第五章 火焰传播和火焰稳定性
合集下载
火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法
火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法【引言】火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法是一项在火焰研究和工程设计中广泛应用的技术。
通过对火焰燃烧过程的理论分析和实验验证，可以提供有关火焰自动轨迹和稳定性的关键信息。
本文将介绍火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法的基本原理和应用。
【主体】1. 火焰自动轨迹理论推演方法火焰自动轨迹是指火焰的运动路径，对于工程设计和火焰控制至关重要。
通过理论推演方法，可以预测和分析火焰燃烧过程中的运动路径，为火焰控制提供指导。
以下是火焰自动轨迹理论推演方法的基本原理：（1）流体动力学模拟：利用流体动力学的基本方程，如Navier-Stokes方程和连续方程，对燃料流动进行数值模拟。
通过对燃料流动的理论分析，可以得到火焰燃烧过程中的速度分布和流动行为。
（2）燃气特性分析：通过对燃料燃烧特性的研究，如燃烧速率、温度和浓度分布等，可以进一步分析火焰燃烧过程中的物理和化学过程。
这些特性是推演火焰自动轨迹的重要参数。
（3）数学建模：将流体动力学模拟和燃气特性分析的结果进行数学建模，建立火焰自动轨迹的数学模型。
例如，可以利用偏微分方程描述火焰的运动路径，并通过求解这些方程得到火焰自动轨迹。
2. 火焰稳定性曲线理论推演方法火焰稳定性是指火焰在不受外界干扰的情况下，能否保持稳定燃烧的能力。
火焰稳定性曲线是用于衡量和预测火焰稳定性的重要工具。
以下是火焰稳定性曲线理论推演方法的基本原理：（1）火焰传热机制研究：通过研究火焰传热机制，如火焰辐射传热、对流传热和传导传热等，可以确定火焰在不同条件下的传热效率。
传热效率是火焰稳定性的重要指标之一。
（2）火焰燃烧动力学分析：对火焰燃烧动力学进行分析，如燃料与氧气的反应速率、火焰的扩散速度等。
这些分析可以提供关于火焰稳定性的动力学特性，并进一步推演火焰稳定性曲线。
（3）稳定性指标定义：根据火焰传热机制和燃烧动力学分析的结果，定义火焰的稳定性指标。
例如，可以以火焰传热速度与火焰消耗速度的比值作为火焰稳定性的指标。
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
火焰传播与稳定理论打印版概要课件
灭火技术研发
基于火焰传播与稳定理论，可以研究新型的灭火技术和方法，例如定向爆破、抑制火焰传播等，提高灭火效果和 安全性。
05
火焰传播的未来研究方向
高温燃烧的火焰传播研究
总结词
研究高温燃烧条件下火焰传播的特性、机制和规律，为高效、环保的燃烧技术提供理论支持。
详细描述
随着能源需求的增加和环保要求的提高，高温燃烧技术成为研究的热点。高温燃烧的火焰传播具有不 同于常温燃烧的特性，如更快的传播速度和更复杂的化学反应过程。因此，研究高温燃烧的火焰传播 对于提高燃烧效率、降低污染物排放具有重要意义。
感谢您的观看
THANKS
火焰传播的稳定性分析
1 火焰传播的稳定性定义
火焰传播的稳定性是指火焰在受到扰动 后能否保持稳定传播的能力。如果火焰 在受到扰动后能够恢复稳定传播，则称 其为稳定的；反之，则为不稳定的。
2
线性稳定性分析
线性稳定性分析是一种常用的方法，通 过求解偏微分方程的线性化版本，可以 得到火焰传播的稳定性条件。这种方法 可以确定火焰是否对某些类型的扰动具 有稳定性。
3
非线性稳定性分析
对于更复杂的扰动，需要采用非线性稳 定性分析方法。这种方法考虑了非线性 效应，可以更准确地预测火焰的稳定性 行为。
火焰传播的数值模拟方法
数值模拟的重要性
由于火焰传播过程的复杂性，解析方法很难得到精确解。因此，数值模拟成为研究火焰传 播过程的重要手段。
数值方法的选取
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。选择合适的数值方法需要考 虑计算精度、计算效率和数值稳定性等因素。
火焰传播与稳定理论打印 版概要课件
目录
• 火焰传播基础 • 火焰传播理论 • 火焰传播的影响因素 • 火焰传播的应用 • 火焰传播的未来研究方向
基于火焰传播与稳定理论，可以研究新型的灭火技术和方法，例如定向爆破、抑制火焰传播等，提高灭火效果和 安全性。
05
火焰传播的未来研究方向
高温燃烧的火焰传播研究
总结词
研究高温燃烧条件下火焰传播的特性、机制和规律，为高效、环保的燃烧技术提供理论支持。
详细描述
随着能源需求的增加和环保要求的提高，高温燃烧技术成为研究的热点。高温燃烧的火焰传播具有不 同于常温燃烧的特性，如更快的传播速度和更复杂的化学反应过程。因此，研究高温燃烧的火焰传播 对于提高燃烧效率、降低污染物排放具有重要意义。
感谢您的观看
THANKS
火焰传播的稳定性分析
1 火焰传播的稳定性定义
火焰传播的稳定性是指火焰在受到扰动 后能否保持稳定传播的能力。如果火焰 在受到扰动后能够恢复稳定传播，则称 其为稳定的；反之，则为不稳定的。
2
线性稳定性分析
线性稳定性分析是一种常用的方法，通 过求解偏微分方程的线性化版本，可以 得到火焰传播的稳定性条件。这种方法 可以确定火焰是否对某些类型的扰动具 有稳定性。
3
非线性稳定性分析
对于更复杂的扰动，需要采用非线性稳 定性分析方法。这种方法考虑了非线性 效应，可以更准确地预测火焰的稳定性 行为。
火焰传播的数值模拟方法
数值模拟的重要性
由于火焰传播过程的复杂性，解析方法很难得到精确解。因此，数值模拟成为研究火焰传 播过程的重要手段。
数值方法的选取
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。选择合适的数值方法需要考 虑计算精度、计算效率和数值稳定性等因素。
