第五章火焰传播和火焰稳定性
第五章火焰传播和火焰稳定性
长度较长
长度较短
火焰稳定，表面光滑
火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静
燃烧时有噪声
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
T0
层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关
宏观角度分析：
L u L
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
QD
Tm
L
T0
/ A
获得热焓量 Q h u L A 0C P (Tm T 0)
Q
A
t
Q mC p t
火焰传播速度
a
uL
dT dx C
2 Tm
WQdT
Ti
dT dx
p
uL
0 C p Ti
T0
则求得传播速度为：
uL
Tm
2 WQdT Ti
2 0
C
2 P
Ti T0
2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti
u L d 3 pr 2 k d
优点 • 可测定不同压力下、温度 下的以及高压情况下的火焰 传播速度 • 只适用火焰传播速度快的混合气
移动火焰测量法
平面火焰法
火焰传播与稳定理论打印版讲解
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 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 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 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。
• 若流速过高，则会造成吹灭。
0
• 介质的连续性方程
0u0 xux
• 未反应区方程
d dx
(
dT dx
)
cP 0u0
dT dx
dT x : dx 0,T T0 x 0 :T TB
• 进行一次积分可得
( dT
dx
)
cP 0u0 (T
T0 )
• 再次进行积分求解可得
0u0cp x
影响火焰正常传播速度的主要因素 -燃料化学结构的影响
对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大 火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子 数n无关；
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 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 散性和燃料分子量有关。
cos
dr
uH
(dr)2 (dz)2 w
dz w2 uH 2
dr
uH
w 2
uH
1 dz w dr uHΒιβλιοθήκη • 火焰形状z
1 uH
w0
wR R r
w0 3
R
r3 R2
•火炬着火区长度计算公式
第五章 火焰传播与火焰稳定
三、层流火焰传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为： 连续方程： 动量方程： 能量方程：
u 0u0 0ul m
P≈常数
dT d dT 0ul C p ( ) WQ dx dx dx
dT x , T T0 , y y 0 , 0 dx dT x , T Tm , y 0, 0 dx
/ a )1/ 2
0C p
(lu / )1/ 2 ( du / )1/ 2 Re1/ 2
at lu l d（管径）及 u u（主流速度）
二、湍流火焰传播速度
小尺度强湍流：
ut ul Re
1/ 2
小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅 与可燃混气的物理化学性质有关（即与ul成正比）， 还与流动特性有关（即与Re1/2有关）
火焰的几何形状： 火焰形状接 近正圆锥形
火焰顶端呈圆 形；火焰底部 不和喷嘴出口 相重合，存在 向外突出的一 个区域以及靠 近壁面处有一 段无火焰区域
直管形
收缩管形
一、本生灯的燃烧过程
气流速度不同时的三种工况： 稳定：
混气流速恰当时火焰挂在管口上。
脱火或吹灭： 增加混气流速，火焰锥变长。流速进一步加大时， 火焰锥会被吹灭即脱火。 回火： 混气流速减小时，火焰锥变短。当流速减小时，则 会发生回火。
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。 湍流火焰传播理论主要有两种： （1）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金） （2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）
