氧濃度對瀝青燃燒的影響

氧濃度對瀝青燃燒的影響

    采用極限氧指數法測試瀝青的燃燒性能時，發現氧濃度越大，瀝青越容易燃燒，燃燒時間也越長。可見，極限氧指數的大小反映了瀝青能夠持續燃燒的難易程度。本文分別從不同氧濃度下瀝青燃燒時的速度場、溫度場以及氣相組分質量濃度分布分析氧濃度對瀝青燃燒的影響。 

1. 速度場結果分析 

    對燃燒結果的模擬分別基于 18.0 %、19.0 %、20.0 %三種氧濃度進行，三種不同氧濃度的流場速度沿高度方向的變化規律基本相同。在混合氣體入口處的速度分布基本相同，沿高度增加，流場速度逐漸增大，當到達瀝青流入口處時，流場速度的增長速度逐漸加快，增長最大值后，速度又出現減小現象。另外，在三種氧濃度下，整個流場速度的等速度包絡線無分叉、光滑閉合，且等速線在高速分布區域的上部、下部出現明顯的向外彎曲現象。分析原因，在非預混層流燃燒中，來自不同入口的高溫瀝青和氧化劑，自相遇混合后發生燃燒，并隨著進入氧化環境瀝青量的增多，高溫瀝青和氧化劑混合率逐漸增大，燃燒速率加快，對流場速度的影響加大。在燃燒完成后，由于周圍混合氣體的稀釋作用，流場速度逐漸恢復。

2.溫度場結果分析 

    以 18.0 %、19.0%、20.0 %三種氧濃度為例，對玻璃筒內瀝青燃燒時的溫度場進行分析。在三種不同氧濃度下，溫度場分布基本相似，溫度包絡線光滑無分叉。在瀝青入口處，即火焰底部，入口邊緣的冷卻效應和周圍混合氣體的稀釋作用，使溫度明顯降低，形成等溫線向上彎曲現象。在燃燒區域，由于周圍混合氣體的冷卻效應和稀釋作用，溫度包絡線出現向外彎曲的現象，也就是熱量的擴散現象。 

    可以發現：(1)  溫度場的最高溫度以及高溫分布面積都隨氧濃度的增大而增大。當氧濃度為 18.0  %時，溫度場最高溫度是 1442 K；氧濃度 19.0 %時，最高溫度為 1508 K，高溫面積是氧濃度 18.0 %的三倍多；當氧濃度 20.0 %時，最高溫度提高到 1558 K，高溫面積是氧濃度 18.0 %的5 倍多。可見，氧濃度對瀝青燃燒溫度場的影響很大。(2)  在層流燃燒中，化學反應速率隨高溫上升的速度而加快，溫度隨著化學反應的進行而升高，這種自加速作用使得反應在燃燒波層內繼續進行直至反應完成，同時將熱量供給給下一層。另外，根據相關資料，在非預混層流燃燒中，火焰鋒面位于燃料-氧化劑化學恰當附近，也是溫度最高的位置。因此可以得出，隨著氧濃度的增大，瀝青燃燒時化學反應的自加速作用增大，溫度升高速度加快，且瀝青燃燒火焰高度增大。

3.氣相組分質量濃度分布分析 

    瀝青燃燒過程中，瀝青、O2、CO2和 H2O 的質量濃度分布與溫度分布有很大關系。瀝青流入口處，瀝青濃度最大、O2濃度最低，是由于燃燒區域瀝青強烈燃燒而消耗大量的 O2，氧濃度變化劇烈；隨著層流流動和各組分擴散作用，參與燃燒的瀝青含量逐漸增大，O2的消耗量也逐漸增大；在燃盡區，由于瀝青的燃燒基本趨于完成，O2含量逐漸上升，燃燒產物 CO2和 H2O 的含量逐漸上當O2含量值最小，CO2和 H2O 含量值最大時，由于周圍混合氣體的稀釋作用，O2濃度逐漸增大，CO2和 H2O 的濃度逐漸減小。 

    在層流非預混燃燒中，--的火焰面是將燃料和氧化劑分開的一個薄層，該處是燃料和氧化劑的質量擴散流率為化學恰當比，剛好進行燃燒反應，所以火焰面上燃料和氧化劑濃度都為 0。這也就是為什么 O2質量濃度為 0 的分布呈火焰型的原因。通過對比不同氧濃度下 O2質量濃度圖，可以看出，隨著氧濃度的增大，瀝青燃燒火焰的高度逐漸增大。