燃烧理论6火焰传播与稳定

1、层流预混火焰传播层流预混火焰传播扩散燃烧火焰扩散燃烧火焰湍流预混火焰传播湍流预混火焰传播基本概念基本概念层流扩散燃烧层流扩散燃烧基本概念基本概念湍流火焰传播理论湍流火焰传播理论湍流火焰传播速度的影响因素湍流火焰传播速度的影响因素预混高速气流火焰稳定预混高速气流火焰稳定预混本生灯火焰稳定预混本生灯火焰稳定基本概念基本概念层流火焰传播理论层流火焰传播理论层流火焰传播速度的测定层流火焰传播速度的测定层流火焰传播速度的影响因素层流火焰传播速度的影响因素火焰稳定火焰稳定湍流扩散燃烧湍流扩散燃烧扩散燃烧火焰稳定扩散燃烧火焰稳定根据气流流动情况，预混气中火焰传播分为：层流火焰传播（层流燃烧）湍流火焰传播（湍

2、流燃烧）根据反应机理及火焰传播速度可分为：缓燃 ( deflagration)爆震 ( detonation)缓燃缓燃（正常传播）：火焰锋面以导热和对流的方式下传热给可燃混合物引起的火焰传播，也可能有辐射（如煤粉燃烧时的火焰传播可能以辐射为主，也有可能为对流和辐射并重）。传播速度较低（13m/s，远小于声速），传播过程稳定。一般的工程燃烧均为此类。爆燃爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压缩（冲击波的绝热压缩）作用使未燃混合气的温度升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气推进，传播速度大于1000m/s，大于声速。如爆炸、压燃式内燃机的火焰传播。2022-5-132022-5-14缓

3、燃波与爆震波的参数差异参数爆震缓燃波前马赫数u1/c15100.00010.03爆震波前后u2/u10.40.7(减速)416（加速）爆震波前后压力p2/p11355（压缩）0.98（略膨胀）爆震波前后温度T2/T1811（加热）416（加热）爆震波前后密度2/ 11.72.60.060.25一、火焰传播概念当一个炽热物体或电火花将可燃混和气的某一局部点燃当一个炽热物体或电火花将可燃混和气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量将着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量将加热邻近层的混和气，使其温度升高至着火燃烧。这样加热邻近层的混和气，使其温度升高至着火燃烧。这样一

4、层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个混和气，一层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个混和气，该现象成为该现象成为火焰传播火焰传播。火焰波（燃烧波）火焰波（燃烧波）：在充满均匀的可燃混气的容器中心：在充满均匀的可燃混气的容器中心用电火花点燃时，火焰像波一样从中心向四周传播，称用电火花点燃时，火焰像波一样从中心向四周传播，称为火焰波或燃烧波为火焰波或燃烧波。 2022-5-17静止均匀混合气体中火焰锋面的传播 管道中传播的火焰 均匀混合气局部加热而着火并形成火均匀混合气局部加热而着火并形成火焰。依靠导热的作用将能量输送给火焰邻焰。依靠导热的作用将能量输送给火焰邻近的冷混合气层，使这些层的混合气温

5、度近的冷混合气层，使这些层的混合气温度升高而引起化学反应，并形成新的火焰。升高而引起化学反应，并形成新的火焰。 一层一层的新鲜混合气依次着火，化一层一层的新鲜混合气依次着火，化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，化学反应区使已燃区和末燃区之间传播，化学反应区使已燃区和末燃区之间形成了明显的分界线，我们称这层薄薄的形成了明显的分界线，我们称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿化学反应发光区为火焰前沿（前锋或波（前锋或波前前) )。分析中，可以把它看成为几何面。分析中，可以把它看成为几何面。火焰前锋：火焰前锋：未燃气体和已燃气体的分界面即为火焰锋未燃气体和已

6、燃气体的分界面即为火焰锋面，亦称火焰前沿（前锋）。面，亦称火焰前沿（前锋）。 常压条件下火焰前锋的常压条件下火焰前锋的厚度厚度1mm以下，以下，10-210-1mm三、层流火焰速度三、层流火焰速度(Laminar flame speed, SL(Laminar flame speed, SL）层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火焰锋面在其法线方向焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气相对于新鲜混合气的传播速度。的传播速度。层流火焰速度：S SL L( (标量标量) )火焰传播速度：S S ( (矢量矢量) )流场速度：U U( (矢量矢量) )相

7、对于未燃预混气体的层流火焰速度： S Su u = U = Uu u dx dxf f / dt = / dt = S SL L相对于燃烧产物的层流火焰速度：S Sb b = U = Ub b dx dxf f / dt / dt2022-5-110SL定义：一维平面预混火焰的火焰定义：一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度。SL= (S U ) nn 为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量SL=Uu dxf / dt热力理论热力理论：火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热：火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从活化而

8、引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率。并不否认火焰中心有反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率。并不否认火焰中心有活性中兴存在和扩散，但认为在一般的燃烧过程中活化中心的扩活性中兴存在和扩散，但认为在一般的燃烧过程中活化中心的扩散对化学反应速度的影响不是主要的。散对化学反应速度的影响不是主要的。扩散理论扩散理论：火焰中化学反应主要是活化中心（如：火焰中化学反应主要是活化中心（如H、OH等）向新鲜预混可燃气体扩散，促进使其链锁反应发展所致。等）向新鲜预混可燃气体扩散，促进使其链锁反应发展所致。 实际上，只有极少数的火焰传播过程是单纯受热力理论控制或实

