燃气燃烧的火焰传播的基本概念(新版)
燃烧理论第四讲火焰传播理论
其边界条件是
x ,T
T0
,
dT dx
0
假定Ti是预热区和反应区交界处(温度曲线曲率变化点)的温度， 从T0到Ti进行积分，
(下标“I”表示预热区)
0 Sn Cp
Ti
T0
dT dx
I
反应区的能量方程为
d2 y dx2
wQ
0
其边界条件是
x 0,T Ti ;
dT x ,T Tm , dx 0
传播速度。
尚于缺几少乎完不全可符能合得到Sn定严义格的的测平定面方状法火。焰精面确。测量Sn的困难在 测定Sn的实验方法，一般可归纳为静力法和动力法两类。 （一）、静力法测定Sn
度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速度)，简
称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界面即为 火焰锋面，或称火焰面。
静止均匀混合气体 中的火焰传播
流管中的火焰锋面
取一根水平管子，一端封住，另一端敞开，管内充满可燃 混合气。点火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移动， 由于管壁的摩擦和向外的热量损失、气体的粘性、热气体 产生的浮力，使其成为倾斜的弯曲焰面。
乘式
2
dT dx
d dx
dT dx
2
2
dT dx
d 2T dx2
后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）
dT dx
2
Tm wQdT
Ti
dT dx
I
dT dx
Sn
2 Tm wQdT Ti
02Cp2 Ti T0 2
Ti为未知，进一步变换可得
Sn
2 Tm wQdT T0
02Cp2 Tm T0 2
湍流火焰模型
(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流； (d)容积湍流燃烧
火焰传播的原因和特点
火焰传播速度
火焰传播速度是指火焰在静止介质中蔓延的速度，通常以 米/秒（m/s）为单位进行测量。
火焰传播速度的影响因素
火焰传播速度受到多种因素的影响，包括可燃物的物理和 化学性质、燃烧条件（如氧气浓度、压力和温度）以及环 境因素（如风速和介质流动）。
火焰传播速度的测量
火焰传播速度可以通过实验进行测量，通常在实验室条件 下使用燃烧室或燃烧塔进行测量。
特点
森林火灾蔓延速度快，火势大，难以控制，破坏力强，对生态环境造成严重破坏。
油罐爆炸案例
原因
油罐爆炸通常是由于油罐内的油料泄漏、静电、雷击或人为操作失误等原因引起。
特点
油罐爆炸产生的火焰温度极高，火势猛烈，燃烧速度快，并可能伴随有毒气体和烟雾，对周围环境和 人员安全造成严重威胁。
家中火灾案例
原因
均相燃烧两大类。
均相燃烧是指可燃气体和空气混 合后形成的均匀混合物在燃烧过 程中产生的火焰传播，如天然气
、石油气等。
非均相燃烧是指可燃物与空气混 合不均匀，在燃烧过程中产生的 火焰传播，如木材、煤等固体可
燃物。
02
火焰传播的原因
可燃物的存在
可燃物种类
不同的可燃物有不同的燃烧特性，如易燃、难燃等。
在工业生产中，应尽量减少空气的进入，以降低氧气浓度，从而控制火焰的燃烧 。
惰性气体
在某些情况下，可以使用惰性气体（如氮气、二氧化碳等）来稀释空气中的氧气 ，降低燃烧的可能性。
控制火源的措施
消除火源
在工厂、仓库等场所，应消除火源，如禁止吸烟、禁止使用 明火等。
火源控制
对于必须使用火源的场所，应加强火源的控制和管理，如使 用防火设备、安装火灾报警器等。
火焰传播的影响因素
ch4 燃气燃烧的火焰传播
焰面的移动速度
气流的移动速度
可燃混合物的历程
➢冷态时——浓度为C0，温度为T0；
➢接近焰面时——被预热(温度逐渐升高)，但未发生
化学反应， C0近似不变。 ➢T0 Ti ——开始着火，经感应期后到达Ti ’，
进行剧烈燃烧，温度很快升高到Tth； 浓度从温度Ti时开始下降，燃烬时C=0。
第四章 燃气燃烧的火焰传播
(Flame Propagation)
第一节 火焰传播的理论基础 第二节 法向火焰传播速度的测定 第三节 影响火焰传播速度的因素 第四节 混合气体火焰传播速度的计算 第五节 紊流火焰传播 第六节 火焰传播浓度极限
