第5章 着火与熄火过程

1、第第5章着火与熄火过程章着火与熄火过程 要求：掌握不同着火方式的特点及影响着要求：掌握不同着火方式的特点及影响着 火、熄火的因素与规律，理解热自燃理论、火、熄火的因素与规律，理解热自燃理论、 强迫着火理论及熄火理论强迫着火理论及熄火理论。 概述概述 q燃烧装置的基本要求：燃烧装置的基本要求： 从无化学反应向稳定强烈的放热反应的过渡过程。从无化学反应向稳定强烈的放热反应的过渡过程。 q 熄火熄火 从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。从稳定强烈的放热反应向无化学反应的过渡过程。 q着火着火 迅速、可靠地点火迅速、可靠地点火 稳定的燃烧稳定的燃烧 防火、防爆防火、防爆 概述概述 q着火机理着

2、火机理 热自燃机理：热自燃机理：当预混可燃气体受到外部热源加热，混合当预混可燃气体受到外部热源加热，混合 气体温度升高到一定值后，化学反应放热量大于散热量，气体温度升高到一定值后，化学反应放热量大于散热量， 系统由于热量的积累又促使混气温度继续升高，反应速系统由于热量的积累又促使混气温度继续升高，反应速 率和放热速率加大，这种相互促进作用的结果，导致着率和放热速率加大，这种相互促进作用的结果，导致着 火火 化学自燃机理：化学自燃机理：如果在可燃混气中存在链载体，且链载如果在可燃混气中存在链载体，且链载 体产生速率大于链载体销毁速率时，即使在常温条件下，体产生速率大于链载体销毁速率时，即使在常温

3、条件下， 反应速率也可以自动加快而达到着火。这类着火通常不反应速率也可以自动加快而达到着火。这类着火通常不 需要由外界给予热量需要由外界给予热量 概述概述 q着火方式着火方式 自发着火：自发着火：一定体积的可燃混气加热到某一温度，在一定体积的可燃混气加热到某一温度，在 该温度下，可燃混合气体所释放的热量大于散热量，该温度下，可燃混合气体所释放的热量大于散热量， 反应能自行持续下去，而不需要外部再提供热量，或反应能自行持续下去，而不需要外部再提供热量，或 者可燃混气中含有初始的链载体，且链载体产生的速者可燃混气中含有初始的链载体，且链载体产生的速 率大于销毁的速度，使反应能自行持续下去，这种现率

4、大于销毁的速度，使反应能自行持续下去，这种现 象称为自发着火象称为自发着火 强迫着火：强迫着火：又称点火。在可燃混气内某处，用外部能源又称点火。在可燃混气内某处，用外部能源 点着一层混合气体，而后火焰燃烧波就自动传播到混气点着一层混合气体，而后火焰燃烧波就自动传播到混气 的其余部分，因此强迫着火就是火焰的局部引发及相继的其余部分，因此强迫着火就是火焰的局部引发及相继 的火焰传播的火焰传播 概述概述 q着火方式的区别与联系着火方式的区别与联系 链锁（化学）自燃与热自燃均为整个空间的着火过链锁（化学）自燃与热自燃均为整个空间的着火过 程，链锁自燃基于链锁反应机理，热自燃基于热活程，链锁自燃基于链锁

5、反应机理，热自燃基于热活 化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性中间化机理，但前者也有热的作用，后者也有活性中间 产物的作用。产物的作用。 热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，着热自燃与点燃的区别在于整体加热与局部加热，着 火机理均基于热活化。火机理均基于热活化。 概述概述 q影响着火与熄火的因素影响着火与熄火的因素 化学动力学因素：化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度燃料性质、混气成分、环境温度 流体力学因素：流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸气流速度、燃烧室结构尺寸 着火的热自燃理论着火的热自燃理论 一、着火条件一、着火条件 在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口