一、湍流火焰的特点
湍流特性参数： 湍流尺度 l ：
在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸， 或湍流微团在消失前所经过的平均距离
火焰传播与稳定理论打印版
n dn uH im 0 d
u P u H wn
本生灯火焰移动速度
u P u H wn
d uH wn w cos w dS qV wd uH dS uH SL S
火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿
1 Tr TB u0 c p 0 TB T0
w u0c0
假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。
Tr TB a Tr TB u0 ( )w ( )w c p 0c0 TB T0 c0 TB T0
Tr TB a Tr TB u0 ( )w ( )w c p 0 c0 TB T0 c0 TB T0
影响火焰正常传播速度的主要因素 -火焰温度的影响
• 火焰温度对火焰传播速度
具有极大影响。
• 超过2500°C自由基浓度
大量增加起重要影响。
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
热扩散率越大， 则火焰传播速度越 快。 比压定热容越小， 则火焰温度越高， 相应火焰传播速度 也越快。
不同混合方法所表示的三种火焰形状
化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧
Z
n
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
2 r 0 1 2 R
Z
r
O
u
r
0
R
动力燃烧的火焰形状
流出喷燃出口时的速度分布规律
2 r 0 1 2 R R
• 粒子示踪法
• 平面火焰燃烧器法
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 而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中 的混合方法： 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。 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 喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。
《工程热力学》教学大纲-山东大学课程中心
山东大学“工程燃烧学I”课程教学大纲课程号：0183100310课程名称：工程燃烧学I英文名称：Engineering CombustionⅠ总学分：2 总学时：34 授课学时：30 实验学时：4 上机学时：0适用对象：热能与动力工程专业先修课程：大学物理高等数学热工学流体力学使用教材及参考书：1、汪军，工程燃烧学，中国电力出版社，2008.72、霍然等，工程燃烧概论，中国科学技术大学出版社，2001.93、岑可法等，高等燃烧学，浙江大学出版社，2002.124、严传俊，范玮等，燃烧学（第2版），西北工业大学出版社，2008.7。
5、刘联胜，燃烧理论与技术，化学工业出版社，2008.66、黄勇，燃烧与燃烧室，北京航空航天大学出版社，2009.97、（美）特纳斯著，姚强，李水清，王宇译，燃烧学导论：概念与应用（第2版），清华大学出版社，2009.48、C. K. Law, Combustion Physics, Cambridge University Press, 2006.9、Poinsot, T. and Veynante, D., Theoretical and Numerical Combustion, 2005.10、Irvin Glassman, Richard A. Yetter, Combustion, 4th Edition- Elsevier,200811、徐通模，燃烧学，机械工业出版社，2010.7* 在教材及主要参考资料中第1项为教材，其它为主要参考资料。
一、课程教学目的工程燃烧学是热能与动力工程专业的一门重要的技术基础课，也是该专业的必修主干课。
本课程的授课对象是热能与动力工程专业本科生，属热动类专业基础必修课。
课程主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生对燃烧现象和基本理论的认识。
通过本课程的学习掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程的基本知识与基本理论。
燃烧理论第5章-新