火焰传播与稳定理论打印 版概要课件
目录
• 火焰传播基础 • 火焰传播理论 • 火焰传播的影响因素 • 火焰传播的应用 • 火焰传播的未来研究方向
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。
5-燃烧学讲义
• 提高可燃物初始温度T0可以大大促进化学 反应速度，因而增大Sl值。
Sl e
E 2 RTr
Sl T
m 0
火焰温度的影响
• 图表示几种混合物的最大火焰速度与火焰 温度的关系。Tr对Sl的影响显然是很强的。 可以说Sl要取决于Tr。
压力的影响
• 增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小 燃烧设备的体积；另外一些高空飞行器 的燃烧室又都在低压下工作。 • 因为火焰传播速度与化学反应速度有 关，而压力的改变会影响化学反应速度 的大小，因而亦就影响了Sl值。
火焰传播的精确解法
• 由董道义所建立的精确解法，是对层流火 焰基本方程直接进行精确求解。 • 层流火焰传播方程为：
dT d dT 0 Sl c p ( ) wq dx dx dx
Sl 2qs 02c 2 (Tr T0 ) 2 p
Tr
T0
wdT
Tanford等的扩散理论
u p SL un
感知速度up
其中up为火焰前沿法向移动的分速度；un为可燃混气 在火焰前沿法向移动的分速度。
如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致， 取负号，反之，取正号。
火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在 其法线方向上的速度
火焰传播数学描述
• (1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘 性力和体积力，管壁为绝热； • (2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体， 定压比热为常数，摩尔质量保持不变； • (3)燃烧波（化学反应波）是驻定的,预混
• 原理： 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，使混气变为燃烧产物。 • 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，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
Sl e
E 2 RTr
Sl T
m 0
火焰温度的影响
• 图表示几种混合物的最大火焰速度与火焰 温度的关系。Tr对Sl的影响显然是很强的。 可以说Sl要取决于Tr。
压力的影响
• 增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小 燃烧设备的体积；另外一些高空飞行器 的燃烧室又都在低压下工作。 • 因为火焰传播速度与化学反应速度有 关，而压力的改变会影响化学反应速度 的大小，因而亦就影响了Sl值。
火焰传播的精确解法
• 由董道义所建立的精确解法，是对层流火 焰基本方程直接进行精确求解。 • 层流火焰传播方程为：
dT d dT 0 Sl c p ( ) wq dx dx dx
Sl 2qs 02c 2 (Tr T0 ) 2 p
Tr
T0
wdT
Tanford等的扩散理论
u p SL un
感知速度up
其中up为火焰前沿法向移动的分速度；un为可燃混气 在火焰前沿法向移动的分速度。
如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致， 取负号，反之，取正号。
火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在 其法线方向上的速度
火焰传播数学描述
• (1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘 性力和体积力，管壁为绝热； • (2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体， 定压比热为常数，摩尔质量保持不变； • (3)燃烧波（化学反应波）是驻定的,预混
• 原理： 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，使混气变为燃烧产物。 • 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，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
稳定火势与控制火灾传播
VS
社区消防宣传
利用社区宣传栏、活动中心等场所，定期 开展消防宣传活动，提高社区居民的消防 安全意识。
定期进行消防演习和培训
消防演习
定期组织消防演习，模拟火灾场景， 让公众亲身体验火灾的危害和掌握逃 生技能。
培训与考核
对消防人员进行专业培训和考核，提 高其专业素质和应对火灾的能力。
感谢您的观看
THANKS
稳定火势与控制火灾 传播
汇报人：可编辑 2024-01-04
目录
CONTENTS
• 火势稳定和控制的重要性 • 控制火源和燃烧物 • 灭火设备和技术的应用 • 火场逃生和救援 • 火灾预防和宣传教育
01 火势稳定和控制的重要性
保护生命安全
01
02
03
及时疏散
在火灾发生时，应迅速疏 散建筑物内的人员，确保 他们的安全。
02 控制火源和燃烧物
隔离火源
关闭火源附近的电器 和燃气设备，以防止 火势扩大。
使用灭火器、灭火器 材或水源等手段，迅 速扑灭初始火源。
将易燃物品移至安全 区域，远离火源，以 减少可燃物。
移除可燃物