6、系统）在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统） 下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空 间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么实现这个过间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么实现这个过 渡的初始条件或边界条件为渡的初始条件或边界条件为“着火条件着火条件”。着火条件不是一着火条件不是一 个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综 合函数。合函数。 0),( 00 udPTf 0),( 00 udPTxf i 闭口系统：闭口系统： 开口系统：开口系统：

7、着火的热自燃理论着火的热自燃理论 一、着火条件一、着火条件 利于着火的因素：反应放热（放热量与放热速率）利于着火的因素：反应放热（放热量与放热速率） 不利于着火的因素：散热不利于着火的因素：散热 分析着火、熄火的基本出发点：分析着火、熄火的基本出发点： 着火、熄火就是反应放热因素与散热因素着火、熄火就是反应放热因素与散热因素 相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热相互作用的结果。如果在某一系统中反应放热 占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生），占优势，则着火容易发生（或熄火不易发生）， 反之，则着火不易，熄火容易。反之，则着火不易，熄火容易。 着火的热自燃理论着火的热自燃理论 一、着火条件

8、一、着火条件 非稳态分析法非稳态分析法 稳态分析法稳态分析法 着火、熄火条件的分析方法：着火、熄火条件的分析方法： 着火前系统处于稳定状态，如着火前系统处于稳定状态，如 果达到着火条件，则这种稳定态就果达到着火条件，则这种稳定态就 不可能存在，在数学上表现为方程不可能存在，在数学上表现为方程 的解不存在。的解不存在。 着火是一个非稳态过程，考察着火是一个非稳态过程，考察 过程随时间变化，确定着火条件过程随时间变化，确定着火条件 着火的热自燃理论着火的热自燃理论 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 分析对象：闭口系统分析对象：闭口系统 分析理论：热自燃理论分析理论：热自燃理论 热自燃理论热自燃理论

9、： 基本思想：基本思想： 反应放热曲线与系统向环境散热曲线相切。反应放热曲线与系统向环境散热曲线相切。 （范特霍夫、利恰及利耶、谢苗诺夫）（范特霍夫、利恰及利耶、谢苗诺夫） 当反应系统与周围介质间热平衡被破坏时就发生着火。当反应系统与周围介质间热平衡被破坏时就发生着火。 着火临界条件：着火临界条件： 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 分析模型：分析模型： 在密闭容器中储存在密闭容器中储存 着具有一定初始温度的着具有一定初始温度的 可燃混合气，在进行化可燃混合气，在进行化 学反应的同时，也通过学反应的同时，也通过 容器向外界散热。容器向外界散热。 结果是在容器内形成了温度梯度和浓度梯度，即在容器

10、中心，结果是在容器内形成了温度梯度和浓度梯度，即在容器中心， 混气的温度较高、浓度较低；在器壁附近，混气的浓度较高、混气的温度较高、浓度较低；在器壁附近，混气的浓度较高、 温度较低。温度较低。 计算单位容积计算单位容积 内的放热速率内的放热速率 温度分布温度分布 浓度分布浓度分布 导热微分方程导热微分方程 扩散微分方程扩散微分方程 谢苗诺夫提出了一种简化谢苗诺夫提出了一种简化 的热理论，他认为容器内混气的热理论，他认为容器内混气 的温度和浓度是均匀的，它们的温度和浓度是均匀的，它们 只随时间变化。只随时间变化。 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 简化：简化： （1）容器体积为）容器体积为V，表

11、面积为，表面积为A，内，内 部充满了温度为部充满了温度为 T0 ，浓度为，浓度为 0 的可的可 燃混气。燃混气。 （2）开始时，混气的温度与外界环境温度一样为）开始时，混气的温度与外界环境温度一样为 T0 ，反应过，反应过 程中，混气的温度为程中，混气的温度为T，并且随时间而变化。这时容器内的温，并且随时间而变化。这时容器内的温 度和浓度仍是均匀的。度和浓度仍是均匀的。 （3）外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为）外界和容器壁之间有对流换热，对流换热系数为 ，它，它 不随温度变化。不随温度变化。 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 热平衡方程：热平衡方程： )( 00 TTAVQW dt