9、际上，只有极少数的火焰传播过程是单纯受热力理论控制或单纯是受扩散理论控制的，碳氢化合物燃烧时热力理论和扩散理论单纯是受扩散理论控制的，碳氢化合物燃烧时热力理论和扩散理论同时起作用。在一般情况下热力理论比较接近于实际，被认为是目同时起作用。在一般情况下热力理论比较接近于实际，被认为是目前比较完善的火焰传播理论。前比较完善的火焰传播理论。四、层流火焰的内部结构及其传播机理四、层流火焰的内部结构及其传播机理四、层流火焰的内部结构及其传播机理rp反应区反应区RR预热区预热区PP设：设：u0 = ul，则火焰锋，则火焰锋面驻定。面驻定。将火焰锋面可分为两部将火焰锋面可分为两部分：分：层流火焰传播速度推导

10、（一）层流火焰传播速度推导（一）muuul000连续方程：连续方程：WQdxdTdxddxdTCupl)(0PP常数常数对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为：对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为： 动量方程：动量方程：能量方程：能量方程：0, 0,0,00dxdTyTTxdxdTyyTTxm绝热条件下，火焰的边界条件为：绝热条件下，火焰的边界条件为：把火焰分成预热区与反应区，把火焰分成预热区与反应区，在预热区中忽略化学反应的在预热区中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。 预热区：预热区：)(0dx

11、dTdxddxdTCupl0,0dxdTTTx能量方程能量方程边界条件边界条件)()(00dxdTTTCufpl层流火焰传播速度推导层流火焰传播速度推导反应区：反应区：能量方程能量方程边界条件边界条件022WQdxTd0, 0dxdTTTxTTxmf2)(21)()(dxdTdTddxdTdTddxdTdxdTdxd又：又：mfTTWQdTdxdT2层流火焰传播速度推导反应区：反应区：022WQdxTd0, 0dxdTTTxTTxmfmfTTWQdTdxdT2预热区：预热区：)(0dxdTdxddxdTCupl0,0dxdTTTx能量方程能量方程边界条件边界条件)(00TTCudxdTfpl层

12、流火焰传播速度推导层流火焰传播速度推导20220)(2TTCWQdTufpTTlmfmmfTTTTWdTWdT000fTTWdT00TTTTmf层流火焰传播速度推导20220)(20TTCWQdTumpTTlmWQTTWdTQTTWQdTmfmfTTfTTf)()(00pCa引入导温系数 化学反应时间 /1W2/1)/(aul层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比，与反应时间的层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比，与反应时间的平方根成反比。也就是说，平方根成反比。也就是说，ul 是可燃混气的一个物理化学常数。是可燃混气的一个物理化学常数。 层流火焰传播速度推导RTpRTEyKWn/)/e

13、xp()(00及2/ )2(02/1022000)()/exp()(nmpnlpTTCRTEyQKu层流火焰传播速度推导平面火焰的正常传播 层流火焰传播速度推导层流火焰传播速度推导(二二)如图表示一平面火焰在运动气流中的传如图表示一平面火焰在运动气流中的传播情况，设火焰传播方向正好与气流运播情况，设火焰传播方向正好与气流运动方向相反，即火焰向左传播而气流向动方向相反，即火焰向左传播而气流向右运动，且气流运动方向与火焰面相垂右运动，且气流运动方向与火焰面相垂直。直。可燃气流在进入火焰锋面以前的升温过可燃气流在进入火焰锋面以前的升温过程，即预热区，忽略化学反应项，气流程，即预热区，忽略化学反应项，

14、气流自自T0升温到升温到 所需的热量等于在所需的热量等于在B点的导热量：点的导热量： ERTTlrlr2020TERTTcudxdTlrlrpB（6-1） 燃烧反应速度的变化 式中：式中：u0气流速度；气流速度； 气体的密度；气体的密度； cp平均定压比热。平均定压比热。由于由于 lrlrTERT2式（式（6-1）变为）变为 00TTcudxdTlrpB（6-2） 已假设已假设 ，且，且 ，则，则 0uuLpca0TTaudxdTlrLB（6-3） 在反应区内，忽略对流项，对单位面积火焰锋面的热平衡为：在反应区内，忽略对流项，对单位面积火焰锋面的热平衡为： 0rmQvdxdxdTTdxddxd

15、T所以所以 rmQvdxTd22（6-4） 式中：式中：Qr可燃混合物的反应热；可燃混合物的反应热； vm反应速度，在整个火焰锋面内认为是常量。反应速度，在整个火焰锋面内认为是常量。由式（由式（6-4）可得：）可得： dTQvdTdxTdrm22dTdxTddTQvrm22dTdxdTdxddxdTddxdT 22dxdTddTvQmr则则 对上式从对上式从B点点 到到Tlr作积分作积分 ERTTlrlr2lrlrlrlrTERTTTBmrdxdTddTvQ2点点22从式（从式（6-3）可知对于）可知对于B点，点， 0TTaudxdTlrLB0lrTdxdT对于对于Tlr点，点， 所以所以 l

16、rlrlrlrTERTTTBmrdxdTdTvQ222点点202BdxdT22BdxdT 即有即有 lrlrlrTERTTmrBdTvQdxdT22（6-5） lrlrlrTERTTmrlrLdTvQTTau220lrlrlrTERTTmlrrpdTvTTQca2202 （6-6） ERTTTvQcaulrlrmrpL2202（6-7） 由燃尽时间的定义（可燃混合物在由燃尽时间的定义（可燃混合物在Tlr温度燃尽所需的时间）温度燃尽所需的时间）可写出可写出 rmlrpQvTTc)(0（6-8） ERTTTTaulrlrlrL02（6-9 ）得得上式表明层流火焰传播速度只取决于可燃混合物的物理化上

