基本介紹
- 中文名：層流火焰
- 外文名：laminar flame
- 學科：數理科學
- 類型：力學術語
- 定義：靜止或層流流動氣體形成的火焰
- 實驗室設備：本生燈
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簡介
實驗室用的本生燈燃燒得到的也近於層流火焰。
原子吸收預混合型原子化器形成的以氣體的層流為特徵的火焰。
這種火焰比較穩定，測量時波動小，適用於原子吸收定量分析。
層流
層流（laminar flow）是流體的一種流動狀態，它作層狀的流動。流體在管內低速流動時呈現為層流，其質點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內流體的平均流速與最大流速之比等於0.5。
對於粘性流體的層狀運動，流體微團的軌跡沒有明顯的不規則脈動。相鄰流體層間只有分子熱運動造成的動量交換。層流只出現在雷諾數Re（Re=ρUL/μ)較小的情況中，即流體密度ρ、特徵速度U和物體特徵長度L都很小，或流體粘度μ很大的情況中。當Re超過某一臨界雷諾數Recr時，層流因受擾動開始向不規則的湍流過渡，同時運動阻力急劇增大。臨界雷諾數主要取決於流動形式。對於圓管，Recr≈2000，這時特徵速度是圓管橫截面上的平均速度，特徵長度是圓管內徑。層流一般比湍流的摩擦阻力小，因而在飛行器或船舶設計中，應儘量使邊界層流動保持層流狀態。
研究層流燃燒的意義
由於實驗手段的不斷提高和計算機水平的日益發展，人們對燃燒的研究也從層流燃燒發展到湍流燃燒。但是，人們在研究湍流燃燒的過程中，發現其與層流燃燒的關係非常密切，特別是在代用燃料的研究過程中，在相同的湍流強度和進氣方式下，湍流燃燒速度取決於不同燃料的化學物理性質，而採用層流燃燒的研究方法可對燃料的燃燒品質進行精確的了解和全面的反映。層流燃燒的研究方法與湍流相比，其實驗方式簡單易行，實驗結果也較為精確可靠，計算模型的建立也同樣簡單可靠。套用層流火焰來研究燃料的燃燒品質，能夠詳細、全面的了解其在不同環境條件下的化學反應機理。另外，燃料在高溫、高壓下的層流燃燒特性對分析和預測內燃機的運行特性起著非常重要的作用。
預混層流火焰
傳播特性
許多學者提出了不同數學模型用於預測預混氣體火焰傳播，並取得了一定的進展。最近，已經從數值和實驗上研究了火焰拉伸對預混火焰特性的影響。在研究傳播的球形層流預混火焰時地發現，火焰拉伸對層流燃燒速度影響顯著而層流燃燒速度與馬赫數(Ma)和平面層流燃燒速度(未拉伸)有關。由文獻所用的測量方法補充，運用現代的測量方法評估了Kazakov和Frenklach的詳細C/H/O反應機理。通過分析實驗和計算結果，發現火焰與拉伸的相互作用和以前在實驗室內研究的表面傳播球形層流預混火焰相同。這包括火焰條件的保守選擇，從而使隨著火焰半徑變化的火焰厚度變化、曲率和燃燒速度的變化問題在觀察限度內達到最小。
速度特性
靜止的預混氣體用電火花或灼熱物體局部點燃後，火焰就會向四周傳播開來。形成一個球形火焰面。在火焰面的前面是未燃的預混氣體。在其後面則是溫度很高的已燃氣體一燃燒產物。它們的分界面是薄薄的一層火焰面，在其中進行著強烈的燃燒化學反應，同時發出光和熱。它與鄰近地區之間存在著很大的溫度梯度與濃度梯度。這薄薄一層火焰面統稱為“火焰前鋒”或“火焰波前”，或“火焰波”。火焰的傳播就是火焰前鋒在預混氣體中的推進運動。這主要是因為火焰前鋒內燃燒化學反應使在其邊界上產生了很高的溫度和很大的濃度梯度，從而產生了強烈的熱量和質量交換。這些熱量和質量的傳遞又引起了鄰近的混合氣的化學反應，這就形成了化學反應區在空間的移動。火焰傳播的快慢決定於預混氣體的這些物理化學性質。
本生燈
德國化學家R.W.本生的助手為裝備海德堡大學化學實驗室而發明的用煤氣為燃料的加熱器具。在本生燈發明前，所用煤氣燈的火焰很明亮，但溫度不高，是因煤氣燃燒不完全造成的。本生將其改進為先讓煤氣和空氣在燈內充分混合，從而使煤氣燃燒完全，得到無光高溫火焰。火焰分三層：內層為水蒸氣、一氧化碳、氫、二氧化碳和氮、氧的混合物，溫度約300℃，稱為焰心。中層內煤氣開始燃燒，但燃燒不完全，火焰呈淡藍色，溫度約500℃，稱還原焰。外層煤氣燃燒完全，火焰呈淡紫色，溫度可達800～900℃，稱為氧化焰，此處的溫度最高，故加熱時利用氧化焰。
本生燈是實驗室常用的中高溫加熱工具。因其操作溫度較酒精燈高，故燈具的材質必須使用較耐熱的金屬。又由於它的燃料在室溫時是氣態，使用時應特別注意管線的安全。本生燈在使用時要特別注意使用安全。使用前必先檢查所有開關是否在關閉的狀態。確定所有的開關都在關閉的狀態時，才能打開瓦斯的總開關。
層流火焰淬熄的電學特性
測量原理
（1）燃氣丙烷和空氣分別由燃氣瓶和空氣泵提供，通過不同的管路進入混合室進行混合，在燃燒器出口處被點燃，產生擴散火焰或預混火焰。
（2）火焰與直流恆定電源、萬用表、淬熄平面構成閉合迴路，根據串聯電路的歐姆定律R=U/I，在不同條件下測量迴路中的電流數值，分析結果並得出火焰淬熄時電阻的相關特性。
（3）採用控制變數法，改變火焰淬熄條件得到不同條件(燃燒器與淬熄平面之間的距離，燃燒器與淬熄平面間載入電壓的大小及連線方式、空氣量、極板材質)下火焰淬熄的電學特性。
實驗操作步驟
（1）打開丙烷燃氣閥門，調節燃氣量為固定值。
（2）打開空氣壓縮機，由其向燃燒器提供連續並且穩定的空氣，調節空氣量為所需數值。
（3）點燃燃燒器，等待火焰穩定。
（4）火焰穩定後，連線好電路，打開直流恆定電源、萬用表，高度尺由50mm下降，每1 mm測量並記錄萬用表上的電流數值。
（5）實驗結束後，關閉燃氣、關閉空氣壓縮機，關閉直流恆定電源和萬用表整理實驗儀器。
