摘 要

层流火焰是一种常见的燃烧现象，在日常生活和工业生产中应用十分普遍，因此对层流火焰理论的了解十分必要。湍流火焰与层流火焰有着类似的物理过程，许多湍流火焰理论都基于层流火焰结构的理解。同时，对层流火焰理论的研究也可以有助于理解燃烧过程，这可为实际生产中对燃烧技术的改进，对燃烧过程的控制的加强和污染物排放的减少等提供相应的理论指导。此外，在发动机模拟中必须输入部分层流燃烧特征参数，而发动机数值模拟可为发动机优化作指导。

其中，Lewis 数、Zeldovich 数、Karlovitz 数、 佩克莱特数和火焰厚度等参数对火焰理论分析具有十分重要的作用。

本文详细地介绍了一维层流预混燃烧的物理模型，根据物理模型推导出控制方程，确定定解条件，对燃烧过程中组分热物性进行分析。通过对热物性的求解，找出特征参数的物理意义和表达式，确定计算方法，基于以上层流火焰理论，以Matlab为平台，编写了层流火焰特征参数计算软件。此外，本文将编写的程序得出的数据与文献给出值的进行了对比验证，验证表明该程序的计算结果准确，可用于层流火焰特征参数的计算。

关键词：层流火焰；预混燃烧；特征参数

Abstract

Laminar flame is a common combustion phenomenon, which is very common in daily life and industrial production. Therefore, it is necessary to understand the theory of laminar flame. Turbulent flame and laminar flame have similar physical processes, and many turbulent flame theories are based on the understanding of the laminar flame structure. At the same time, the research theory of laminar flames can also help in understanding the combustion process, which can be for actual production improvement of combustion technology, control of the combustion process of strengthen and pollutant emissions reduced to provide corresponding theoretical guidance. In addition, the characteristic parameters of the laminar combustion must be entered in the engine simulation, and the numerical simulation of the engine can be used as a guide for the optimization of the engine.

The Lewis number, the Zeldovich number, the karlovitz number, Peclét number and flame thickness parameters of flame theory analysis plays a very important role.

The physical model of one-dimensional laminar premixed combustion is detailed introduced in the paper, control equations based on the physical model is derived to determine boundary conditions, the combustion process of constituent thermal properties were analyzed. By solving the thermal property, find out the physical meaning and expression of characteristic parameters, the calculation method. Based on the theory of laminar flame, using MATLAB as a platform, laminar flame characteristic parameters calculation software was developed. In addition, the data presented in this paper are compared with the results obtained from the literature. The results show that the calculation results are accurate and can be used to calculate the characteristic parameters of laminar flame.

Key Words：laminar flame; premixed combustion; characteristic parameter

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及国内外研究现状 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究意义 1