17、式表明层流火焰传播速度只取决于可燃混合物的物理化学性质，是一个物性参数。学性质，是一个物性参数。由式（由式（6-5）和式（）和式（6-3）消去）消去(dt/dx)B 后得到后得到火焰锋面与可燃混合物升温预热区的总厚度火焰锋面与可燃混合物升温预热区的总厚度的数量级也的数量级也可以近似求出。假定在可以近似求出。假定在范围内温度梯度的平均值范围内温度梯度的平均值为为 ，则，则 BdxdTLlrLlrBlruaTTauTTdxdTTT000（6-116-11） 上述推导结果既适用于层流流动气体也适用于静止气体。上述推导结果既适用于层流流动气体也适用于静止气体。一般火焰正常传播速度约为一般火焰正常传播速

18、度约为1100厘米厘米/秒，而火焰锋面秒，而火焰锋面厚度小于厚度小于1毫米。毫米。五五 、层流火焰传播速度的影响因素、层流火焰传播速度的影响因素 烃类燃料在空气中的层流火焰传烃类燃料在空气中的层流火焰传播速度播速度 （1 1）可燃混合物性质的影响）可燃混合物性质的影响 当提高当提高导温系数（或扩散系导温系数（或扩散系数数D D）、理论燃烧温度）、理论燃烧温度T Tlrlr（或反（或反应热应热Q Qr r）以及化学反应速度）以及化学反应速度v vm m时，时，都会使层流火焰传播速度增大。都会使层流火焰传播速度增大。 化学反应速度的大小与可燃化学反应速度的大小与可燃混合气本身的化学性质有关，不混合

19、气本身的化学性质有关，不同的燃料和氧化剂就有不同的火同的燃料和氧化剂就有不同的火焰传播速度。焰传播速度。燃化最大层流火焰传播速度uLmax相当于uLmax时的燃料浓度%料学(cm/s)(按容积计)式L0Lm化学当着火着火下限上限Kg空气Mol空气量时燃下限上限LHKg燃料Mol燃料料组成氢H234.52.3929.547510.10.1431542.2乙炔C2H213.2511.967.752.5813.570.0181708.9乙烯C2H414.814.366.562.7342.510.13568.37.4甲烷CH417.239.569.55151.980.5933.89.96苯C6H613

20、.335.852.731.47.11.960.3640.73.34丙烯C3H614.821.54.472112.280.3743.85.04理论空气消耗量燃料浓度（按容积计）%着火极限时过量空气系数一些燃料一些燃料/空气预混气体的层流火焰传播速度空气预混气体的层流火焰传播速度 理论燃烧温度的提高对火焰传播速理论燃烧温度的提高对火焰传播速度的影响主要是由于促进了火焰中化度的影响主要是由于促进了火焰中化学反应的进程所致。学反应的进程所致。几种可燃混合气的最大火焰传播速度几种可燃混合气的最大火焰传播速度与理论燃烧温度之间的关系曲线。与理论燃烧温度之间的关系曲线。理论燃烧温度对火焰传播速度的影响 可燃

21、预混气中可燃预混气中H原子浓度原子浓度对层流火焰对层流火焰传播速度的影响传播速度的影响 （2）燃料结构的影响）燃料结构的影响 以碳氢化合物作燃料的可燃混合以碳氢化合物作燃料的可燃混合气，它们的火焰传播速度还受到燃料气，它们的火焰传播速度还受到燃料分子结构的影响。分子结构的影响。 如图表示燃料分子中碳原子数目如图表示燃料分子中碳原子数目对火焰传播速度的影响。对火焰传播速度的影响。最大层流火焰传播速度最大层流火焰传播速度与燃料分与燃料分子中碳原子数量的关系子中碳原子数量的关系 一般说来，它们的顺序为：一般说来，它们的顺序为： 同时实验还证明，随着燃料分子量同时实验还证明，随着燃料分子量的增加，火焰

22、传播速度（可燃极限）的增加，火焰传播速度（可燃极限）范围有越来越小的趋势。如前表所范围有越来越小的趋势。如前表所示。示。烷烃max烯烃max炔烃maxLLLuuu（3）可燃混合物组成的影响）可燃混合物组成的影响 如图为燃料如图为燃料/ /氧化剂混合比对氧化剂混合比对层流火焰传播速度层流火焰传播速度u uL L影响的实验结影响的实验结果。果。 当混合比等于或接近化学计量比当混合比等于或接近化学计量比时，时，uL达到最大，类似于燃料达到最大，类似于燃料/氧化氧化剂混合比对绝热燃烧温度的影响。剂混合比对绝热燃烧温度的影响。 通常认为，混合气组成之所以会通常认为，混合气组成之所以会影响影响uL值主要是

23、因为它对绝热燃烧值主要是因为它对绝热燃烧温度的影响所致，燃烧温度达到最温度的影响所致，燃烧温度达到最高时其火焰传播速度也最大。高时其火焰传播速度也最大。 燃料燃料/氧化剂混合比对层流氧化剂混合比对层流火焰火焰传播速度的影响传播速度的影响 （4 4）可燃混合物压力的影响）可燃混合物压力的影响 刘易斯用定容弹的方法确定刘易斯用定容弹的方法确定了压力了压力p与与uL之间的关系。他首之间的关系。他首先假定先假定uL pK存在，然后对不存在，然后对不同的烃类同的烃类/O2 /N2 /Ar/He混合气混合气体火焰确定压力指数体火焰确定压力指数K 。 压力对层流火焰传播速度的影响压力对层流火焰传播速度的影响