12、dT CV v 2100 )(qqTT V A QW dt dT Cv 着火成败取决于放热量与散热量的相互关系及其随着火成败取决于放热量与散热量的相互关系及其随 温度而增长的性质。分析温度而增长的性质。分析q1和和q2随温度的变化，就可以随温度的变化，就可以 得出系统的着火特点，并导出着火的临界条件。得出系统的着火特点，并导出着火的临界条件。 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火临界点：着火临界点： C点：非稳定点，两点：非稳定点，两 种发展方向，对热自种发展方向，对热自 燃而言不可能出现的燃而言不可能出现的 工况。工况。 A点：稳定点，对应点：稳定点，对应 于一个反应速率很小于一个反应速率

13、很小 的缓慢氧化工况。的缓慢氧化工况。 B点：临界工况。点：临界工况。 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 对流换热系数对流换热系数 的影响：的影响： 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火温度：着火温度： dT dq dT dq qq 21 21 V A RTEQRTEyK TT V A QRTEyK BB n i BB n i )/()/exp()( )()/exp()( 2 00 000 ERTTT BB / 2 0 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火温度：着火温度： E T R R E R E TB 0 41 22 E T R R E R E TB 0 41 22 ERTT ETRE

14、RTRERETB / )/2/21 (22 2 00 22 0 2 0 0 TTB 若：E167 kJ / mol, T0=1000K, 则： 00 50TTTB 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 热自燃特性：热自燃特性： 1)/exp()/( 0000 2 0 RTERTypQK ART VE n i V A RTEQRTEyK RTp TT BB n i B )/()/exp()( / 2 00 000 0 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 热自燃特性：热自燃特性： 当当n=2（二级反应）时，（二级反应）时， 1)/exp( 0 2 00 4 0 3 2 0 RTEyQK TAR VEp

15、1)/exp( 0 2 00 3 4 0 2 0 RTE yEVQK AR Tp 0 2 00 3 2 0 0 2 ln 2 1 ln RT E yEVQK AR T p 谢苗诺夫方程谢苗诺夫方程 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 热自燃的浓度界限：热自燃的浓度界限： 0 2 00 3 2 0 0 2 ln 2 1 ln RT E yEVQK AR T p 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火感应期着火感应期 i ： 当混气由初始状态达当混气由初始状态达 到温度急速上升所经历的到温度急速上升所经历的 时间。时间。 210 qq dt dT CV 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火感应期着

16、火感应期 i ： 在着火感应期内，反应物的浓度：在着火感应期内，反应物的浓度： 000 / )(Wyy Bi B yy 000 0 / 0000 )( RTEn eykW 0 0 0 0 0TT TT y yy m BB )()( 00 TTCyyQ BvB V B m B B C Q TT TT TT yyy)( 0 0 0 00 )/exp()( 0000 2 00 RTEyEQkCRT n Vi 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火感应期着火感应期 i ： 对于烃类燃料，反应级数近似为二级：对于烃类燃料，反应级数近似为二级： 常数)()/exp( 2 00 3 0 2 00 yEQKT

17、CRRTEp Vi 压力、温度下降时，感应期增大。压力、温度下降时，感应期增大。 相对于指数中的相对于指数中的T0，其，其 影响很小，可视为常数影响很小，可视为常数 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 1)/exp( 0 2 RTEKQ ART EV n ss 简化谢苗诺夫的着火条件，得到更严格的着火感应简化谢苗诺夫的着火条件，得到更严格的着火感应 期解。期解。 1 2 ss Qw ART EV 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 引入两个时间量：引入两个时间量： s C w 化学反应时间化学反应时间 热松驰时间热松驰时间 A VCV r 二、非稳态

