프리믹스 불꽃

미리 혼합된 불꽃은 연료와 산화제의 사전 혼합된 전하(전 혼합물이라고도 함)를 연소하는 동안 특정 조건에서 형성되는 불꽃이다. 연소의 주요 화학 반응제인 연료와 산화제는 균일한 화학적 사전 혼합 전하를 통해 사용 가능하기 때문에 일단 시작된 연소 과정은 자체 열 방출로 인해 스스로 유지된다. 그러한 연소 과정에서 화학적 변환의 대부분은 주로 연소되지 않은 기체와 연소된 기체를 분리하는 얇은 계면 영역에서 발생한다. 미리 혼합된 불꽃 인터페이스는 전체 전하가 고갈될 때까지 혼합물을 통해 전파된다.^[1] 미리 혼합된 불꽃의 전파 속도는 불꽃 내부의 대류-확산-반응 균형에 따라 달라지는 불꽃 속도(또는 연소 속도)로 알려져 있다. 미리 혼합된 불꽃은 연소되지 않은 사전 혼합물(화염의 전파 매개체를 제공하는)의 속도 분포에 따라 층 또는 난류로 특징지어진다.

미리 혼합된 불꽃 전파

층류

제어된 조건(일반적으로 실험실에서)에서 층 불꽃은 여러 가능한 불꽃 구성 중 하나로 형성될 수 있다. 층 미리 혼합된 화염의 내부 구조는 연료의 분해, 반응 및 완전한 산화가 일어나는 층으로 구성된다. 이러한 화학적 과정은 흐름의 소용돌이 움직임과 같은 물리적 과정보다 훨씬 빠르며, 따라서 층화염의 내부 구조는 대부분의 상황에서 온전하게 유지된다. 내부 구조의 구성 레이어는 지정된 미연소 혼합물에서 단화 불꽃 온도(AFT)만큼 높은 온도까지 온도가 상승하는 지정된 간격에 해당한다. 체적 열전달 및/또는 공기역학적 스트레치 또는 개발 내인성 불꽃 불안정성 하에서, 반응의 정도 및 따라서 불꽃 전체에서 도달한 온도는 AFT와 다를 수 있다.

층 연소 속도

For a one-step irreversible chemistry, i.e., ${\displaystyle \nu _{F}{\rm {{F}+\nu _{O}{\rm {{O}_{2}\rightarrow {\rm {Products}}}}}}}$, the planar, adiabatic flame has explicit expression for the burning velocity derived from activation energy asymptotics when the Zel'dovich number ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \gg }$ 1${\displaystyle \beta \gg$ 1$.}$반응률$$ $\Omega {\displaystyle }$ ${\displaystyle \omega$}($$단위 시간당 단위 볼륨당 연료 소모 몰 수)은 Arrhenius 형태,

${\displaystyle \omega =B\왼쪽({\frac {\rho Y_{F}}{W_{F}}\오른쪽)^{m}\왼쪽({\frac {\rho Y_{O_{2}}:}{W_{O_{2}}:}\오른쪽)^{n}e^{-E_{a}/RT}}}$

where ${\displaystyle B}$ is the pre-exponential factor, ${\displaystyle \rho }$ is the density, ${\displaystyle Y_{F}}$ is the fuel mass fraction, ${\displaystyle Y_{O_{2}}}$ is the oxidizer mass fraction, ${\displaystyle E_{a}}$ is the activation energy, ${\displaystyle R}$ is 범용 가스 상수, T ${\displaystyle T}$은 온도, W F& ${\$O_{$2}}$은 각각 $연료$와 산화제의 분자 가중치,&{\$displaystym m\\\&\n}$은 반응 순서다. 불꽃보다 훨씬 앞쪽에 있는 연소되지 않은 상태를 첨자 $u{\displaystyle }$ ${\displaystyle u}$과(와) 마찬가지로 연소된 가스 조건을 $b{\displaystyle }$ ${\displaystyle b}$로 표시하도록 한 다음 연소되지 않은 혼합물에 대한$$ 동등성 비율 $\varphi {\displaystyle }$ ${\displaystyle \phi }$을(으)로 정의할 수 있다$.$

${\$$W_{F}}}{\frac {Y_{F,u}}{Y_{O_{2},u$

다음 연료가 풍부한 혼합물에 대한 평면 층 연소 속도(> > ${\displaystyle \pi >1$는 다음을^[2][3] 통해 제공된다.