1.4 研究内容 2

第2章 一维层流预混燃烧模型与数值解法 3

2.1 物理模型 3

2.2 控制方程 4

2.2.1 连续性方程 4

2.2.2 组分方程 5

2.2.3 动量方程 6

2.2.4 能量方程 7

2.2.5 气体状态方程 8

2.3 定解方程 8

2.4 燃烧过程组分热物性分析 9

2.4.1 混合物质量密度 9

2.4.2 混合物定压比热 7

2.4.3 混合物比焓 7

2.4.4 混合物比熵 7

2.5 燃烧过程组分传输特性分析 10

2.5.1 二元扩散系数 11

2.5.2 热传导率 14

2.6 本章小结 15

第3章 层流火焰特征参数计算 16

3.1 层流火焰传播速度 16

3.2 火焰两侧的密度跳动和火焰厚度 18

3.3 Zeldovich数和全局活化能 19

3.4 Lewis数和有效Lewis数 20

3.5 马克斯坦数 20

3.6 临界半径和临界佩克莱特数 21

3.7 Karlovitz数 21

3.8 层流火焰燃烧速率 22

3.9 本章小结 22

第4章 程序的编译与验证 23

4.1 程序的编译 23

4.1.1 界面设计部分 23

4.1.2 程序设计部分 24

4.2 程序的验证 25

第5章 总结和展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 选题背景及国内外研究现状

1.1.1 选题背景

在人类日常生活和工业生产中，燃烧是一项至关重要的技术。对燃烧具体过程的研究不仅可以大大提高燃烧的利用效率，而且对节能减排的促进和社会经济的可持续发展具有重要而深远的意义。火焰是一个局部燃烧区域，以自维持和亚音速进行传播。在气体燃烧过程中，可根据流动状态的区别，将火焰划分为层流火焰和湍流火焰。而层流火焰是基础的燃烧现象，它全面体现了分子运输、混合物气气体与化学反应等特性，同时它可发展与完善燃料燃烧化学反应动力学机理，是研究湍流火焰的重要基础；是改善燃烧设备、优化燃烧过程及提高效率的重要依据。层流燃烧与湍流燃烧相比，具有控制参数方便和试验及测试过程中火焰结构较稳定简单等特点，常常被国内外学者用于反映燃料燃烧速度、点火能量、浓度着火界限和燃料滞燃，以及用于建立燃烧的闪点和最小能量的预测建模^[1,5]。此外，了解层流预混火焰传播理论和火焰结构可以更清楚地理解燃烧过程，在实际应用过程中可有效地对燃烧的化学过程实行控制 ^[3]。

1.1.2 国内外研究现状

在1951年Markstein^[5]假定火焰曲率不影响火焰传播，通过线性分析火焰，延长了Landau模型，得到了燃烧速率和曲率半径的关系。1964年，Marktein又意识到特征长度取决于热扩散系数与质量扩散系数的比值，并将它定义为Lewis数；在1953年之前，多位学者在研究不同的流场的实验中，发现了层流预混火焰产生了拉伸效应，在1953年后，Karlovitz等^[4]为了解释与校正湍流火焰结构与淬熄机理最早提出了火焰拉伸的概念，对无拉伸的层流火焰特性无量纲化称为拉伸率，并用Karlovitz数来表示；科学家在研究简单的双区模型中的反应区厚度和预热区厚度时，将预热区厚度与反应区厚度之间的比值称为Zeldovich数，这是后人为了纪念对层流火焰理论作出巨大贡献的学者——泽列道维奇 ^[6]，并以他的名字命名； Bechtold和Matain^[6]在1987年开展膨胀球形火焰中的细胞过渡的试验过程中，发现当扩展至半径大于某个半径值后，火焰会出现不稳定现象，将这一半径值定义为临界半径，并通过火焰厚度将该半径进行无量纲化得到的特征参数称为佩克莱特数。

1.2 研究意义

由于计算机水平不断的发展和实验设备的日益优化,人们对燃烧的研究也从基础的层流燃烧发展到相对复杂的湍流燃烧。但是,在研究湍流燃烧的过程中,发现湍流燃烧与层流燃烧的联系十分紧密,尤其是在研究代用燃料的过程中,在同样的进气方式和湍流强度下,不同燃料的化学物理性质将对湍流燃烧速度有所影响,而采用层流燃烧的研究方法便可全面地反映和精确地了解燃料的燃烧品质。就层流燃烧的研究方法与湍流相比而言,研究层流燃烧的试验方式简单易行,实验结果也较为精确可靠,建立的计算模型也同样简单可靠。因此使用层流火焰来研究燃料的燃烧品质,能够在不同环境条件下详细而全面地了解化学反应机理。而对于层流预混火焰进行理论分析时，可能会涉及到层流火焰的特征参数（Lewis数、Zeldovich数、Karlovitz数、火焰传播速度、佩克莱特数和火焰厚度等）的计算。

1.4 研究内容

本文主要进行的研究包括下面几个方面：

（1）合理简化燃烧过程中的物理问题，并建立简单的一维层流预混燃烧模型；根据建立的一维物理模型推导出描述物理问题的控制方程；确定合理地定解条件；对控制方程中各参数间的关系式和表达式进行阐释和推导。