18、分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 无化学反应时的能量方程：无化学反应时的能量方程： )(TTA dt dT CV V 设设t0时时T=T1，积分：，积分： V CV At TTTT exp 1 A VCV r 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 e TT TT 1 设设tr时时 即：当受热为即：当受热为T=T-T的气体，由于器壁的散热而的气体，由于器壁的散热而 使温度使温度T下降下降e倍所需的时间。倍所需的时间。 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 用化学反应时间用化学反应时间c来归并化学动力参数：来归并化学动力参数： E s RTn

19、os c w ke 自燃时的反应速率，可以自燃时的反应速率，可以 根据自燃时的温度确定根据自燃时的温度确定 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 2 RTC EQ V s r C 1 2 ss Qw ART EV 托特斯着火临界条件托特斯着火临界条件 用特征时间简化谢苗诺夫的自燃条件：用特征时间简化谢苗诺夫的自燃条件： 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n托特斯理论托特斯理论 n着火感应期着火感应期 E RT Qw C ss V i 2 考虑浓度变化考虑浓度变化 22 11 1 )exp(1 1 2 exp 1 ZZZ Z eT T TR E k m os i 不考虑浓度变

20、化不考虑浓度变化 TT RT E Z m 2 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基理论弗朗克卡门涅茨基理论 E RT Qw C e ss V i 2 1 1 pn const RT E i i ln)1 (ln .ln 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火感应期着火感应期 i ： 二、非稳态分析法二、非稳态分析法 着火感应期着火感应期 i ： 三、稳态分析法三、稳态分析法 n稳态分析法稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基稳态分析法弗朗克卡门涅茨基稳态分析法 ssw QgradTdiv)( 密闭容器中无自然对流的混气，存在化学反密闭容器中无自然对流的混气，存在化学反 应及导热效应，在

21、稳定条件下的能量方程：应及导热效应，在稳定条件下的能量方程： e 无因次化：无因次化： TT RT E 2 2 2 L RT EQw ss L z L y L x ; , 三、稳态分析法三、稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基稳态分析法弗朗克卡门涅茨基稳态分析法 n着火条件着火条件 , .const c 不同的参数不同的参数会形成不同的温度会形成不同的温度分布，而着火意分布，而着火意 味着由可能存在的稳态到不可能存在的稳态的过渡。味着由可能存在的稳态到不可能存在的稳态的过渡。 存在某一临界值存在某一临界值c时，使时，使的解成为某个具有临界性质的解成为某个具有临界性质 的特解时，只要的特解时，只要稍做

22、变化，就使系统的稳态解过渡到稍做变化，就使系统的稳态解过渡到 不能具有稳态解。不能具有稳态解。 三、稳态分析法三、稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基稳态分析法弗朗克卡门涅茨基稳态分析法 n着火条件着火条件 e e d d 2 2 e dm d d 2 2 平板容器平板容器 柱形容器柱形容器 m=1 球形容器球形容器 m=2 C的计算：的计算： 三、稳态分析法三、稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基稳态分析法弗朗克卡门涅茨基稳态分析法 n着火条件着火条件 e d d 2 2 C的计算：的计算： 以平板容器为例以平板容器为例 0,0 1,0 d d 边界条件：边界条件： 三、稳态分析法三、稳态分析法 n弗朗

23、克卡门涅茨基稳弗朗克卡门涅茨基稳 态分析法态分析法 n着火条件着火条件 C的计算：的计算： 2 2 2 2 cosh cosh ln 2 cosh 2 cosh ln a a , 双曲余弦双曲余弦( ) 2 zz ee ch z 三、稳态分析法三、稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基稳态分析法弗朗克卡门涅茨基稳态分析法 n着火条件着火条件 2/1 2 cosh 0 0.88 C C d d 三、稳态分析法三、稳态分析法 n弗朗克卡门涅茨基稳态分析法弗朗克卡门涅茨基稳态分析法 n着火条件着火条件 E RT TTc 2 2 . 1 2 2 L RT EQw ss c 开口系统热自燃分析开口系统热自燃分析