第五章预混合气体火焰5.1 概述讨论预混合气体火焰问题就是要研究着火前燃料与氧化剂已经均匀混合成可燃混合气中的火焰传播机理。
在预混合火焰的传播过程中化学反应速度、传热、流动、扩散等都起着各自的重要的作用。
例如，汽油机中的燃烧是预混合火焰，火焰能在极短时间内传遍整个燃烧室，很重要的因素就是发动机在高速运动时气缸内有足够的气流及湍流强度，使燃烧能力大大增强。
在低温时化学反应速度慢，与扩散及传热相比，它在燃烧过程中所需的时间长。
因此，化学反应动力学(即反应速度)对火焰的传播起控制作用（即对燃烧过程起主要作用)。
在高温时则化学反应速度极快，而扩散与传热却相对是速度慢的环节。
因而，扩散与传热对火焰的传播起着控制作用。
预混合气体的火焰锋面将燃料混合气体与燃烧产物分开。
火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速度、压力等的分布情况如图5-5(b)所示。
由于燃烧过程是复杂的化学反应过程，通常它是由许多个中间反应过程所组成。
因而，在火焰锋面处有许多复杂的、不稳定的、极为活泼的中间产物。
所有上述变量随火焰锋面厚度方向的变化情况称之为火焰的结构。
5.2 燃烧分类 (爆燃与缓燃)在燃烧现象中，火焰的传播速度与气流的流动状态及速度有关。
当火焰的传播速度大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面两侧有很大的压力突变，称之为爆燃(爆震波、爆轰，取决于所在学科，见下表)，此时火焰锋面随同爆震波一起前进，燃烧速度(即火焰传播速度)极快。
当载气流的流速较低时燃烧速度较慢。
火焰锋面前后的压差较小，称之为缓燃，一般的工业及生活中的燃烧均属此类。
表5-4所示为一些预混合气的爆震速度。
下面讨论上述两种燃烧现象与载气流速度及燃烧前后压力变化的关系。
图5-2所示为一水平安置的内部充满可燃混合物的等截面圆管，火焰面从管的左端向管内传播。
图5-2 在可燃混和气的水平管内的反应锋面的传播设燃烧波以稳定的速度沿管向右传播。
如取运动着的波面为坐标，取该处为x=0，则可将该波面看作静止的，可燃混合气以恒速（即燃烧速度）流向反应波处，并认为波前方的反应物及波后面的产物各自为均匀的、无粘性并不导热的，下标s 及f 分别代表反应物及产物，由一维的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程对介质从s 状态到f 状态的流动有:s s f f u u ρρ= （连续方程） (5.1)22s s s f f fu p u p ρρ+=+ （Bernolli 动量方程） (5.2) 2222f s s f u u h h +=+ （能量方程）(5.3)在这里，焓的定义中还包括化学生成焓在内。
第05章 燃气燃烧方法
第二节 部分预混式燃烧
三、部分预混紊流火焰
• 紊流火焰的特点：火焰长度短，顶部圆，焰 面皱曲，火焰厚度增加，表面积增加。 • 紊流火焰结构： ¾ 焰核：燃气空气混合物尚未点着的冷区 ¾ 焰面：着火与燃烧区 ¾ 燃尽区：此区边界看不见，通过气体分析确 定。
25
第二节 部分预混式燃烧
四、紊流预混火焰的稳定 • 紊流火焰工作的稳定区变得很窄，常常全 部消失，只有人工办法稳焰。 • 要想稳焰，就要想办法在局部地区保持气 流速度和火焰传播速度之间的平衡。 ¾ 从气流速度着手→流体动力学方法 ¾ 从改变火焰传播速度着手→热力学和化学 方法
二、部分预混层流火焰的确定
• 离焰：当燃烧强度不断加大，气流速度v↑， 使得v=S的点更加靠近管口，点火环变窄，最 后使之消失，火焰脱离燃烧器出口，在一定 距离以外燃烧。 • 脱火：若气流速度再增大，火焰被吹熄。 • 回火：若进入燃烧器的燃气流量不断减小， 即气流速度v↓，兰色锥体高度↓，最后由于 气流v小于Sn，火焰缩进燃烧口，熄灭。
16
第二节 部分预混式燃烧
• 分析根部：在火焰根部气速度降为0，但 火焰不会传到燃烧器里去。 •在1-1环上，S<v→推离 •在2-2环上，S>v→回燃 •必存在3-3环，该环上 S=v，该环没有切向分 速，φ=0→水平焰面→点 火源→又称点火环，使层 流火焰根部得到稳定。
17
第二节 部分预混式燃烧
28
第三节 完全预混式燃烧
• 在部分预混式燃烧的基础上发展起来的， 技术合理。广泛应用。 • 在下列条件下进行的燃烧，称为完全预混 式燃烧，又称无焰燃烧 • 进行完全预混的条件： ¾ 燃气和空气在着火前预先按大于等于化学 计量比混合均匀（即α’≥1）； ¾ 设置专门的火道，使燃烧区保持稳定的高 温。
[工学]火焰传播与稳定理论6课时
![[工学]火焰传播与稳定理论6课时](https://img.taocdn.com/s3/m/7e2fb4f776a20029bd642dd6.png)
过程与声速的关系
a 2 RT u0 Ma a
a2 RT
pr pr>>p0,1/ρr略<1/ρ0 A
