬熄条件得到不同条件(燃烧器与淬熄平面之间的距离,燃烧器与淬熄平面间加载电压的大小及连接方式、空气量、极板材质)下火焰淬熄的电学特性。
实验操作步骤
(1)打开丙烷燃气阀门,调节燃气量为固定值。
(2)打开空气压缩机,由其向燃烧器提供连续并且稳定的空气,调节空气量为所需数值。
(3)点燃燃烧器,等待火焰稳定。
(4)火焰稳定后,连接好电路,打开直流恒定电源、万用表,高度尺由50mm下降,每1 mm测量并记录万用表上的电流数值。
(5)实验结束后,关闭燃气、关闭空气压缩机,关闭直流恒定电源和万用表整理实验仪器。
参考资料
最新修订时间:2023-05-23 09:03
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简介
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