24、 n着火位置着火位置 对开口系统也需要确定在什么样的边界条件下才对开口系统也需要确定在什么样的边界条件下才 能着火以及在空间何处着火。为了解决这个问题，能着火以及在空间何处着火。为了解决这个问题， 可把系统不具备着火条件看成是具备着火条件的位可把系统不具备着火条件看成是具备着火条件的位 置出现在无穷远处，这样着火条件和着火延迟两个置出现在无穷远处，这样着火条件和着火延迟两个 概念就合二为一了，对着火问题的分析就归结为寻概念就合二为一了，对着火问题的分析就归结为寻 找着火位置的问题。找着火位置的问题。 开口系统热自燃分析开口系统热自燃分析 n着火位置着火位置 定常流动系统中，能量守恒方程和扩散方

25、程为定常流动系统中，能量守恒方程和扩散方程为 ： ()() ps v grad C TdivgradTw Q () FFFs v gradYdiv DgradYw 开口系统热自燃分析开口系统热自燃分析 n着火位置着火位置 无量纲化：无量纲化： , , , , F F F xyz LLL YT Y TY v u u F F DT DT s s s w w w 开口系统热自燃分析开口系统热自燃分析 n着火位置着火位置 1 ()( ) Pr n s p wL u graddivgrad ReC T u 1 ()( ) n s FF F wL u gradYdivgradY Re ScYu , FF

26、oxox YY YY uu TT 边界条件：边界条件： 开口系统热自燃分析开口系统热自燃分析 n着火位置着火位置 方程的通解：方程的通解： , , , , F Tl p FFDl YQ PeD C T YYPeD , RePr T Pe , Re D PeSc 贝克莱贝克莱 （Peclet）数）数 , f l c f F c s D L u Y w 邓克勒第一准则 停留时间 反应时间 开口系统热自燃分析开口系统热自燃分析 n着火位置着火位置 , (,)0 F TDl p Y Q f PePeD C T (,)0 F l p Y Q f PeD C T 着火条件：着火条件： 在在Le=1的情况下

27、的情况下: 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 弗朗克弗朗克-卡门涅茨基对闭口系统的稳态分析法看作是卡门涅茨基对闭口系统的稳态分析法看作是 定常流动系统中的欧拉分析方法定常流动系统中的欧拉分析方法 定常流的两种分析方法：定常流的两种分析方法： 拉格郎日分析法：把坐标建立在某个单元体上，追拉格郎日分析法：把坐标建立在某个单元体上，追 踪该单元体的参数随时间运动轨迹的变化。踪该单元体的参数随时间运动轨迹的变化。 欧拉方法：考察整个流场空间中的参数随位置的变欧拉方法：考察整个流场空间中的参数随位置的变 化规律化规律 谢苗诺夫对闭口系统的非稳态分析法看作是定谢苗诺

28、夫对闭口系统的非稳态分析法看作是定 常流动系统中的拉格郎日分析法常流动系统中的拉格郎日分析法 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 拉格郎日分析法：追踪微元体（闭系）拉格郎日分析法：追踪微元体（闭系） ssp QwgradTdiv dt dT C能量方程：能量方程： s s ss Q T w gradTdiv T QwgradTdiv 着火条件：着火条件： 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 graddiv graddiv n n 无量纲化：无量纲化： C CC 着火条件：着火条件： Pe TC Qf L T Qw Pe

29、 uTC LQw p ss C f ss p ss 2 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 TT 能量方程：能量方程： T dx u T d TT V F gradTdiv TT d gradTdiv 4 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 1 4 2 d L graddiv n 无量纲化：无量纲化： d L 2 4 1 1 2 1 RT E s s w w 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 CC 2 1 1 1 C C RT E 二次近似：二次近似： E RT C 1 一次近似