Ma>1
pr略<p0,1/ρr>>1/ρ0 0<Ma<1
结 论
u0
T Ti ( r )w c p C0 Ti T0
1、火焰前沿移动的正常速度是与其平均导热系数的平方根成 正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此正常速 度与气体混合物的物理常数有关。 2、正常速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，随着燃烧室中 的燃烧温度Tr的降低而减小。因此如果将气体预先加热然后 再送入燃烧室，则其正常速度能得以提高。 3、可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正 常传播速率，从第2点及公式可知，当可燃气体混合物的热 效应及化学反应速率降低的情况下，则正常速度数值亦小。 4、可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当 可燃混合物中的空气含量不足（α<1）或过多时（α>1）都 会使燃烧温度Tr降低，因而亦降低正常速度。
本生灯测量火焰移动速度（实验法） —————————————————
本生灯的锥形表面为火 焰前沿，火焰前沿不动， 即火焰传播速度up为零。 说明气流在锥形表面某点 处的法线方向上分速度wn 等于火焰前沿移动速度 uH。
本生灯火焰前沿
dS表示火焰前沿微元面面积，
dσ表示与微元面相应的气流微 元面积
火焰前沿
火焰前沿具有的特征 ———————————————————
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燃料浓度的影响
280
•火焰传播只发生在一定
浓度界限内,燃料气过贫
240
或过富，火焰都无法传播。 200 在火焰传播浓度界限之外，
传播速度等于零。
160
• 两者都在化学恰当比浓 uL 120
度XFS附近达到最大火焰
80
传播速度。
40
H2/空气 CO/O2
•氢气预混气比一氧化碳 预混气的火焰传播浓度界 限要窄得多。
QD
Tm
L
T0
/ A
Qh uL A0CP (Tm T 0)
Q A t
Q mC pt
火焰传播速度
uL
a
W
a
0CP
选定燃料的火焰速度计算公式
往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验 公式：
参考温度下：uL,ref BM B2 ( M )2
Re对火焰传播速度的影响
返回
预混气火焰传播速度的实验结果
2）博林杰—威廉姆斯经验公式
uT uL
0.18d
0.26
Re
0.24 0
3) 达郎托夫经验公式
uT uL 5.3(u' )0.6~0.7 (uL )0.4~0.3
u' uL时，uT 5.3(u' )0.6~0.7 (uL )0.4~0.3
dT dx
p
uL
0Cp Ti
T0
则求得传播速度为： uL
2 Tm WQdT Ti
02CP2 Ti T0 2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti WdT 0
T0
Tm WdT Tm WdT
Ti
T0
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
湍流火焰——火焰面的热量 和活性中心向未燃混合气输 运是依靠流体的涡团运动来 激发和强化，受流体运动状 态支配。
层流火焰 湍流火焰
火焰前沿（前锋、波前）
新鲜混气
•发光的火焰层，化 学反应区
火 已焰
前 燃沿
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线
气
•特征尺寸极薄，可看
成几何面
火焰的传播速度
进一步发展的小尺度湍流火焰传播速度模型
uT a 1 lu'
uL
a
a
2）大尺度弱湍流火焰传播速度模型
l L,u' uL
uT AT
uL
AL
1 uuL'2
皱折表面理论模型
3）大尺度强湍流火焰传播速度模型
l L,u' uL
uT uL uD
0 0 20 40 60
80 100
Xf
压力的影响
uL0 W 1/2
W pn
n
uL0 p 2 p 0
0.3
n
uL0 p2
n2
uL p 2
(n-2)/2 0
n2 n2
压力对火焰传播速度的影响取决 -0.3
于反应的压力指数（n-2)/2
20
100
100
uL
扩散理论:火焰传播过程取决于活性中心浓
度的扩散过程。 实际中两种机制同时起作用。
火焰结构及其特征
火焰前锋驻定
火
焰
u0=uLT 0 m,Cf,0
up,Tm p
结 构
Cf,0
p
c
及
Tm
参
Ti
数
分
Cf0→0
布
T0
示
w
意
图
-x
i
+x
火焰结构及其特征
火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反 应区