清除火源周围的易燃物品，如纸张、布料、木材 等，以减少可燃物。
关闭门窗、通风管道等，以减少空气流通，减缓 火势蔓延。
和反应速度。
火场自救技巧
保持低姿行进
在火场中尽量保持低姿，用湿布捂住口鼻，以减少吸入烟雾。
关闭门窗
逃生过程中要关闭门窗，以减缓火势蔓延。
寻找避难所
在无法逃出火场时，寻找安全的避难所，如卫生间、楼梯间等，用 湿布塞住门缝等待救，首先要确保自身安全，避免盲目冒险 。
灭火器
干粉灭火器
利用干粉灭火剂瞬间释放大量的非活性气体来抑制火焰燃烧 。适用于扑灭固态物质、液体和气体火灾以及电气设备火灾 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
•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
dT d dT 0u L C p dx dx dx dT 边界条件：x , T T0 , dx 0 x p , T Ti
积分后：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
正常火焰传播速度（缓焰波）
火焰前锋 预混气
燃烧产物
不正常火焰传播（爆震波） 多个火焰中心 爆震波火焰前锋
电 点 火
层流火焰传播理论
层流火焰传播理论分为：
热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区
向预热区的热量交换的传热过程。
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。
（1）参考状态：Tref 298K、Pref 1atm
（2）典型的电火化点火的条件，即：T 685K , P 18.38atm （3）条件与（2）相当，但有15％的废气回流量。
影响火焰传播速度的因素
燃料、氧化剂性质及其混合比 压力
初始温度
添加剂
燃料、氧化剂性质及其混合比影响
3 3
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
网格
驻定火焰测量法 使用专门的火焰烧嘴 火焰传播速度等于气 流速度 测量的结果准确 适用于火焰传播速度 较低的预混气体。
平面火焰
整流网
惰性气体
预混气
火焰抖动，呈毛刷状 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， 增大反应面积 • 湍流加剧了热和活性 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 火 焰 湍 流 火 焰
预混气火焰传播速度的实验结果
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～ 0.45 0.487 0.472 0.453 0.79 3.453.57 0.175 -0.19 1.0
燃料浓度的影响
邓克尔用本生灯湍流火焰实验证实了此式。
皱折表面理论模型
1）邓克尔实验
·Re<2300,
uT 1• 2300<Re<6000, •
uT Re 2 ，小尺度湍流火焰 uL
uT 6000<Re<18000, A Re0 B ，大尺度湍流火焰 uL
5
小尺度
4
大尺度
uT/uL
3
2 1
0
4
8
12
16
Re 20X100
Re对火焰传播速度的影响
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 (u L , Re 0 ) uT f (u L , 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
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 .24 0.18d 0.26 Re 0 0 uL 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
•火焰传播只发生在一定 浓度界限内,燃料气过贫 或过富，火焰都无法传播。 在火焰传播浓度界限之外， 传播速度等于零。 • 两者都在化学恰当比浓 度XFS附近达到最大火焰 传播速度。 •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。
280 240 200 160 120 80 40
H2/空气
则求得传播速度为：
uL
C Ti T0
2 0 2 P
2 WQdT
Ti
Tm
2
因为预热区反应速度很小
层流火焰传播速度uL表达式（3）
Ti T0
WdT 0
Tm
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
Ti
WdT WdT
T0
Tm
Tm
Ti
积分后： dT
WQdT Ti dx C
2
Tm
层流火焰传播速度uL表达式（2）
拐点处：
dT dT dx P dx C
uL dT 0C p Ti T0 dx p
2 Tm dT WQdT Ti dx C
Tm WQdT WdT Q QW T0 Ti T0 Tm T0
火焰传播速度为：
uL
2QW 2 Tm T0 02C P
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 uL
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
Tm T0 QD L / A
(m/s)
32.1%CO2 0 0.8 1.4
当量比 加入N2对甲烷uL的影响
当量比 加入CO2对甲烷uL的影响
催化剂的影响
CO/空气反应中加入水蒸汽： 干CO/空气：
uL 20 ~ 40m/s
潮湿CO/空气：uL 106m/s
活性中心 (H, OH)浓度 ，W ，uL
层流火焰传播速度的测量方法
t Q A