24、 根据火焰传播的热力理论对于根据火焰传播的热力理论对于u uL L 50cm/s 50cm/s的火焰，其反应的火焰，其反应级数小于级数小于2 2；而对于；而对于50u50uL L 100cm/s100cm/s100cm/s的火焰，的火焰， 其反应级数大于其反应级数大于2 2。由此可以得到由此可以得到u uL L与压力与压力p p之间的简单关系：之间的简单关系： 12nLpu（6-126-12） 此外，由分子物理及热学可知，热扩散率与密度随压力p的变化规律为 及 ，由式（2-36）可知化学反应速度 ，一起代入式（6-7）以后得到 pa1pnmpv1221nmLpavu由此可见，实验结果与理论分析

25、是一致的。由此可见，实验结果与理论分析是一致的。一般燃烧化学反应的级数一般燃烧化学反应的级数n=1n=12 2，因此火焰的正常传播，因此火焰的正常传播速度与压力有如下的关系速度与压力有如下的关系 puL1其中指数其中指数约为约为00.5。 当压力增加时，对一般的碳氢燃料当压力增加时，对一般的碳氢燃料-氧化剂火焰，其火氧化剂火焰，其火焰传播速度是要减少的，如下图（焰传播速度是要减少的，如下图（a）所示。）所示。 但一般的工程实践说明，当压力增加时，燃烧强度明显但一般的工程实践说明，当压力增加时，燃烧强度明显增加。由式（增加。由式（6-96-9）可以得到：）可以得到：2nLpu 当压力当压力p增加

26、时，质量传播速度也要增加。这一关系表增加时，质量传播速度也要增加。这一关系表示在下图（示在下图（b）中。）中。压力对层流火焰传播速度的影响压力对层流火焰传播速度的影响 1-1-丁二烯丁二烯3.68%3.68%与与He+OHe+O2 2 2- 2-乙烯乙烯7% 3-7% 3-乙烯乙烯9% 4-9% 4-汽油汽油 5-5-庚烷庚烷 6-6-三甲基戊烷三甲基戊烷22.4% 7-22.4% 7-丁二烯丁二烯3.68%3.68%与与N N2 2+O+O2 2 混合物初温对火焰传播混合物初温对火焰传播速度的影响速度的影响 几种混合物初温对其火焰传播速度几种混合物初温对其火焰传播速度的影响的影响 （5）可燃

27、混合物初温的影响）可燃混合物初温的影响 对不同燃料及成分的可燃混合气进行实验，测定对不同燃料及成分的可燃混合气进行实验，测定uL随混合物初温随混合物初温T0的变化，其结果如下图所示。实验结果表明，火焰传播速度的变化，其结果如下图所示。实验结果表明，火焰传播速度uL随初温随初温T0的增大而增大，其关系大致为的增大而增大，其关系大致为uLT0m的形式，这里的形式，这里m大约在大约在1.52之间，如下图所示。之间，如下图所示。（6）可燃混合物中添加剂的影响）可燃混合物中添加剂的影响 惰性添加剂的影响惰性添加剂的影响 惰性组分对火焰传播速度的影响 惰性组分影响火焰传播速度的实验结果 甲烷/氧气混合气中

28、加入氮对火焰传播速度的影响 当可燃混合气中的氧化剂或燃料过量时，其过量部分的作用类似于当可燃混合气中的氧化剂或燃料过量时，其过量部分的作用类似于惰性添加物质。惰性添加物质。 反应添加剂的影响反应添加剂的影响123456CO100%80%60%40%20%0H2020%40%60%80%100%曲线成分H2对CO/空气火焰传播速度的影响 加入的反应物质不同，其对加入的反应物质不同，其对u uL L的影响也不同。若在的影响也不同。若在CO-CO-空气的混空气的混合气中不是加入合气中不是加入H H2 2，而是加入，而是加入CHCH4 4，则其曲线的转移如图所示。，则其曲线的转移如图所示。123456

29、78CO100%96%95%90%85%70%50%0CH404%5%10%15%30%50%100%曲 线成分CHCH4 4对对CO/CO/空气火焰传播速度的影响空气火焰传播速度的影响 上述各种影响火焰传播速度的因素，如果控制得好，将有助于上述各种影响火焰传播速度的因素，如果控制得好，将有助于燃烧的稳定和加强。否则将对火焰传播不利。更有甚者，可能会使燃烧的稳定和加强。否则将对火焰传播不利。更有甚者，可能会使火焰传播不能维持，发生淬熄。火焰传播不能维持，发生淬熄。为什么要测量火焰速度？火焰速度是燃料燃烧特性的重要参数从实际应用的角度上看:火焰速度是影响燃烧器内燃料火焰速度是影响燃烧器内燃料燃烧

30、状况和效率的重要因素燃烧状况和效率的重要因素从基础研究的角度上看:火焰速度是用来验证各种燃料火焰速度是用来验证各种燃料的化学反应机理的重要参数，的化学反应机理的重要参数，同是也是模拟湍流预混火焰传同是也是模拟湍流预混火焰传播的重要输入参数之一。播的重要输入参数之一。2022-5-141五、层流火焰传播速度的测定层流火焰速度：S SL L( (标量标量) )火焰传播速度：S S ( (矢量矢量) )流场速度：U U( (矢量矢量) )2022-5-142SL定义：一维平面预混火焰的火焰定义：一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度。SL= (S U ) nn 为火焰面指向预混未燃气体

