高等燃烧学王辉2016-11第四章预混气体燃烧中的爆震波和缓燃波1、本章学习提示⏹爆震波和缓燃波的概念及其产生机理定性分析⏹雨果尼奥曲线的导出及曲线的性质⏹C-J爆震波的速度⏹爆震波的结构⏹可燃气中缓燃波转变为爆震波的机理⏹爆震极限需要同学们学习的内容⏹什么是爆震波和缓燃波?⏹如何利用雨果尼奥曲线分析爆震波和缓燃波?⏹了解C-J爆震速度的计算⏹认识爆震波的结构⏹认识可燃气中缓燃波转变为爆震波的机理⏹什么是爆震极限？什么是爆震波和缓燃波?2、燃烧火焰的基本类型回顾⏹燃烧过程中的化学反应区通常被称为“火焰区域flamezone”、“火焰锋面flame front”、“反应波reaction wave”等⏹火焰一般分为两种类型预混火焰：反应前，反应物已经充分混合☐☐扩散火焰：反应中，反应物相互扩散依据燃烧波的存在及其在反应混合物中的传播速度，预混⏹气体的反应一般可分为三类☐爆炸：放热速率极快，在可燃介质中并不是以燃烧波形式推进D fl i☐缓燃：Deflagration,燃烧波以亚音速传播（火焰正常传播、正常燃烧）☐爆震：Detonation,燃烧波以超音速传播缓燃波和爆震波的区别缓燃：⏹火焰正常传播是依靠导热使未燃混气温度升高（或由于扩散使活化的中间产物输运到未燃混气中）而引起反应，从而使燃烧波不断向未燃混气中推进。

1~3m/s⏹这种传播形式的传播速度，一般不大于13m/s。

⏹传播是稳定的，在一定的物化条件下（例如浓度、温度、压力、混合比），其传播速度是一不变的常数。

爆震：⏹而爆震燃烧波的传播不是通过传热传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混气的温度升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混气中推进。

⏹这种形式的传播速度很高，常大于1000m/s ，这与正常火焰传播速度形成了明显的对照。

⏹其传播过程也是稳定的。

3、爆震波和缓燃波的定性区别以一维管流为例：无限长管道中的情况：p1ρ1p2ρ2 u1u2T1 h1T2h2波前波后燃烧波以u1向左运动，可以看作未燃气以u1向燃烧波运动，而波前是静止的（把坐标系固定在燃烧波上）。

在上图中：下标1表示未燃气参数（波前）下标2表示已燃气参数（波后）。

速度u1、u2是相对于固定在静止波上的坐标系定义的。

波前和波后的参数值反映了波内的物理过程。

=音速）爆震波和缓燃波参数的比较（c1参数爆震波缓燃波u/ c5~100.0001~0.0311u2/ u10.4~0.7(减速)4~16（加速）/ p113~55（压缩）~0.98（略膨胀）p2T/ T8~214~6（加热）（加热）21ρ2/ρ1 1.7~2.6 （压缩）0.06~0.25（膨胀）由表可见：（1）对于爆震波，从未燃气体到已燃气体，压力、密度都是增加的，速度是减小的，爆震波使已燃气体跟着燃烧波运动。

是压缩波。

（2）对于缓燃波，未燃气体到已燃气体，其压力、密度都是减少的，速度是增加的，缓燃波使已燃气体背向燃烧波运动。

是膨胀波。

4、实现爆震或者缓燃波的条件⏹在一端或两端都开口的管中充满预混气：⏹在开口点燃☐一个燃烧波产生并向另一端传播，燃烧波可以达到一个稳定的速度，不会加速形成爆震波。

⏹在封闭端点燃☐反应后的炽热气体像一个活塞，把反应前沿推向未燃气，这类波可以加速变成爆震波。

如何利用雨果尼奥曲线分析爆震波和缓燃波?5、雨果尼奥曲线雨果尼奥曲线考察一种最简单的情况，即一维定常运动⏹的平面波⏹假设☐混气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动☐忽略体积力，没有外部加热或向外散热，且杜福效应和成分相互扩散的影响可忽略☐混气为完全气体；其燃烧前后的定压比热C p为常数；其分子量也保持不变；反应区相对于管子的特征尺寸（如管径）是很小的。

☐与管壁无摩擦，无热交换另外还有理想气体的状态方程：RT =22200p ρ=-12nq h h 0,i f ih Y h =∆∑1i =6、Hugoniot 曲线的性质H i t ⏹Hugoniot 曲线是在初始状态（1/ρ1，p 1）和q 值给定时，由所有可能的终了状态（1/ρ2，p 2）构成的一条曲线。

⏹点（1/，）称为曲线的原点。

ρ1p 1⏹曲线给出了Hugoniot 方程所有可能的解，但由于物理原因，并非所有的解在实际上都能成立。

⏹图中点（1/ρ1，p 1）是初始状态，过点（1/ρ1，p 1）分别作p 2轴和1/ρ2轴的平行线，即图中垂直和水平的两条虚线。

将坐标平面分成四个区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。

⏹再过点（1/ρ1，p 1）作Hugoniot 曲线的两条切线，曲线上的两个切点称为查普曼-焦格特（Chapman-Jouguest ）点，简称C-J 点，即图中的B 、G 点。