获得热焓量 Qh uL A0CP (Tm T 0) 火焰传播速度
uL a W
Q mCp t
a
0C P
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 )
本生灯法
• 驻定火焰测定法 平均的层流火焰 传播速度：
H
L R
uL u sin
或者
uL V
u
R H 2 R 2
湍流火焰传播
不同燃烧速率时湍流火焰表面
窄缝燃烧湍流火焰表面
层流火焰和湍流火焰的不同
层流火焰 外观清晰，火焰层薄 长度较长 湍流火焰 外观模糊，火焰层厚 长度较短
火焰稳定，表面光滑 燃烧时较安静
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 焰 前 沿
已 燃 气
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线 •特征尺寸极薄，可看 成几何面
火焰的传播速度
火焰的传播速度： 火焰前锋沿其 法线方向相对于新 鲜混合气移动的速 度。
未燃气
n
已燃气
dn
平面火焰的传播方式
活性添加剂
250
H2 CO
100 0
60
uL
uL
% CH4 100 0
0 100
0 0 0 40 80 0
CO
Xf
0
%
40
100
Xf
70
加入H2对CO预混气uL的影响
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
50%N2
uL
25%CO2
(m/s)
58.8%N2 0 0.8 1.4
第五章 火焰传播和火焰稳定性
刘雪玲 天大热能工程系
研究的问题
层流火焰传播速度 湍流火焰传播速度 影响火焰传播的因素 火焰稳定性问题。
火焰分类
基本概念
按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰
移
预混合火焰锥体
移动火焰
按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰
层流火焰——火焰面通过热 传导和分子扩散把热量和活 性中心提供给临近尚未燃烧 的预混气体薄层，使火焰传 播下去。 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。
测定方法分类
• 移动火焰测定法 • 驻定火焰测定法
测定方法：
肥皂泡法
球弹法
平面火焰法
本生灯法
肥皂泡法
实际火焰传播速度公式：
1 dr uL a d
其中
缺点： •并非所有混气适用 •受水分影响
0 D a f d
3
•实现困难
移动火焰测量法
球弹法
火焰传播速度
dr R r dp uL d 3 pr 2 k d
燃料 甲醇 丙烷 异辛烷 RMFD-303
M
1.1 1.08 1.13 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
下的层流火焰速度进行比较：
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
dT d dT 0u L C p WQ dx dx dx
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
dT x , T T0 , 0 dx dT x , T Tm , 0 dx
在预热区：反应速度W近似为零
dT d dT 0u L C p dx dx dx dT 边界条件：x , T T0 , dx 0 x p , T Ti
积分后：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
正常火焰传播速度（缓焰波）
火焰前锋 预混气
燃烧产物
不正常火焰传播（爆震波） 多个火焰中心 爆震波火焰前锋
电 点 火
层流火焰传播理论
层流火焰传播理论分为：
热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区
向预热区的热量交换的传热过程。
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。
（1）参考状态：Tref 298K、Pref 1atm
（2）典型的电火化点火的条件，即：T 685K , P 18.38atm （3）条件与（2）相当，但有15％的废气回流量。
影响火焰传播速度的因素
燃料、氧化剂性质及其混合比 压力
初始温度
添加剂
燃料、氧化剂性质及其混合比影响
3 3
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
网格
驻定火焰测量法 使用专门的火焰烧嘴 火焰传播速度等于气 流速度 测量的结果准确 适用于火焰传播速度 较低的预混气体。
平面火焰
整流网
惰性气体
预混气
火焰抖动，呈毛刷状 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， 增大反应面积 • 湍流加剧了热和活性 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 火 焰 湍 流 火 焰
预混气火焰传播速度的实验结果
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～ 0.45 0.487 0.472 0.453 0.79 3.453.57 0.175 -0.19 1.0
燃料浓度的影响
邓克尔用本生灯湍流火焰实验证实了此式。
皱折表面理论模型
1）邓克尔实验
·Re<2300,
uT 1• 2300<Re<6000, •
uT Re 2 ，小尺度湍流火焰 uL
uT 6000<Re<18000, A Re0 B ，大尺度湍流火焰 uL
5
小尺度
4
大尺度
uT/uL
3
2 1
0
4
8
12
16
Re 20X100
