天然气高速烧嘴：高速混气流中火焰稳定原理

在高强度的燃烧室中，高速烧嘴混气的平均流速比火焰传播速度大得多。如果不采取特殊的措施，火焰是不能稳定地燃烧的。郑州中威环保设备有限公司*常用的方法是在气流中设置稳焰器使气流产生回流区，利用回流区使火焰稳定。由于回流区的存在，它不断地将高温已燃气体带入回流区，形成一个强大的稳定点火源，从而不断地点燃新鲜混合气，使火焰保持稳定。高速气流中的火焰稳定，是燃烧理论中的一个重要课题，并对燃烧室或烧嘴的设计和运行有重要的影响。为此，人们对这一方面的问题做过大量的研究。郑州中威环保设备有限公司从实际经验人手，然后分析火焰稳定的机理，讨论影响火焰稳定的因素。
    一、非流线体稳定火焰的机理
   在燃烧室中，气流速度远比u1为大。为了使火焰稳定，往往用非流线体作火焰稳定器。以V形槽为例，气流遇到V形槽以后受到阻滞，绕过V形槽两侧。当气流流到V形槽边缘时突然扩张，造成分离。在V形槽的尾迹中形成回流区。在流体力学中，大家做过气流绕过钝体后的流动显示实验，在尾迹中气流分离生成漩涡，这些漩涡依次脱落形成卡门涡街。说明在饨体后气流湍流分离很严重，即气流在分离流动中有很强的不规则运动，气流的脉动分速很大。如果测量出尾迹中各点的时均流速，并画出尾迹中的时均流速分布，则如图6-20所示。由图可知，在V形槽以外的气流轴向速度与原来的主流方向一致，而在V形槽尾迹中，气流方向与主流方向相反。在I - I截面上有两个点轴向分速为零。如果我们把各截面上轴向速度为零的各点连起来，就可以*一个轴向速度为负值的区域，这就是回流区。在它以外的部分是顺流区。可以这样来解释回流区产生的机理，即主流诱导稳定器下游遮蔽区内的气流，使遮蔽区内造成负压，随着往下游远离遮蔽区，其负压减少。由于压力差的作用，下游的气体往负压区补充，因而产生回流区。图6-21是V形槽尾迹流中静压和流速的分布。图中表明，当冷风吹时V形稳定器造成的回流区长度约为1.5H。燃烧时，回流区长度约为6H。H是稳定器尾缘宽度。回流区的尺寸影响回流的混气量，它对火焰稳定影响很大。
    从图 6-20可以看出，根据V形槽后面各点时均流速的方向，可以画出环流区。环流区的存在，使气体从后面进入回流区，从前面流出回流区。从时均流速分布看，回流气体好像总在循环。实际上，由于回流区边界上速度变化很激烈，回流区里的湍流强度很大（湍流速度可达60%）。因此，回流气体与外界有强烈的湍流交换。当把绕流V形槽后的混气点燃以后，火焰就自动地稳定在V形槽后面。实验表明，混气点燃后，回流区里面充满了高温燃气，它的温度分布如图6-22所示。图中还示出了V槽后面回流区和环流区的位置。根据试验测得的温度场和速度场可以看出，新鲜混气在1h截面就与环流区流出的高温燃气接触，被点燃以后沿环流区外侧流向下游。高温燃气则从回流区下游进入补充回流区里的热量损失。然后，回流区前面的燃气又去点燃混气。这样循环就造成了新鲜混气不断地被回流的高温燃气所点燃，环流区外侧的火焰则不断地向回流区补充热量，并维持回流区的高温，使燃烧得以稳定地进行。
    二、火焰稳定理论
   V形槽火焰的理论有很多学派。其中*主要的有两种理论：一种是能量理论：另一种是特征时间理论。
能量理论认为，混气是受到回流区高温燃气的加热，达到着火温度而使火焰保持稳定。如果回流区传给可燃新鲜混气的热量不足以使混气达到着火温度，则火焰熄灭。回流区含有的热量Qr 可表示为 Qr=VWQ
即回流区含有热量Qr 和回流区容积V’及化学反应速率W成正比。而点燃新鲜混合气需要的热量Qs为
Qs=mCp（TB - T0）
   式中：m为与热回流边界接触的新鲜混气量；CP为混气比热；TB、 T0为混气的着火温度与初始温度。
当混气流速较低时，回流区流出的热量超过新鲜混气点燃需要的热量，火焰就会稳定住。如果混气流速增大到点燃新鲜混气需要的热量超过回流区流出的热量，就会点不着混气而使火焰熄灭。为了找出火焰稳定的条件，需要确定回流区容积、稳定器尺寸、化学反应速率与混气压力、温度等的关系，根据试验可以得出：
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