30、：一次近似： 1 C 开口系统中的热自燃分析开口系统中的热自燃分析 n开系着火条件开系着火条件 T LQw E RT d L ss 22 4 着火条件着火条件 d Qw RT E ss 4 2 E RT d L d L CC 22 4 1 4 1 s sC C w w CC 强迫着火（点燃）强迫着火（点燃） 热自燃与点燃的区别：热自燃与点燃的区别： 热自燃：热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器 的整个空间进行的。的整个空间进行的。 点燃：点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温 点火源的加热而

31、反应，而在混合气的大部分空间中其化学反点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化学反 应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。 常见的点燃方式：常见的点燃方式： 炽热平板点火、火焰点火、电火花点火等炽热平板点火、火焰点火、电火花点火等 强迫着火强迫着火 一、热平板点燃理论一、热平板点燃理论 惰性混气流过炽热平板惰性混气流过炽热平板 燃料与氧化剂的均匀混气燃料与氧化剂的均匀混气 流过炽热平板流过炽热平板 强迫着火强迫着火 一、热平板点燃理论一、热平板点燃理论 0 s i y T xx 强迫着火强迫着火 一、热平板点燃理论一、热

32、平板点燃理论 0 s i y T xx 热平板点燃临界条件：温度梯度等于零。热平板点燃临界条件：温度梯度等于零。 若若xi L，则点火成功；，则点火成功； 若若xiL，则点火失败。，则点火失败。 利用分区近似方法求解：利用分区近似方法求解： 常数 s i RT E u x ln 由这个距离开始，壁面附近的由这个距离开始，壁面附近的 气体不再接受热板表面所给予气体不再接受热板表面所给予 的热量，反应将依靠气体自身的热量，反应将依靠气体自身 的放热效应自动加速至着火的放热效应自动加速至着火 强迫着火强迫着火 二、电火花点火二、电火花点火 电火花点火的两个阶段：电火花点火的两个阶段： 电火花加热预混

33、气使局部着火，形成初始的火焰中心电火花加热预混气使局部着火，形成初始的火焰中心 初始的火焰中心向未着火的混合气传播初始的火焰中心向未着火的混合气传播 传播区混气压力、温传播区混气压力、温 度、初温、混合比及度、初温、混合比及 流动状况等流动状况等 点火成功：点火成功：1）初始的火焰中心形成）初始的火焰中心形成 2）出现稳定的火焰传播）出现稳定的火焰传播 电极间隙距离、间隙内电极间隙距离、间隙内 的混气比、压力、初温、的混气比、压力、初温、 流动状况、混气性质及流动状况、混气性质及 火花能量。火花能量。 电火花点燃理论电火花点燃理论 n混气点燃过程的温度分布混气点燃过程的温度分布 电火花点燃理论

34、电火花点燃理论 n最小点火能量最小点火能量 热气流层厚度标志着能量大小，当厚度小于某个热气流层厚度标志着能量大小，当厚度小于某个 值时，由于导热带起的热值大于化学反应放出的热量，值时，由于导热带起的热值大于化学反应放出的热量， 则点火不成功；当厚度大于某个最小值时，就能出现则点火不成功；当厚度大于某个最小值时，就能出现 温度回升并形成稳定温度分布而向混气中传播，这个温度回升并形成稳定温度分布而向混气中传播，这个 临界气层厚度所对应的能量即临界气层厚度所对应的能量即最小点火能量最小点火能量。 电火花点燃理论电火花点燃理论 n最小点火能量最小点火能量 电火花点燃混气需要一电火花点燃混气需要一 个最

35、小的火花能量，低于这个最小的火花能量，低于这 个能量，混气不能点燃。这个能量，混气不能点燃。这 一最小能量是随混气成分、一最小能量是随混气成分、 性质、压力、温度和电极间性质、压力、温度和电极间 距而变化。距而变化。 (mm) 电火花点燃理论电火花点燃理论 n静止混气中电火花点燃理论静止混气中电火花点燃理论 n假定：假定： n火花加热区为球形火花加热区为球形 n电极间距足够大，电极对火花熄火作用可忽略电极间距足够大，电极对火花熄火作用可忽略 n火花点燃混气完全是热的作用火花点燃混气完全是热的作用 n反应为二级反应反应为二级反应 n球形火花的最高温度是混气理论燃烧温度球形火花的最高温度是混气理论