31、的单位法向量SL=Uu dxf / dtdxdxf f/dt=U/dt=Uu uS SL LS SL L= (= (S S U U ) ) n n2022-5-143本生灯火焰本生灯火焰 球形火焰球形火焰稳态火焰法平面火焰本森灯火焰对型流火焰非稳态火焰法管内传播火焰球形传播火焰(定容)球形传播火焰(定压)肥皂泡法2022-5-1442022-5-145火焰通过热传导向平面火焰器传递热量（热损失），因此不是理想状态下的平面火焰。热损失会导致层流火焰速度降低。不同平面火焰器的热损失不一样，因此测出来的层流火焰速度也不一致。修正热损失的方法: :线性拟合法2022-5-1462022-5-14720

32、22-5-1482022-5-149一、湍流火焰的特点一、湍流火焰的特点湍流火焰：湍流火焰：火焰长度缩短，焰锋变宽，并火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。面，火焰传播快。层流火焰：层流火焰：火焰锋面光滑，焰锋厚度火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。很薄，火焰传播速度小。一、湍流火焰的特点衡量衡量 湍流特性参数：湍流特性参数：流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。 在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，或湍流微在湍流中不规则运动的流体微团的

33、平均尺寸，或湍流微团在消失前所经过的平均距离团在消失前所经过的平均距离湍流尺度湍流尺度 l ：湍流强度湍流强度 ：uu若若 l ul （层流火焰传播速度）（层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流为强湍流，反之为弱湍流三种湍流火焰模型：小尺度强湍流小尺度强湍流大尺度弱湍流大尺度弱湍流大尺度强湍流大尺度强湍流一、湍流火焰的特点湍流火焰示意图湍流火焰示意图a）小尺度湍流火焰）小尺度湍流火焰 b）大尺度弱湍流火焰）大尺度弱湍流火焰 c）大尺度强湍流火焰）大尺度强湍流火焰Re数对本生灯火焰传播速度的影响 湍流脉动对火焰的影响湍流脉动对火焰的影响:（1）湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加，）湍流脉

34、动使火焰变形，从而使火焰表面积增加，但是曲面上的法向燃烧速度仍保持为层流火焰传播速度。但是曲面上的法向燃烧速度仍保持为层流火焰传播速度。 （2）湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度，这）湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度，这时具有特定反应速率的反应区在起作用，因此增大了垂时具有特定反应速率的反应区在起作用，因此增大了垂直火焰表面的实际燃烧速度。直火焰表面的实际燃烧速度。（3）湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合，使火焰）湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合，使火焰本质上成为较均匀混合的反应物，而均相反应速率则取本质上成为较均匀混合的反应物，而均相反应速率则取决于在混合过程中产生的已燃气与未燃

35、气的比例。决于在混合过程中产生的已燃气与未燃气的比例。一、湍流火焰的特点湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。湍流火焰传播理论主要有两种：湍流火焰传播理论主要有两种：（1）皱折表面理论）皱折表面理论（2）容积）容积燃烧理论燃烧理论皱折表面理论皱折表面理论 邓克尔和谢尔金首先区别了小尺度和大尺度的高强度与低强邓克尔和谢尔金首先区别了小尺度和大尺度的高强度与低强度湍流。度湍流。1小尺度湍流小尺度湍流 在在2300Re6000范围内，湍流为小尺度的。根据层流范围内，湍流为小尺度的。根据层流火焰传播理论知火焰传播理论知 auL（6-13） 假定动量传递、传热和

36、传质三者近似，则其输送系数数值相等，假定动量传递、传热和传质三者近似，则其输送系数数值相等，即即=D=D，这样有，这样有 Lu（6-14） 邓克尔根据相似性得到湍流火焰传播速度邓克尔根据相似性得到湍流火焰传播速度uT与层流火焰传播速与层流火焰传播速度度uL的比值为的比值为 LTuu（6-15） 其中其中为湍流扩散系数，为湍流扩散系数， 。在管内流动时，湍流尺度。在管内流动时，湍流尺度与管径与管径d成正比，而脉动速度成正比，而脉动速度w w与主气流速度与主气流速度u0成正比，所成正比，所以以 lwRe0dulw（6-16） 故有故有 ReLTuu（6-17） 在在2300Re60002300Re

37、6000时，有的研究给出以下关系式：时，有的研究给出以下关系式： Re1 . 0LTuu（6-18） 继邓克尔之后，谢尔金发展了这个模型，认为在小尺度湍流情继邓克尔之后，谢尔金发展了这个模型，认为在小尺度湍流情况下，火焰传播速度不仅受到分子输运过程的影响，也受到湍况下，火焰传播速度不仅受到分子输运过程的影响，也受到湍流输运过程的影响，即流输运过程的影响，即 LTuu（6-19） 在小尺度湍流情况下，式（在小尺度湍流情况下，式（6-19）就变成式（）就变成式（6-15）。）。 小尺度湍流的燃烧区火焰厚度小尺度湍流的燃烧区火焰厚度T，可参照上述分析及层流，可参照上述分析及层流火焰面的厚度表达式（火

38、焰面的厚度表达式（6-11）求得）求得 TTTua（6-20） 故有故有 aaTT（6-21） 式中式中为层流火焰锋面厚度。为层流火焰锋面厚度。图图6-21 大标尺湍动引大标尺湍动引起的火焰传播简化模型起的火焰传播简化模型 2大尺度湍流大尺度湍流 大标尺弱湍动时，湍流迁移的气体微大标尺弱湍动时，湍流迁移的气体微团的脉动速度较小，团的脉动速度较小， ，如图，如图6-21所所示。示。 单位时间内烧掉的可燃混合物数量是单位时间内烧掉的可燃混合物数量是正常传播速正常传播速度度uL与曲面面积与曲面面积S之乘积之乘积uLS。 它它又可由湍流火焰传播速度又可由湍流火焰传播速度uT与火焰锋与火焰锋面来计算面来