0.16 0.22( 1)
燃料
M
甲醇
1.1
丙烷
1.08
异辛烷
1.13
RMFD-303 1.13
BM
(cm/s) 36.92 34.22 26.32 27.58
B2 (cm/s) -140.51 -138.65 -84.72 -78.34
例题：针对下述几种工况，对汽油－空气混合物在 0.8
x ,T
T0 ,
dT dx
0
x ,T
Tm
,
dT dx
0
层流火焰传播速度uL表达式（1）
•泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解
在预热区：反应速度W近似为零
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
边界条件：x ,T
T0
,
dT dx
0
前沿厚度很小，但温度梯度和浓度梯度很 大，存在强烈的热传导和物质扩散
火焰前沿在预混气中移动，是由于反应区 放出热量不断向新鲜混合气传递及新鲜混 合气不断向反应区中扩散。
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
WQ
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
预混气火焰传播速度的实验结果
湍流火焰传播经验公式总结：
uT f (uL , Re0 ) uT f (uL ,u')
湍流火焰传播速度：
混合气的物理化学性质 流动状态（Re）
湍流火焰传播速度影响因素：
混合气性质、浓度、初温、初压，流动状态
湍流火焰传播理论
皱折表面理论
湍流脉动——火焰面皱褶变形——燃烧反应表面积 增大——燃烧速度增大——湍流火焰传播速度增大 实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。
uD
2u lL
1
uT uL
2u'lL
1
4）达朗托夫假定
气团l0
火焰速度 uM=uL+u’
气团尺寸 减小l
火焰速度 变为uL
皱折表面理论模型
火焰向气团内部的传播速度：
cm/s
添加剂的影响
活性添加剂（H2） —火焰传播界限和火焰传播速度随活性添 加剂浓度改变而发生明显变化。
惰性添加剂（CO2、N2、He） —火焰传播速度减小，火焰传播界限缩小， 火焰传播极限向燃料浓度减小方向偏移。
催化剂（铂、钯、铯）
— 加入混合气中对火焰传播速度有明显 的影响。
活性添加剂
压力指数对uL的影响
初始温度的影响
初始 温度 提高
•预热到着火的时间缩短 •燃烧反应带温度提高 •反应速度加快 •气体导热系数增加 • 气体密度减小。
火焰 传播 速度 增大
• 实验结果 uL T0m m=1.5~2
• 经验公式 uL1 uL0 0.45 10 3 T12 T02
预混气火焰传播速度的实验结果
1）邓克尔实验
实验图形
·Re<2300, uT 1 ，层流状态
uL
• 2300<Re<6000,
uT
1
Re2
，小尺度湍流火焰
uL
•
6000<Re<18000, uT
uL
A Re 0 B，大尺度湍流火焰
5 4
uT/uL 3
2 1
小尺度
大尺度
0
4
8
12
16 Re 20X100
x p ,T Ti
积分后：
dT dx
p
uL
0Cp Ti
T0
层流火焰传播速度uL表达式（2）
• 在反应区：反应区温度升高所消耗的能量 近似为零
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
WQ
d 2T dx2
WQ
0
边界条件：
x ,T
燃料、氧化剂性质及其混合比影响
燃料种类— 火焰传播速度不同是由于燃料 的热物理性质和化学反应性质不同造成。
常用燃料层流时的火焰传播速度（α=1） 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 乙烯 氢气 CO 人工煤气
0.43～ 0.487 0.472 0.453 0.79 3.45- 0.175
1.0
0.45
3.57 -0.19
250 H2 CO
60
100 0
uL
uL %
0 100
0
0
40
80
Xf
加入H2对CO预混气uL的影响
CH4 100
%
0
CO 0
100
0
0
40
70
Xf
加入CH4对CO预混气uL的影响
惰性添加剂
0.5
0%N2
0.5
0%CO2
uL (m/s)
50%N2
58.8%N2
0 0.8
1.4
当量比
加入N2对甲烷uL的影响
火焰稳定，表面光滑
火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静
燃烧时有噪声
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
层流： uL a 湍流： uT aT
(a /(c))