36、燃烧温度 n点火成功时在火焰厚度内形成温度从点火成功时在火焰厚度内形成温度从Tm到到T0稳定的稳定的 分布分布 电火花点燃理论电火花点燃理论 n静止混气中电火花点燃理论静止混气中电火花点燃理论 如果电火花已经点燃了某个最如果电火花已经点燃了某个最 小火球尺寸的混气，并形成了稳小火球尺寸的混气，并形成了稳 定的火焰传播，则在传播的开始定的火焰传播，则在传播的开始 瞬间必然满足火球内混气化学反瞬间必然满足火球内混气化学反 应放出的热量等于火球表面向外应放出的热量等于火球表面向外 导走的热量。即导走的热量。即 min 2 min 2 0 3 min 4)exp( 3 4 rrm OXFF dr dT

37、 r RT E ffQkr T 电火花点燃理论电火花点燃理论 n静止混气中电火花点燃理论静止混气中电火花点燃理论 TT dr dT m rr min 其中其中是火焰前锋宽度，若进一步假设焰锋宽度与最小火是火焰前锋宽度，若进一步假设焰锋宽度与最小火 球半径成正比关系球半径成正比关系 min cr 令： min 2 min 2 0 3 min 4)exp( 3 4 rrm OXFF dr dT r RT E ffQkr T 电火花点燃理论电火花点燃理论 n静止混气中电火花点燃理论静止混气中电火花点燃理论 2 1 2 0 min exp)(3 OXFF m m ffQck RT E TT r pFm

38、 CQTT 212 0min ) )exp(3( mOXFp RTEffCckr 电火花点燃理论电火花点燃理论 n静止混气中电火花点燃理论静止混气中电火花点燃理论 )( 3 4 3 min1min TTCrkE mp )23exp()( 2 minmm RTETTE 常数 mm RT E pT TT E 2 3 ln2ln2ln min 常数 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 n假设：假设： n在流动混气中电火花呈在流动混气中电火花呈U字型，字型， 设当时间设当时间

39、t=时达到最大火花通时达到最大火花通 路路 n对点火起作用的仅中间部分，对点火起作用的仅中间部分， 称为线源称为线源 n线源温度为理论燃烧温度线源温度为理论燃烧温度Tm n当线源半径达到临界半径当线源半径达到临界半径rmin时，时， 周围混气被点燃周围混气被点燃 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 n线源点火成功的热平衡式线源点火成功的热平衡式 min min 2 0 2 min 2 )exp( cr TTdr RT E ffQdkr m m OXFF 2 1 2 0 min exp)(2 OXFF m m ffQck RT E TT r 假定混气

40、为层流流动：假定混气为层流流动： 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 n线源点火成功的热平衡式线源点火成功的热平衡式 TTCdrE mPd 2 min OXFF m mP d ffQck RT E TTCd E 0 2 exp)(2 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 n线源点火成功的热平衡式线源点火成功的热平衡式 2 s d Ed P u td 假定假定ES为火花的总能量，为火花的总能量， 则任意时刻线源的功率为：则任意时刻线源的功率为： d du u dE dt E dtu d dtPE s s d

41、d 2 ln 2 2 00 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 n线源点火成功的热平衡式线源点火成功的热平衡式 d du const pE u s 2 ln 2 d du u dE ffQck RT E TTCd s OXFF m mP 2 ln 2 exp)(2 0 2 对于给定混气：对于给定混气： 电火花点燃理论电火花点燃理论 n流动混气中电火花点燃理论流动混气中电火花点燃理论 n线源点火成功的热平衡式线源点火成功的热平衡式 当混气为湍流流动时：当混气为湍流流动时： uf d du u dEs 2 ln 湍流脉动速度湍流脉动速度 热射流点火热射