39、计算 ,则则 Luw 0SSuuLT（6-22） 因此只要算出凹凸不平的火焰锋面的曲面面积因此只要算出凹凸不平的火焰锋面的曲面面积S与平均位与平均位置的平面面积置的平面面积S0之比值就可以求出之比值就可以求出uT。 锥面高度：锥面高度： twh 式中式中t为锥面顶点以脉动速度冲刺而形成这个锥体的时间。为锥面顶点以脉动速度冲刺而形成这个锥体的时间。锥底锥底r为为 turL即即 Ludt2式中式中d为锥底直径。为锥底直径。则有则有 LLurwudwh2（6-23） 又又22hrrS20rS即即222201rhrhrrSS把式（把式（6-23）代入得）代入得 201LuwSS故故 21LLTuwuu

40、（6-24） 在大尺度弱湍动时，在大尺度弱湍动时， ，则上式展开为二项级数：，则上式展开为二项级数： Luw 4281211LLLTuwuwuu略去高次项可得略去高次项可得 2211LLTuwuu（6-25） 可见在很弱的湍动时，可见在很弱的湍动时， LTuu在大尺度强湍动时，即在大尺度强湍动时，即 时，时， Luw 12ceuw从式（从式（6-24）可得）可得 wuT图图6-22 大标尺强湍动时大标尺强湍动时的火焰传播简化模的火焰传播简化模 这时的火焰传播物理模型（图这时的火焰传播物理模型（图6-22）可以设想成大团大团的未）可以设想成大团大团的未燃烧的可燃混合物冲破火焰锋面而输运至高温燃烧

41、产物的包围燃烧的可燃混合物冲破火焰锋面而输运至高温燃烧产物的包围之中，大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输运至未燃之中，大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输运至未燃烧的可燃混合物中。烧的可燃混合物中。上述的模型后来又被发展而得到大尺度强上述的模型后来又被发展而得到大尺度强湍动下的火焰传播速度湍动下的火焰传播速度 LTuwwu1ln3 . 4（6-26） 卡洛维兹等人在扭曲的层流火焰基础上，考虑湍流引起火卡洛维兹等人在扭曲的层流火焰基础上，考虑湍流引起火焰传播速度的增加，运用湍流迁移距离的概念，给出以下计算焰传播速度的增加，运用湍流迁移距离的概念，给出以下计算式：式： 对大尺度弱湍动对大

42、尺度弱湍动 wuuLT对大尺度强湍动对大尺度强湍动 LLTuwuu2（6-27） （6-28） 总之，湍流火焰传播速度不但与可燃混合物的物理化总之，湍流火焰传播速度不但与可燃混合物的物理化学性质与参数有关，也和湍流的学性质与参数有关，也和湍流的状态有关。状态有关。 以上各种湍流火焰传播速度模型都认为燃烧化学反应以上各种湍流火焰传播速度模型都认为燃烧化学反应本身的速度非常高，燃烧化学反应只是在薄薄的一层火焰本身的速度非常高，燃烧化学反应只是在薄薄的一层火焰锋面内进行，所以都属于火焰传播的表面理论的范畴。锋面内进行，所以都属于火焰传播的表面理论的范畴。 容积燃烧理论容积燃烧理论 容积燃烧理论认为，

43、在每个湍动的微团的内部，一方面在进容积燃烧理论认为，在每个湍动的微团的内部，一方面在进行不同成分和温度的物质的迅速混合，同时也在进行快慢程度行不同成分和温度的物质的迅速混合，同时也在进行快慢程度不同的反应。不同的反应。图图6-23 容积理论的物容积理论的物理模型理模型 容积理论还假定，不仅不同的微容积理论还假定，不仅不同的微团的脉动速度不同，即使同一个微团的脉动速度不同，即使同一个微团内部的各个部分，其脉动速度也团内部的各个部分，其脉动速度也是不同的，如图是不同的，如图6-23所示。所示。 苏联学者谢钦科夫在不同的湍动强度和苏联学者谢钦科夫在不同的湍动强度和u uL L下，针对微团内下，针对微

44、团内几种可能的湍动速度分布，作了湍流火焰传播的数值计算，得几种可能的湍动速度分布，作了湍流火焰传播的数值计算，得出了一定压力和温度下的定性关系：出了一定压力和温度下的定性关系： 2/13/2LTuwu （6-296-29） 萨默菲尔德认为在高强度湍流情况下，湍流火焰是一个弥萨默菲尔德认为在高强度湍流情况下，湍流火焰是一个弥散的反应区。这个反应区的火焰传播机理被看成与层流火焰散的反应区。这个反应区的火焰传播机理被看成与层流火焰类似，根据相似性，可以推导出湍流火焰传播速度为：类似，根据相似性，可以推导出湍流火焰传播速度为： TTu（6-306-30） 其中其中为湍流扩散系数。为湍流扩散系数。T T