${\displaystyle S_{L}=\left\{\frac {2B\lambda _{b}\rho _{b}^{m+n}\nu _{F}^{F}^{m}}}}Y_{O_{2},u}^{m+n-1}G(n,m,a)}{c_{p,b}\rho _{u}^{2}\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}^{m+n-1}\beta ^{m+n+1}\mathrm {Le} _{O_{2}}^{-n}\mathrm {Le} _{F}^{-m}}}\right\}^{1/2}e^{-E_{a}/2RT_{b}}+O(\베타 ^{-1}),}$

어디에

${\displaystyle G(n,m,a)=\int _{0}^{\n}y^{n}(y+a)^{m}\dy}$

and ${\displaystyle a=\beta (\phi -1)/\mathrm {Le} _{F}}$. Here ${\displaystyle \lambda }$ is the thermal conductivity, ${\displaystyle c_{p}}$ is the specific heat at constant pressure and ${\displaystyle \mathrm {Le} }$ is the Lewis number. 마찬가지로 희박한 < ${\displaystyle \phi <1}$ 혼합물에 대한 공식을 쓸 수 있다. 이 결과는 T에 의해 먼저 얻어진다. 1980년 ^[4]미타니 운송 특성이 더 복잡한 이 공식에 대한 두 번째 순서 보정은 Forman A에 의해 도출되었다. 윌리엄스와 80년대 동료들.^[5][6][7]

층화염의 국부적 전파 속도에 변화는 불꽃 스트레치라고 불리는 것에 의해 발생한다. 불꽃 스트레칭은 외부 유속장 또는 화염의 곡률에 의한 스트레이닝으로 인해 발생할 수 있다. 해당 층 속도와의 전파 속도 차이는 이러한 효과의 함수로서 다음과 같이 기록될 수 있다.

${\displaystyle U_{L}=S_{L}-S_{L}{\mathcal {M}}_{c}\delta _{L}\kappa +{\mathcal {M}}_{a}\delta _{L}\mathbf {n} \cdot \nabla \mathbf {n} \cdot \mathbf {n} }$

어디δ 나는{\displaystyle \delta_{나는}}은 층류 불꽃 두께κ{\displaystyle \kappa}은 불꽃 곡률, n{\displaystyle \mathbf{n}}그 부대는 불꽃 표면은 굽지 않은 가스 분야, v{\displaystyle \mathbf{v}}이 있는 흐름 속도이고 Mc및 포인팅에 보통이다;. ${\$는 각각의 마크스타인 곡률 및 변형률 수입니다.

난류

실제 시나리오에서는 난류가 불가피하며, 중간 조건에서는 난류가 연료와 산화제의 혼합 과정을 향상시키기 때문에 미리 혼합된 연소 과정을 보조한다. 미리 혼합된 기체의 전하가 균일하게 혼합되지 않는 경우 동등성 비율의 변화는 불꽃의 전파 속도에 영향을 미칠 수 있다. 어떤 경우에는 혼합 연료의 층화 연소에서와 같이 이것이 바람직하다.

난류 전 혼합 불꽃은 불꽃의 내부 구조를 결정하는 과정이 영향을 받지 않는 한 층화 불꽃의 앙상블로 구성된 표면으로 전파된다고 가정할 수 있다.^[10] 그러한 조건에서 불꽃 표면은 불꽃의 표면적을 증가시키는 미리 혼합된 기체의 난류 운동으로 인해 주름진다. 주름과정은 층에 비해 난류 사전 혼합된 불꽃의 연소 속도를 증가시킨다.