Re对火焰传播速度的影响
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 (u L , Re 0 ) uT f (u L , 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
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 .24 0.18d 0.26 Re 0 0 uL 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
•火焰传播只发生在一定 浓度界限内,燃料气过贫 或过富，火焰都无法传播。 在火焰传播浓度界限之外， 传播速度等于零。 • 两者都在化学恰当比浓 度XFS附近达到最大火焰 传播速度。 •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。
280 240 200 160 120 80 40
H2/空气
则求得传播速度为：
uL
C Ti T0
2 0 2 P
2 WQdT
Ti
Tm
2
因为预热区反应速度很小
层流火焰传播速度uL表达式（3）
Ti T0
WdT 0
Tm
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
Ti
WdT WdT
T0
Tm
Tm
Ti
积分后： dT
WQdT Ti dx C
2
Tm
层流火焰传播速度uL表达式（2）
拐点处：
dT dT dx P dx C
uL dT 0C p Ti T0 dx p
2 Tm dT WQdT Ti dx C
Tm WQdT WdT Q QW T0 Ti T0 Tm T0
火焰传播速度为：
uL
2QW 2 Tm T0 02C P
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 uL
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
Tm T0 QD L / A
(m/s)
32.1%CO2 0 0.8 1.4
当量比 加入N2对甲烷uL的影响
当量比 加入CO2对甲烷uL的影响
催化剂的影响
CO/空气反应中加入水蒸汽： 干CO/空气：
uL 20 ~ 40m/s
潮湿CO/空气：uL 106m/s
活性中心 (H, OH)浓度 ，W ，uL
层流火焰传播速度的测量方法
t Q A
获得热焓量 Qh uL A0CP (Tm T 0) 火焰传播速度
uL a W
Q mCp t
a
0C P
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 )
本生灯法
• 驻定火焰测定法 平均的层流火焰 传播速度：
H
L R
uL u sin
或者
uL V
u
R H 2 R 2
湍流火焰传播
不同燃烧速率时湍流火焰表面
窄缝燃烧湍流火焰表面
层流火焰和湍流火焰的不同
层流火焰 外观清晰，火焰层薄 长度较长 湍流火焰 外观模糊，火焰层厚 长度较短
火焰稳定，表面光滑 燃烧时较安静
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 焰 前 沿
已 燃 气
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线 •特征尺寸极薄，可看 成几何面
火焰的传播速度
火焰的传播速度： 火焰前锋沿其 法线方向相对于新 鲜混合气移动的速 度。
未燃气
n
已燃气
dn
平面火焰的传播方式
活性添加剂
250
H2 CO
100 0
60
uL
uL
% CH4 100 0
0 100
0 0 0 40 80 0
CO
Xf
0
%
40
100
Xf
70
加入H2对CO预混气uL的影响
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
50%N2
uL
25%CO2
(m/s)
58.8%N2 0 0.8 1.4
第五章 火焰传播和火焰稳定性
刘雪玲 天大热能工程系
研究的问题
层流火焰传播速度 湍流火焰传播速度 影响火焰传播的因素 火焰稳定性问题。
火焰分类
基本概念
按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰
移
预混合火焰锥体
移动火焰
按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰
层流火焰——火焰面通过热 传导和分子扩散把热量和活 性中心提供给临近尚未燃烧 的预混气体薄层，使火焰传 播下去。 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。
测定方法分类
• 移动火焰测定法 • 驻定火焰测定法
测定方法：
肥皂泡法
球弹法
平面火焰法
本生灯法
肥皂泡法
实际火焰传播速度公式：
1 dr uL a d
其中
缺点： •并非所有混气适用 •受水分影响
0 D a f d
3
•实现困难
移动火焰测量法
球弹法
火焰传播速度
dr R r dp uL d 3 pr 2 k d
燃料 甲醇 丙烷 异辛烷 RMFD-303
M
1.1 1.08 1.13 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
下的层流火焰速度进行比较：
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
dT d dT 0u L C p WQ dx dx dx
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
dT x , T T0 , 0 dx dT x , T Tm , 0 dx