层流火焰课件

層流火焰層流火焰------燃燒與火焰一、燃燒與火焰★燃燒發生燃燒反應的外部表現★火焰燃料和氧化劑兩種組份在空間激烈地發生放熱化學反應的過程（火焰－燃燒波、火焰前沿、火焰前鋒）★發光、發熱火焰的幾個重要特徵★電離★自行傳播層流火焰------燃燒與火焰熱和輻射現象O·未燃氣火焰前鋒容器已燃氣層流火焰------燃燒與火焰火焰前鋒厚度一般約為10-3m◆緩燃（爆燃）--燃燒波傳播的速度為亞音速◆爆震--燃燒波傳播的速度為超音速◆爆炸--釋熱速率極大，不需要有燃燒波在介質中的傳播deflagrationdetonation層流火焰------燃燒與火焰湍流火焰◆根據混合氣的流動狀態分火焰分類層流火焰◆根據混合氣反應前的接觸狀態分擴散火焰預混火焰層流火焰------燃燒與火焰本生燈火焰層流火焰------燃燒與火焰層流火焰------層流預混火焰二、層流預混火焰1.火焰傳播速度（SL）---定義：火焰相對於未燃混合氣在其法線方向上的速度---

物理意義：代表單位時間內在火焰前鋒的單位表面上所燃去的混合氣體的體積[cm3/s·cm2=cm/s]cm/s★幾個概念---

火焰移動速度（Ua）：火焰前鋒在未燃混合氣中相對於靜止坐標系的前進速度---

混合氣運動速度（vu）層流火焰------層流預混火焰vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒Ua層流火焰------層流預混火焰SL★SL=vu，Ua=0穩定vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒層流火焰------層流預混火焰UaSL★SL>vu，Ua<0回火★SL=vu，Ua=0穩定vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒層流火焰------層流預混火焰UaSL★SL<vu，Ua>0吹除★SL=vu，Ua=0穩定★SL>vu，Ua<0回火vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒層流火焰------層流預混火焰UaSL2.層流火焰傳播速度理論★

熱理論★

擴散理論★

綜合理論火焰中的化學反應主要是由於熱量的導入使分子熱活化而引起的，所以，化學反應區（火焰前鋒）在空間中的移動取決於從反應區向未燃氣傳熱的熱導率。火焰中的化學反應主要是由於活化中心向未燃氣的擴散熱傳遞與擴散共同作用層流火焰------層流預混火焰★層流火焰結構vu未燃氣已燃氣vbδδPδcρuρb層流火焰------層流預混火焰3.Spalding的簡化理論

耦合傳熱、傳質、化學動力學以及熱力學的原理來理解支配火焰速度和火焰厚度的因素層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（1)溫度層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（1)溫度〔安德魯斯（Andrews）和布拉德利（Bradley）〕層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（1)溫度常壓CH4-Air層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（2)壓力〔安德魯斯（Andrews）和布拉德利（Bradley）〕層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（2)壓力CH4-AirTu＝16-27℃層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（3)當量比常壓CH4-Air層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（3)當量比常壓CH4-Air層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（4)燃料類型燃料分子式SL（cm/s）MethaneCH440AcetyleneC2H2136EthyleneC2H467EthaneC2H643PropaneC3H844HydrogenH2210層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（5)混合氣中摻雜物的影響

層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（5)混合氣中摻雜物的影響

層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

困難一：不容易獲得一個穩定的平面火焰困難二：確定火焰前沿層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（1)本生燈法火焰內錐的表面積Af管子的橫截面積At管內平均流體速度Vt層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（2)平面火焰法層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（3)球彈法γ－未燃氣比熱比α－球半徑r－壓力為p時的火焰半徑層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（4)粒子示蹤法（5)駐定火焰法（6)透明管法層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火

---

淬熄距離：火焰在圓形管道內熄滅（不傳播）的臨界直徑

---

熄火現象：強烈的放熱反應

無反應狀況層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火

層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火

層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火

溫度和壓力對淬熄距離的影響：層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰傳播極限

---

下限：使火焰穩定傳播的最小混合比（Φ<1）---

上限最大的混合比（Φ>1）層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰傳播極限

Φ=1Φ<1Φ>1Φ層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰傳播極限

影響火焰傳播極限的因素燃料種類混合氣的組成溫度壓力層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰傳播極限

實驗條件：T=20℃1-甲烷2-丁烷3-乙烷層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

---

著火混合氣自動的反應加速、升溫，以致引起空間某部或在某時間出現火焰---

著火方式

自燃與點燃層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

---

著火條件如果在一定的初始條件或邊界條件(閉口系統)

之下，由於化學反應的劇烈加速，使反應系統在某個瞬間或空間的某部分達到高溫反應態（即燃燒態），那麼，實現這個過渡的初始條件或邊界條件便稱為“著火條件”---最小著火能將混合氣從初始狀態加熱到火焰溫度所需要的能量層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

壓力和溫度對最小著火能的影響層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

壓力和溫度對最小著火能的影響層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

壓力和溫度對最小著火能的影響層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩定

★回火(flashback)層流火焰------層流預混火焰★回火(flashback)層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩定

★火焰提升(liftoff)

7.火焰穩定

★回火(flashback)層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩定

★回火(flashback)★火焰提升(liftoff)

層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩定

天然氣含氫氣的人工合成氣層流火焰------層流預混火焰層流火焰------層流擴散火焰三、層流擴散火焰1.基本概念（1)火焰外形過量供氣火焰供氣不足火焰層流火焰------層流擴散火焰1.基本概念（2)火焰結構空氣燃料空氣2.無反應的常密度層流射流

（1)物理描述中心徑向層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（2)速度分佈任一x位置射流的動量，J＝來自噴嘴的動量，Je軸向速度分佈中心速度層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（2)速度分佈層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（3)射流半寬、擴展速率和擴展角★射流半寬（jethalf-width)：射流速度下降到中心速度值一半時的徑向位置層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（3)射流半寬、擴展速率和擴展角★擴展速率（spreadingrate)：射流半寬與軸線距離x的比值★擴展角(spreadingangle)：擴展速率的正切角層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（4)濃度場中心線上品質分數層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★Burke&Schumann理論（1928）層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★常密度解法★變密度解法（Fay）層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★ROPER理論（1977）層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★數值解法層流火焰------層流擴散火焰4.流速和幾何結構對火焰長度的影響層流火焰------層流擴散火焰在射流速度較低時，火焰保持層流狀態，火焰前沿面光滑、穩定、明亮。隨射流速度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此時火焰仍保持層流。再增大射流速度，火焰頂部開始出現顫動、皺折、破裂。由於湍流影響，湍流擴散混合加快，燃燒速度增加，使火焰高度縮短。繼續增加射流速度，開始顫動、皺折、破裂的點向噴口方向移動，直到破裂點靠近噴口。此時火焰達完全湍流狀態，此後破裂點位置不變、火焰高度趨於定值。但噪音增加如果過分增加射流速度，火焰會脫離噴口直至吹熄。4.流速和幾何結構對火焰長度的影響層流火焰------層流擴散火焰5.

摩爾當量比S的影響

★燃料類型

對CxHy

層流火焰