이러한 미리 혼합된 불꽃의 전파는 다음과$$ 같이 $스칼라{\displaystyle }$ G ${\displaystyle G}$에 대해 G 방정식으로^[11][12] 불리는 필드 방정식을 사용하여 분석할 수 있다.

${\displaystyle \frac{\mathrm{\partial }}{}}$ ${\displaystyle \frac{G}{}}$ ${\displaystyle \frac{\mathrm{}}{}}$ t${\displaystyle \frac{}{}}$+ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle \mathrm{\cdot }}$ G${\displaystyle }$= ${\displaystyle U}$ L ${\displaystyle \nabla {}_{}\mathrm{}}$ G $frac {\partial G}{\$partial t}{\$partial$ t$}+\mathbf {v} \cdot \nabla G=U_{L} \nabla$ G},$$\nabla G},

G의 레벨 세트가 국부 속도 $U{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle L_{}}$ ${\$로 전파되는 미리 혼합된 불꽃 내의 다양한 인터페이스를 나타내도록 정의된다$.$ 단, 이는 일반적으로 공기역학적 스트림으로 인해 인터페이스의 전파 속도가 포인트마다 다르기 때문에(배출되지 않은 혼합물에 대한 절연)가 달라지는 경우는 아니다.속도 영역의 구배 때문에 유발된 tch.

그러나 대조적인 조건에서 미리 혼합된 불꽃의 내부 구조가 완전히 붕괴되어 불꽃이 국소적으로 또는 전지구적으로 꺼질 수 있다(전지구적 소멸 또는 폭발로 알려져 있다. 그러한 반대되는 경우는 에어로 엔진 애프터버너뿐만 아니라 SI 엔진과 같은 실제 연소 장치의 작동을 좌우한다. 격동의 흐름 속에서 불꽃의 내부 구조가 어느 정도 영향을 받는지에 대한 예측은 광범위한 연구 대상이다.

미리 혼합된 불꽃 구성

미리 혼합된 가스의 흐름 구성은 안정화 및 연소 특성에 영향을 미친다.

분센 불꽃

분센 불꽃에서는 불꽃을 안정시키기 위해 불꽃 속도에 맞는 일정한 유속이 제공된다. 유량이 화염 속도 이하일 경우, 불꽃은 연료가 소비될 때까지 또는 화염 홀더와 마주칠 때까지 상류로 이동한다. 만약 유량이 화염 속도와 같다면, 우리는 흐름 방향에서 정상으로 정지된 평탄한 불꽃 전면을 예상할 수 있을 것이다. 유량이 화염 속도 이상일 경우 화염 전방에 정상인 속도 벡터의 성분이 화염 속도와 같도록 화염 전선이 원뿔형으로 된다.

정체불꽃

여기서 프리믹스 기체는 불꽃이 안정될 수 있는 정체(속도 0) 지역을 형성할 수 있는 방식으로 흐른다.

구면 불꽃

이 구성에서 불꽃은 일반적으로 균일한 사전 혼합물 내의 스파크를 통해 시작된다. 개발된 미리 혼합된 불꽃의 후속 전파는 혼합물이 완전히 변형되거나 연소 용기의 벽에 도달할 때까지 구면 전선으로 발생한다.

적용들

미리 혼합된 가스의 등가비율을 제어할 수 있으므로, 미리 혼합된 연소는 저온에 도달하여 NO의_x 배출을 감소시킬 수 있는 수단을 제공한다. 확산 화염에 비해 혼합이 개선되어 그을음 발생도 완화된다. 따라서, 혼합 전 연소는 근래에 중요한 의미를 갖게 되었다. 이 용도에는 린 프리믹스 프리바겐(LPP) 가스 터빈과 SI 엔진이 포함된다.

참고 항목

• 화염병 발생 다지관
• 발광 불꽃
• 옥시 연료

참조