45、为湍流情况下反应区的反应时间。为湍流情况下反应区的反应时间。由式（由式（6-106-10）和式（）和式（6-306-30）可以得到：）可以得到： 21auuTLT（6-31） 由于由于 及及 ，代入上式，得到：，代入上式，得到： LuTTTuTLTauu（6-326-32） 其中其中、T T分别为层流火焰前沿厚度及湍流反应区厚度。分别为层流火焰前沿厚度及湍流反应区厚度。上式还可以写成：上式还可以写成： auuLTT（6-336-33） 式（式（6-336-33）称为相似性假定方程。表示湍流和层流两种火焰）称为相似性假定方程。表示湍流和层流两种火焰相似所需要的条件。相似所需要的条件。对层流火焰，

46、由实验测定给出：对层流火焰，由实验测定给出： 10auL（6-346-34） 根据式（根据式（6-336-33），则湍流火焰为：），则湍流火焰为：10TTu（6-356-35） 可以根据测定的反应区厚度及湍流扩散系数可以根据测定的反应区厚度及湍流扩散系数求出湍流火焰求出湍流火焰传播速度传播速度u uT T。三、湍流火焰传播速度的影响因素三、湍流火焰传播速度的影响因素 （1）w和和uL对对uT的影响的影响 根据大多数实验观察表明：脉动速度根据大多数实验观察表明：脉动速度w和层流火焰传播和层流火焰传播速度速度uL是影响是影响uT的基本而重要的因素，它随着的基本而重要的因素，它随着w和和uL的增大的

47、增大而增大。图而增大。图6-24给出了在不同的给出了在不同的uL之下，之下，uT随的变化曲线。随的变化曲线。图图6-24 uT与与uL和之间关系和之间关系 3 . 04 . 07 . 06 . 03 . 5LLTuwuu（6-36） 在在 的情况下，上式可简化为的情况下，上式可简化为 1Luw 3 . 04 . 07 . 06 . 03 . 5LTuwu（6-37） 进一步的实验表明，进一步的实验表明，uT与与uL和和w之间存在着并非如式（之间存在着并非如式（6-36）或式（或式（6-37）所示的单值函数关系，也就是说）所示的单值函数关系，也就是说 不是一个通用公式，它仅在给定的可燃混合气性质

48、、组成和不是一个通用公式，它仅在给定的可燃混合气性质、组成和其它条件下才能应用。其它条件下才能应用。 nLmTuwAu它们的关系可用下列经验公式来表示：它们的关系可用下列经验公式来表示：（2）湍流尺度对）湍流尺度对uT的影响的影响 实验表明，特别是在大尺度强湍流的情况下，湍流尺度与实验表明，特别是在大尺度强湍流的情况下，湍流尺度与uT无关，这一结果与前面的分析是一致的。无关，这一结果与前面的分析是一致的。图6-25 uT和之间关系 （4）温度对）温度对uT的影响的影响 因因uL随温度提高而增大（如随温度提高而增大（如uLTT1.71.7），故），故u uT T亦随之增大，亦随之增大，实验还表明

49、，温度对实验还表明，温度对u uT T的影响，贫燃料时要比富燃料时大些。的影响，贫燃料时要比富燃料时大些。（5 5）压力对压力对u uT T的影响的影响压力对压力对u uT T影响是通过压力对影响是通过压力对u uL L和的影响所致。由实验得到，在和的影响所致。由实验得到，在大气压力下：大气压力下： （3）可燃混合气的性质和组成对）可燃混合气的性质和组成对uT的影响的影响 不同燃料混合气的不同燃料混合气的uT值是不同的，即使值是不同的，即使是同一种燃料混合气，因组成不同（贫燃是同一种燃料混合气，因组成不同（贫燃料或富燃料），料或富燃料），uT值亦不一样，图值亦不一样，图6-25表表示出了它们之

50、间的定性关系。示出了它们之间的定性关系。30.Lpu，34. 0pw 4 . 03 . 06 . 034. 04 . 06 . 0, ppuwuwfuLLT所以所以 08. 0puT（6-38） 赫拉门卓夫认为，压力下降引起赫拉门卓夫认为，压力下降引起uT减小的原因首先可能是减小的原因首先可能是由于湍流强度的下降，其次可能是由于某种目前尚不知道的由于湍流强度的下降，其次可能是由于某种目前尚不知道的动力因素的改变。因此，即使在和动力因素的改变。因此，即使在和uL保持不变的情况下，减保持不变的情况下，减少压力也仍会使少压力也仍会使uT减小。所以在低压下，尤其是低于一个大减小。所以在低压下，尤其是低

51、于一个大气压时，燃烧过程的性能要大大恶化。气压时，燃烧过程的性能要大大恶化。 实际工程中，为提高燃烧速度，改善燃烧性能，往往实际工程中，为提高燃烧速度，改善燃烧性能，往往采用如下的方法：采用如下的方法：（1）设法提高湍流强度；）设法提高湍流强度；（2）采用）采用uL大的可燃气体混合物；大的可燃气体混合物；（3）提高混合气体的压力及温度；）提高混合气体的压力及温度； 扩散燃烧基本概念 燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称，燃烧

52、所用的氧气全靠外界扩散获得，称为扩散控制燃烧，为扩散控制燃烧，其火焰称为，其火焰称为。特征特征燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过程燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过程和燃料与氧化剂混合的过程。和燃料与氧化剂混合的过程。根据燃烧过程进展条件的不同：根据燃烧过程进展条件的不同： 燃烧过程燃烧过程 （ ） （ ）：控制燃烧速率：控制燃烧速率的是混合过程的快慢。的是混合过程的快慢。（更为常见）（更为常见）分类分类气体扩散燃烧气体扩散燃烧扩散燃烧扩散燃烧液体喷雾燃烧液体喷雾燃烧层流扩散燃烧层流扩散燃烧（分子扩散）（分子扩散）湍流喷雾燃烧湍流喷雾燃烧（涡团扩散）（涡团扩散）扩散燃烧

