[科普中国]-非预混燃烧

特点

由于燃料和空气未预混，故允许将两者预热至较高的温度 (不受着火温度限制)，以便充分利用废气余热，并可 使低发热量燃料也能达到较高的燃烧温度。

非预混燃烧具有稳定燃烧范围(指燃料空气比的变化范围) 宽和不会产生回火等优点，因此在燃烧设备中常采用非预混燃烧。

非预混燃烧具有以下两个特点：(1)由于是边混合边燃烧，故燃烧火焰长度较长；(2)在空气供应不足或与燃 料混合欠佳时，一些尚未进入火焰前锋的燃料因受热会分解产生碳粒和难于燃烧的重质碳氢化合物，这将造成不完全燃烧。此外，常把气体燃料的非预混燃烧称作“有焰燃烧”。1

而预混燃烧在充满预混合气的燃烧设备内，通常是在某一局部区域首先着火，接着形成一层相当薄的高温燃烧区，靠它帮助使邻近的预混合气引燃，逐渐把燃烧扩展到整个混合气范围。这层高温燃烧区如同一个分界面，把燃烧完的已燃气体（燃烧产物）和尚未进行燃烧的未燃混合气分隔开来。在它的前方是未燃的混合气，而在它的后方是已燃的燃烧产物。随时间推移，火焰面在预混合气中不断向前扩展，呈现出火焰传播的现象

在着火以后随着温度增加，燃烧速率猛烈增加，并大大超过了可燃混合气的形成速率。此后，由于滞燃期内形成的可燃混合气耗尽，燃烧速率迅速下降，形成一个锐峰，不易辨认其与后继燃烧阶段的分界。

计算方法非预混燃烧现象广泛存在于液体火箭发动机等液体推进剂喷雾燃烧、战术导弹等固体药柱燃面退移燃烧领域。有限速率化学反应动力学模型的各种数值算法。2

火焰面方法是求解非预混燃烧最有效的手段之一。2

火焰面方法仅需求解流动控制方程和一个混合分数传输方程， 然后根据各网格点的混合分数分布及火焰面方程预先生成的火焰面库， 插值得出流场的组分及温度分布。该方法略去了燃烧流场控制方程中含刚性化学源项的组分及能量方程， 减少了控制方程数量， 并有效避免了流场与化学反应的耦合， 现已成为最有效的非预混燃烧数值计算方法。2

热效率的提高方法燃烧器喷口的数量和喷口间距是影响燃烧器效率的两个很重要的因素，合理调节燃烧器中喷口的数量和布局 , 会对整个燃气炉热效率的变化起到重要作用 。不论喷口数量多少，燃烧器喷口间距为 2ds 时， 火焰最长，高温区域范围最广 ；当各股气流之间的扰动成为影响火焰长度的主要因素时，37 个喷口的布局方案使得火焰长度最短，高温区域分布最集中；当喷口之间的间距成为影响燃气和空气混合速率的主导因素后 ，74 个喷口的布局方案使得火焰最短，高温区域最集中 。因此 ,要提高燃气炉的热效率，可以从改变燃烧器的结构入手，在燃气量一定的情况下，改变火焰长度，调整高温区域的分布范围 。3

喷口数量相同，喷口间距改变

不论喷口数量如何变化, 火焰长度和温度分布情况与喷口间距的关系基本一致。当喷口间距为2ds 的时候，火焰长度达到最大值，燃烧区域中温度高于 1 500 K 的高温区域的分布范围最广；当喷口间距小于 2ds 的时候同，火焰的长度会随着喷口间距的增加而变长，高温区域的分布范围也会随着喷口间距的增加而扩大；当喷口间距大于 2ds 的时候，火焰的长度会随着喷口间距的增加而变短，高温区域分布范围也会相应缩小。

非预混燃烧中空气和燃气以不同的路径进入燃烧区域，边混合边燃烧，燃烧速率和火焰长度均取决于燃气和空气的混合速度 。喷口间距的变化会直接影响到它们的混合速率，且因为喷口间距的不同 , 影响燃气和空气混合速率的主导因素也不一样 。当燃气喷口的间距小于 2ds 的时候，各股燃气经喷口进入燃烧区域后 ，相近气流之间会相互扰动 ,各喷口间距越小，这种扰动越剧烈，使得燃气和空气的混合速率越快，燃烧速度越大，则火焰越短，高温区域越集中 。随着喷口间距的增大；各股燃气间的扰动不断减小，火焰增长；当燃气喷口的间距大于 2ds 后，各股燃气间的扰动几乎可以忽略，此时影响燃气和空气混合速率的主要因素是各股气流间的空间， 空间越大，燃气和空气接触混合的几率就越大，燃烧得越快，火焰越短，高温区域越小。

喷口数量不同，喷口间距比例相同

火焰的长度不仅受喷口间距的影响 , 喷口数量对其的作用也不可忽略 。当喷口间距小于等于 2ds 时，影响火焰长度的主要因素是各股气流之间的扰动，各股气流之间扰动最强烈的情形表现在喷口数量为 37 个时，此时相对于其它数量的喷口布局而言火焰长度最短，高温区域最集中 。当喷口间距大于 2ds 以后，影响燃气和空气之间混合速率的主要因素是喷口间距 , 喷口间距越大火焰就越短 。相对于不同的喷口半径而言，当喷口数量为 74 个时喷口间距与喷口半径的比值最大， 说明该工况下的喷口分布最为稀疏，所以与其它情况相比，此时的火焰长度最短，高温区域分布范围最小。3