⏹图中画出了点A ，B ，C ，D ，E ，F ，G ，H 作为可能的解。

分析⏹如混气的初始状态确定，则最终状态必须同时满足Rayleigh方程和Hugoniot方程的约束，即工作点应该在两条曲线的交点上⏹由Rayleigh方程分析可知，该直线的斜率为负值，通过（1/ 1，p1）点的两垂直直线是Rayleigh直线的极限情况，Hugoniot曲线中的DE段没有物理意义，整个II和IV区是没有物理意义的⏹I区是爆震区，III区是缓燃区分析⏹Rayleigh直线和Hugohiot曲线分别相切于B和G点。

C-J C-J⏹B点称为上C J点，具有终点B的波称为C J爆震波。

AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震。

⏹绝大多数条件下，自发产程的爆震波多是C-J爆震波，但人工超音速燃烧可以造成强爆震波。

⏹G点称为下C-J点，具有终点为G的波称为C-J缓燃波。

EG段为弱缓燃波，GH段为强缓燃波。

⏹实验指出，大多数的火焰都接近于等压过程，因此强缓燃≈0。

波是不能发生的，有意义的将是弱缓燃波，此时Ma1⏹当q=0时，则Hugoniot曲线通过初始点，这就是普通的力学激波。

Ⅰ1/2<1/在区，ρ2 ρ1，因此有："2121(1/1/)0u u mρρ-=-< 或者：u 1 > u 2这里u 2和u 1分别是燃气和未燃气相对于爆震波的速度。

如果把坐标系固定在试验台上，在此坐标系中爆震波在静止管道内以相对速度V w 运动。

爆震波前后气体的绝对速度的方向w 如下图所示：绝对速度与相对速度的关系为：Vv 1= V w-u1v2= V w–u2u2和u1在图中所示的方向（向右）是正的，而v1和v2在图中向左是正的。

因为我们假定了未燃气的绝对速度v1 = 0，u1= V w，根据不等式有：v2= V w–u2= u1 -u2 > 0从物理上说，这个式子意味着爆震波后已燃气有随波运动的趋势下面看一下已燃气能否追得上波的运动由上面v2表达式，爆震波速Vw可表示成u2和v2之和。

而在C-J点上u2= c2，所以有：V w= v2+ c2> c2可见，C-J爆震波是以超音速向前运动另一方面，Vw >v2，虽然已燃气也在与爆震波以相同的方向运动，但它绝对追不上爆震波。

对于AB段：强爆震波区已燃气的压力比C-J爆震波的压力高当通过一强爆震波时，气体相对于波前沿的速度显著降低，超音速变成了亚音速但此时，压力和密度明显增高。

→∞的强爆震波在物理上是不可能的。

p2实际上，强爆震波也很少见，因为它需要强度非常大的装置产生超强度的激波。

对于BD段：弱爆震波区已燃气的压力比C-J爆震波的压力小当通过一弱爆震波时，气体相对于波前沿的速度降低，但已燃气的速度仍为超音速等容的弱爆震波对应于无穷大的波速，在物理上是不可能的实际上，弱爆震波也很少见，因为它需要非常大的化学反应速率绝大多数实验条件下，真实的爆震波都是查普曼-焦格特波在Ⅲ区，对于EG段：弱缓燃波区已燃气的压力比C-J缓燃波的压力大，但比容小当通过一弱缓燃波时，气体相对于波前沿的速度从低亚音速加速到高亚音速等压的弱缓燃波的波速等于零（由瑞利公式）绝大多数实验条件下，已燃区的压力比未燃区稍低。

对于GH段：强缓燃波区当通过一弱缓燃波时，气体相对于波前沿的速度从低亚音速加速到超音速从波的结构考虑，不可能在等截面管道中出现从亚音速到超音速的情况实验条件下从未观察到强缓燃波的存在。

爆震波汇总（1）强爆震波（可能）波前超音速，波后亚音速，需要一个强度非常大的装置用以产生一个超强度的激波。

很少看到。

（2）C-J爆震（发生），绝大多数爆震都是。

（3）弱爆震波（不可能）波前超音速，波后超音速。

违反热力学第二定律。

（4）弱缓燃波（发生）波前低亚音速，波后高亚音速。

（5）C-J缓燃（可能），从未观察到。

（6）强缓燃波（不可能）波前亚音速，波后超音速。

违反热力学第二定律。

——Chapman-Jouguet假说：只有（1）（2）（4）（5）是可能的。

爆震速度的确定爆震速度的定义⏹延续前面有关一维爆震波的讨论，加入一条假设：已燃气体的压力要远远大于未燃混合物的压力，也就是p 2>>p 1。

这里定义爆震速度⏹定义☐以爆震波为参考系下，未燃混合物进入爆震波的速度。

☐在一维爆震波前面的描述中，这一速度相当于u 1。

==⋅42.995/29.79 1.443/()kJ kg K。