火焰传播与稳定理论打印版

1、火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播的基本方式火焰传播的基本方式可燃气体的火焰正常传播火焰正常传播的理论火焰正常传播速度可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧火焰稳定的基本原理和方法不稳定的火焰传播：振荡传播不稳定的火焰传播：振荡传播稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃正常火焰传播正常火焰传播( (小于小于30m/s)30m/s)：燃烧产物以自由膨胀的燃烧产物以自由膨胀的方式向管外逸出，管内压力可认为是常数。由于火焰传方式向管外逸出，管内压力可认为是常数。由于火焰传播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动的导热播速度不大，火

2、焰传播完全依靠气体分子热运动的导热方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃料着火燃烧。临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃料着火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。燃烧的火焰一层层地传播。爆燃：爆燃：其火焰的传播速度超过了声速，一般可达其火焰的传播速度超过了声速，一般可达100010004000m/s4000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩而引起的。而引起的。可燃气体的火焰正常传播可燃气体的火焰正常传播由于火焰是一层很狭窄的燃烧区域，燃料的化学反应只在

3、该区域内进行，在这种情况下，可近似地把它当作一个数学表面。这一表面把未燃的新鲜燃料和燃烧产物分这一表面把未燃的新鲜燃料和燃烧产物分开，而所有的火焰传播即为此表面的传播。开，而所有的火焰传播即为此表面的传播。火焰正常传播火焰正常传播0Hndnuimd PHnuuw火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方在其法线方向上向上的速度的速度本生灯火焰移动速度本生灯火焰移动速度cosHnVHHLSduwwwdSqwdudSuSPHnuuw火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿的表面上，其所能燃烧的可

4、燃气体混合物的流量。的表面上，其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。本生灯火焰移动速度本生灯火焰移动速度2200VVHLqquSrhr本生灯测量的局限性本生灯测量的局限性火焰前沿各处的速度并不一火焰前沿各处的速度并不一致。致。火焰前沿锥体离喷嘴出口有火焰前沿锥体离喷嘴出口有一段距离，并且宽度略大，一段距离，并且宽度略大，火焰速度与喷嘴直径有关，火焰速度与喷嘴直径有关，直径越小影响越大。直径越小影响越大。可燃气体混合物中的含氧量可燃气体混合物中的含氧量影响火焰锥体的形状。影响火焰锥体的形状。火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论 用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论 泽利多维奇等的分区近似

5、解法泽利多维奇等的分区近似解法 火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法 坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的扩散理论）等的扩散理论用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论 认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。放热及其向新鲜混气的热传导。如未燃的可燃气体混合物的初速度如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止不动恰好使火焰前沿静止不动则初速度则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度即为火焰前沿移动的正常速度反应区的温度分布反应区的温度分布 一元导热微分方程 介质的连续性方程 未反应区方程()0

6、PxxddTdTcuQwdxdxdx00 xxuu00()PddTdTcudxdxdx 进行一次积分可得 再次进行积分求解可得0 000()pu cxBTTTT e0:0,0:BdTxTTdxxTT 000()()PdTcu TTdx燃烧区特征燃烧区特征将将TB至至Tr之间的区域称为燃烧区。之间的区域称为燃烧区。在整个燃烧区域中，其可燃气体混合物的化学反应速在整个燃烧区域中，其可燃气体混合物的化学反应速率是不同的。化学反应速率不仅与温度有关，还与可率是不同的。化学反应速率不仅与温度有关，还与可燃物的浓度有关。燃物的浓度有关。u着火处附近，可燃物浓度最大，但温度较低。着火处附近，可燃物浓度最大，

7、但温度较低。u燃烧区末端，温度虽然很高，但可燃物浓度最低。燃烧区末端，温度虽然很高，但可燃物浓度最低。反应速率最大的区域为略低于燃烧温度附近区域反应速率最大的区域为略低于燃烧温度附近区域-反应区。反应区。近似假设在燃烧区域内的温度按直线规律升高近似假设在燃烧区域内的温度按直线规律升高000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT0rBxxTTdTdx0001rBpBTTucTT 0 0wu c0000()()xPBdTcu TTdx假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。 火焰前沿移动的正常传播速度与气体混合物的物理常火焰前沿移动的正常

8、传播速度与气体混合物的物理常数有关。数有关。 火焰正常传播速度随着差值（火焰正常传播速度随着差值（TB-T0）的减小而增加，）的减小而增加，因此如果将气体预先加热后再送入燃烧室，则其火焰因此如果将气体预先加热后再送入燃烧室，则其火焰正常传播速度就能得以提高。正常传播速度就能得以提高。000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论 用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论 泽利多维奇等的分区近似解法泽利多维奇等的分区近似解法 火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法 坦福特（