42、流点火 n热射流点火简化理论热射流点火简化理论 热射流点火热射流点火 n热射流点火简化理论热射流点火简化理论 xi为着火距离，为着火距离， xp为射流核心区长度为射流核心区长度 点火失败 点火成功 pi pi xx xx 熄火理论分析熄火理论分析 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 着火完成后建立了燃烧工况，这时燃料的浓度着火完成后建立了燃烧工况，这时燃料的浓度 会变小，放热规律也大不相同。会变小，放热规律也大不相同。 以密闭容器为例，近似地认为在有散热时其中以密闭容器为例，近似地认为在有散热时其中 的浓度也按绝热燃烧的规律下降，则二级反应有：的浓度也按绝热燃烧

43、的规律下降，则二级反应有： RT E TT TT fkQq m m ossG exp)( 2 2 TT V F qL 散热：散热： 放热：放热： 熄火理论分析熄火理论分析 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 V A 这时的工作点可能有三个：这时的工作点可能有三个： 缓慢的氧化工况、强烈反应的燃烧工况、不稳定的中间工况。缓慢的氧化工况、强烈反应的燃烧工况、不稳定的中间工况。 熄火理论分析熄火理论分析 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n理想燃烧室理想燃烧室 n混合气进入燃烧室立即反应，燃烧室内参数均匀一致，混合气进入燃烧室立即反应

44、，燃烧室内参数均匀一致， 容器壁绝热，进、出口参数如图所示容器壁绝热，进、出口参数如图所示 n反应为单分子、一级反应反应为单分子、一级反应 n散热指燃烧产物从燃烧室带走的热量散热指燃烧产物从燃烧室带走的热量 n简化了能量、质量守恒方程，又可反映着火与熄火的简化了能量、质量守恒方程，又可反映着火与熄火的 相互关系与本质相互关系与本质 V A 熄火理论分析熄火理论分析 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n守恒方程守恒方程 V A RT E fkVQwVQq oxoxoxoxoxG exp )( TTGCq pL RT E fVkVwg oxoxoxG exp )(

45、 ,oxoxL ffGg 熄火理论分析熄火理论分析 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n守恒方程守恒方程 n在稳态条件下：在稳态条件下： V A )(exp TTGC RT E fkVQ poxoxox )(exp ,oxoxoxox ffG RT E fVk LG LG gg qq n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n守恒方程无量纲化守恒方程无量纲化 熄火理论分析熄火理论分析 V A , 1 1 ox ox f f oxox p Qf TTC , 2 )( 反应程度（放热率）：反应程度（放热率）：散热率：散热率： 无量纲温度

46、：无量纲温度： E RT 无量纲停留时间：无量纲停留时间： ox cf c f ku L1 混合物无量纲发热量：混合物无量纲发热量： p oxox EC QRf , n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n守恒方程无量纲化守恒方程无量纲化 熄火理论分析熄火理论分析 V A 2 1 1 1 1exp 1 1 1exp 1 1 exp 1 1 2 1 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n着火、熄火的临界条件着火、熄火的临界条件 熄火理论分析熄火理论分析 V A n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n着火

47、、熄火的临界条件着火、熄火的临界条件 熄火理论分析熄火理论分析 V A 熄火理论分析熄火理论分析 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n熄火滞后熄火滞后 V A n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n着火、熄火的临界条件着火、熄火的临界条件 熄火理论分析熄火理论分析 V A 21 21 1 1 exp 1 1 2 1 1 1exp 1exp 1 2 2 m 2 2 1 1 n理想燃烧室的着火、熄火现象的描述理想燃烧室的着火、熄火现象的描述 n着火、熄火的临界条件着火、熄火的临界条件 熄火理论分析熄火理论分析 V A 1 2 着火时： 11 0 2 2 着火时的近似方程