53、火焰的类型按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有： a a）自由射流火焰）自由射流火焰 (free jet flame) b b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰） (concentric jet flame) c c）逆向喷流扩散火焰）逆向喷流扩散火焰 (counter-flow diffusion flame) 层流射流扩散火焰层流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰：不会发生：不会发生回火回火现象现象 ，稳定性又，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料好，在燃烧前又不必要把燃料 与氧化剂进行预先混合

54、与氧化剂进行预先混合 ，操作，操作 方便方便 ，所以在工业上应用很广。，所以在工业上应用很广。 气体扩散燃烧火焰一、基本概念 扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中，燃料气和氧化剂互相扩散燃料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。，它们最初是分开的。 已燃气体从一个燃烧区散布到另已燃气体从一个燃烧区散布到另个燃烧区，因而个燃烧区，因而燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点，以便在点燃后相互接触。燃后相互接触。着火前燃料气和空气分子的扩散过程着火前燃料气和空气分子的扩散过程着火后燃料气与空气向燃烧产物中

55、的分子扩散着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散n 在具有理论燃烧剂量（在具有理论燃烧剂量（）的表面上）的表面上，形成燃烧，形成燃烧 表面。表面。n 燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。 实验现象实验现象富氧扩散火焰：火焰表面逐富氧扩散火焰：火焰表面逐渐收缩到圆管的轴线上，成渐收缩到圆管的轴线上，成为圆锥形火焰。为圆锥形火焰。贫氧扩散火焰：空气中的氧贫氧扩散火焰：空气中的氧气不足，这时火焰扩展到外气不足，这时火焰扩展到外管的壁上形成喇叭形的。管的壁上形成喇叭形的。 同心圆管内的扩散火焰同心圆管内的扩散火焰 空气空

56、气 燃料燃料 空气空气1-富氧火焰富氧火焰 2-贫氧火焰贫氧火焰：一个稳定的火焰边界只能是燃：一个稳定的火焰边界只能是燃料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不能稳定。能稳定。 扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化学剂量比混合的表面上才是稳定的。学剂量比混合的表面上才是稳定的。二、扩散火焰高度 1. 1.实验观察实验观察 火焰特征随气流喷射速度的变化火焰特征随气流喷射速度的变化 层流扩散火焰层流扩

57、散火焰推导依据：燃料通过圆管的质量流率推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的与层流扩散混合的 燃料质量燃料质量M2成比例成比例 。2. 数学模型火焰高度火焰高度喷管尺寸（直径喷管尺寸（直径d）流率（流率（u） 2214/udduMdDLdM12dDLdud12DudL22udL 湍流扩散火焰湍流扩散火焰用湍流涡团扩散系数用湍流涡团扩散系数代替上式内的层流扩散系数代替上式内的层流扩散系数D D，即即 ： 2udL udu ldudL2 湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 。实验

58、结果证实了这一点。实验结果证实了这一点。 6.4火焰稳定一、本生灯火焰的稳定一、本生灯火焰的稳定 本生灯是实验室内常用的一种燃本生灯是实验室内常用的一种燃气燃烧设备，用于加热。它的原理与气燃烧设备，用于加热。它的原理与乙炔乙炔-氧气焊枪以及煤气灶很接近，本氧气焊枪以及煤气灶很接近，本生灯的结构如图所示。生灯的结构如图所示。本生灯简图本生灯简图 1K一级空气一级空气 2K二级空气二级空气3内火焰锋面内火焰锋面 4外火焰锋面外火焰锋面 一级过量空气系数一级过量空气系数a1k:1k:一级空气量占理论空气量的份额；一级空气量占理论空气量的份额；二级过量空气系数二级过量空气系数a2k:2k:二级空气量占

59、理论空气量的份额。二级空气量占理论空气量的份额。当当a1k1k =0，产生扩散火焰：火焰很长，发出黄色明亮的光，产生扩散火焰：火焰很长，发出黄色明亮的光，有时还冒一些黑烟，只有外火焰锋面，扩散火焰软弱无力、有时还冒一些黑烟，只有外火焰锋面，扩散火焰软弱无力、温度比较低、燃烧不完全。温度比较低、燃烧不完全。当当 a1K1 ，只有内火焰锋面。这种火焰是由预混的可燃气，只有内火焰锋面。这种火焰是由预混的可燃气体（燃料体（燃料-空气混合物）形成的，称为预混火焰。空气混合物）形成的，称为预混火焰。当当0a1K1或当煤气与一级空气预混物流量太大、流速太高或当煤气与一级空气预混物流量太大、流速太高时，火焰将

60、被吹离，后面随之流出的预混物不能着火。即时，火焰将被吹离，后面随之流出的预混物不能着火。即脱脱火（或吹熄）火（或吹熄）。 图为本生灯的圆锥形火焰示意图，图中图为本生灯的圆锥形火焰示意图，图中火焰锋面上的点火焰锋面上的点M M以速度以速度u uL L沿火焰锋面的法线沿火焰锋面的法线方向向内传播，而混合物主气流以速度方向向内传播，而混合物主气流以速度u u0 0向向上流动，它们的矢量和便构成火焰锋面的绝上流动，它们的矢量和便构成火焰锋面的绝对速度，火焰以这个合成速度传播的结果便对速度，火焰以这个合成速度传播的结果便形成圆锥面火焰。形成圆锥面火焰。本生灯火焰示意图 当当a1K 0但煤气与一级空气预混