9、坦福特（TanfordTanford）等的扩散理论）等的扩散理论泽利多维奇等的分区近似解法泽利多维奇等的分区近似解法 火焰分为两个区域：预热区和反应区。火焰分为两个区域：预热区和反应区。 对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。00()0PddTdTcuqwdxdxdx00000()()()2()0()rbPbPbTbTddTdTdTcucu TTdxdxdxdxddTdTwqwqdTdxdxdx预热区：反应区：222002()rbTTHpbwqdTuc TT0000bTTbrwqdTTTTT0222002()rTTHprwqdTuc TTn 此式对于此

10、式对于 整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种因素对火焰传播速度的影响，预测出火焰传播速度的变化趋势。因素对火焰传播速度的影响，预测出火焰传播速度的变化趋势。0000rSpw TTwc q0010002 !11() exp()()nsHnprrrw qTnEuBc TTTR TT0EnRTwk c e火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论 用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论 泽利多维奇等的分区近似解法泽利多维奇等的分区近似解法 火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法 坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的扩散理论）等的扩散

11、理论火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法 利用数值计算方法直接对层流火焰基本利用数值计算方法直接对层流火焰基本方程进行迭代求解。方程进行迭代求解。坦福特等的扩散理论坦福特等的扩散理论 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借助于活性分子的作用，使混气变为应中借助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。燃烧产物。 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的大小。大小。各种理论解法的比较各种理论解法的比较影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因

12、素-过量空气系数的影响过量空气系数的影响可燃气体混合物最大的可燃气体混合物最大的火焰正常传播速度发生在火焰正常传播速度发生在可燃物浓度比化学当量比可燃物浓度比化学当量比例稍大的混合物中例稍大的混合物中(即过量即过量空气系数小于空气系数小于1)。最高燃烧温度也是偏向最高燃烧温度也是偏向富燃料区的，火焰中自由富燃料区的，火焰中自由基基H，OH等浓度较大，链等浓度较大，链锁反应的链断裂率较少，锁反应的链断裂率较少，因而反应速度较快。因而反应速度较快。 对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大火焰速度火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子几乎与分子中的碳原子数数n

13、无关；无关； 对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其层流火焰速度却较大。层流火焰速度却较大。 差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩散性和燃料分子量有关。散性和燃料分子量有关。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-燃料化学结构的影响燃料化学结构的影响 提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速率，从而增提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速率，从而增大火焰正常传播速度。大火焰正常传播速度。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传

14、播速度的主要因素-混合可燃物初始温度混合可燃物初始温度T0的影响的影响 火焰温度对火焰传播速度火焰温度对火焰传播速度具有极大影响。具有极大影响。 超过超过2500C自由基浓度自由基浓度大量增加起重要影响。大量增加起重要影响。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-火焰温度的影响火焰温度的影响影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-热扩散率和比压定热容的影响热扩散率和比压定热容的影响热扩散率越大，热扩散率越大，则火焰传播速度越则火焰传播速度越快。快。比压定热容越小，比压定热容越小，则火焰温度越高，则火焰温度越高，相应火焰传播速度相应火焰传播速度也越快。

15、也越快。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-惰性物质含量的影响惰性物质含量的影响惰性物质的加入惰性物质的加入将使火焰传播速将使火焰传播速度降低，并向燃度降低，并向燃料浓度较少的方料浓度较少的方向移动。向移动。采用添加剂的主要目的是提高着火温度及缓和过早着火和爆震的趋势，添加剂对火焰速度只有轻微的影响。2种燃料性质相差不大的混气互相混合时。若添加剂能改变扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-添加剂的影响添加剂的影响火焰传播界限火焰传播界限 对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。对于每种可燃气体混

16、合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。 可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。 接近限值时，火焰的正常传播速度约为接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.030.08m/s。火焰正常传播速度的测量火焰正常传播速度的测量 圆柱管法圆柱管法 定容球法定容球法 肥皂泡法肥皂泡法 粒子示踪法粒子示踪法 平面火焰燃烧器法平面火焰燃烧器法可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧 火焰的形状及其长短对于一定喷燃器形式火焰的

17、形状及其长短对于一定喷燃器形式而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中的混合方法：的混合方法：动力燃烧火焰：预先混合好的化学均匀可燃动力燃烧火焰：预先混合好的化学均匀可燃气体混合物的火焰。气体混合物的火焰。扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部分空气预先混合或者不预先混合的情况下，由分空气预先混合或者不预先混合的情况下，由喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧Z动力燃烧的火焰形状动力燃烧的火焰形状ROnu0rZr可燃气体混合物层流运

18、动时任一截面可燃气体混合物层流运动时任一截面上混合物的速度分布规律上混合物的速度分布规律2021rR流出喷燃出口时的速度分布规律流出喷燃出口时的速度分布规律2021RrR求得火焰形状函数求得火焰形状函数22cos()()Hudrwdrdz22HHwudzdru 21HHwdzwudru 火焰形状火焰形状300213RHwrzwwRrRuR火炬着火区长度计算公式火炬着火区长度计算公式0023BRrHRLzwwu在喷管中心线上具有最大的正常传播速度在喷管中心线上具有最大的正常传播速度u火焰锥体内部可燃气体混合物得到预热火焰锥体内部可燃气体混合物得到预热u在喷管中心轴线上所获得的活泼中心较其他部分多

19、在喷管中心轴线上所获得的活泼中心较其他部分多火焰中心线火焰中心线uH=w, 火焰锥体的顶部成为圆形火焰锥体的顶部成为圆形靠近管壁附近气流速度最小，但是散热量大导致传播速度降低靠近管壁附近气流速度最小，但是散热量大导致传播速度降低可燃气体的扩散燃烧可燃气体的扩散燃烧扩散火焰：将气体燃料和空气分别由喷燃器送入炉膛内进行燃烧。火焰的形状和表面积大小不再取决于火焰传播的速度，而是取决于气体燃料和空气之间的混合速度。在层流下，依靠分子热运动的分子扩散进行混合在湍流下，依靠微团扰动的湍流扩散部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧 扩散形式的火焰可以在气体燃料和部分空气均匀混合后由喷燃

20、器送入炉膛内，支持能够完全燃烧的部分空气从火焰的外界依靠扩散来供给燃烧而形成的火焰。 一般将预先和气体燃料相混合好的那部分空气称为一次风；将由外界扩散入的那部分空气称为二次风经过一定的假设，扩散燃烧的火焰形状如下所示1ZOr1R2air2Rair1 1空气过剩时空气过剩时2 2气体可燃物过剩时气体可燃物过剩时气体可燃物层流工况下火焰长度层流工况下火焰长度22,B TTwRLD22VBqwRLDD当气流流动速度和喷燃器半径增大时，火焰长度增加当扩散系数增加时，则火焰长度减短湍流工况下火焰长度扩散燃烧的火焰核心的长度随气体速度和喷燃器管径增扩散燃烧的火焰核心的长度随气体速度和喷燃器管径增加而增加，

21、但其增加程度比层流工况下小。加而增加，但其增加程度比层流工况下小。不论气体的流动工况为层流或湍流，在化学非均匀的扩散燃烧过程中，其火焰的性质在很大程度上取决于气体的空气动力学特性和混合过程的物理因素，而火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。火焰稳定的基本原理 要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就静止在某一位置上。静止在某一位置上。 当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流动

22、当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流动速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内传播，造成回火。传播，造成回火。 若流速过高，则会造成吹灭。若流速过高，则会造成吹灭。火焰稳定的特征火焰稳定的特征-火焰根部形状火焰根部形状cossinHnsuwwww不断将火焰前沿带离喷嘴火焰稳定的特征火焰稳定的特征-火焰形状火焰形状火焰根部呈现点火圆环 对气流来说，靠近壁面速度趋于零。 散热明显，温度较低，管壁附近链反应缓慢，从而火焰传播速度也较低。火焰顶部不成尖锥形，一般往往形成一个圆角，这样才火焰顶部不成尖锥形，一般往往形成一个圆角，这样才能实现火焰的稳定能实现火焰的稳定火焰稳定的特征火焰稳定的特征-火焰前沿位置火焰前沿位置动力火焰：动力火焰：稳定在稳定在 的表面的表面扩散火焰：扩散火焰：稳定在过量空气系数为稳定在过量空气系数为1 的表面上的表面上uwcosH火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法- -小型点火火焰小型点火火焰把炽热气流射入高速的、冷的未燃混合气中。在两股气流的边界把炽热气流射入高速的、冷的未燃混合气中。在两股气流的边界处进行强烈的热量和质量交换，使冷的未燃混合气温度提高。处进行强烈的热量和质量交换，使冷的未燃混合气温度提高。火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法- -钝体钝体 气流绕流过钝体在其后缘形成了