意义：
火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性； 对火焰的稳定性、互换性有很大的影响；
Tm ;
y
0;
dT dx
0;
将火焰分为预热区和反应区，其交界处的温度为Ti
在预热区中忽略化学反应
0Sncp
dT dx
d
dx
dT dx
在反应区中忽略自身的能量变化 d dT Q 0
dx dx
从T0~Ti积分
从Ti~Tm积分
0Sncp
Ti
T0
dT dx
I
交界面上的热流量连
续
dT 2 Tm QdT
Sn
2
Tm QdT
T0
02C
2 p
Tm T0 2
为进一步简化；定义
Tm QdT T0
Q
Tm
dT
Q
Tm T0
T0 Tm T0
T0~Tm之间的平均反应速率
Sn
2Q
02C
2
燃烧理论第四讲火焰传播理论
湍流火焰模型
(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流； (d)容积湍流燃烧
1—燃烧产物；2—新鲜混气；3—部分燃尽气体
三、层流火焰传播速度的测定
层流火焰传播速度不能用精确的理论公式来计算。通常是
依值靠，实有验时方也法可测依得照单经一验燃公气式或和混实合验燃数气据在计一算定混条合件气下的的火焰Sn
传播速度。
尚于缺几少乎完不全可符能合得到Sn定严义格的的测平定面方状法火。焰精面确。测量Sn的困难在 测定Sn的实验方法，一般可归纳为静力法和动力法两类。 （一）、静力法测定Sn
1、管子法 静力法中最直观的方法是常用的管子法，测定时，用电影 摄影机摄下火焰面移动的照片，已知胶片走动的速度和影
与实物的转换的比例，就可算出可见火焰传播速度Sv。在
管径越大，管壁散热对火焰传播 速度的影响越小，如焰面不发生 皱曲，则随着管径的增大火焰传
播但速实度际上上升管，径并增趋大向时于焰极面限要值发生Sn。
皱曲。管径越大，焰面皱曲越烈
，升因。而Sv值随管径的增加而不断上
当管径小到某一极限值时，向管 壁的散热大到火焰无法传播的程
度。，临这界时直的径管在径工称程为上临是界有直意径义的dc
，可利用孔径小于临界直径值的 金属网制止火焰通过。
图2-22 火焰传播速度与管径 的关系
管子法测得的可见火焰传播速度与燃气空气混
合物成分的关系(d=25.4mm)
l—氢；2—水煤气；3—一氧化碳；4—乙烯；5—炼焦煤气；6—乙烷 ；7—甲烷；8—高压富氧化煤气
2、皂泡法
将已知成分的可燃均匀混合气注入皂泡中，再在中心用电 点火化点燃中心部分的混合气，形成的火焰面能自由传播 (气体可自由膨胀)，在不同时间间隔出现半径不同的球状 焰面。用光学方法测量皂泡起始半径和膨胀后的半径，以 及相应焰面之间的时间间隔。即可计算得火焰传播速度。
燃烧理论6火焰传播与稳定
6.56
2.7
34
甲烷 CH4 17.23 9.56
9.5
5
15
苯 C6H6 13.3 35.85
2.73
1.4
7.1
丙烯 C3H6 14.8 21.5
4.47
2
11
着火极限时
过量空气系数
下限
上限
αL
αH
最大层流火 相当于uLmax 焰传播速度 时的燃料浓
uLmax
度%
(cm/s) (按容积计)
10.1
爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压 缩（冲击波的绝热压缩）作用使未燃混合气的温度 升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气 推进，传播速度大于1000m/s，大于声速。如爆炸、 压燃式内燃机的火焰传播。
2023/6/11
3
2023/6/11
4
➢缓燃波与爆震波的参数差异
参数
波前马赫数u1/c1 爆震波前后u2/u1 爆震波前后压力p2/p1 爆震波前后温度T2/T1
0.14
315
42.2
3.57
0.018
170
8.9
2.51
0.135
68.3
7.4
1.98
0.59
33.8
9.96
1.96
0.36
40.7
3.34
2.28
0.37
43.8
5.04
理论燃烧温度的提高对火焰传播速 度的影响主要是由于促进了火焰中化 学反应的进程所致。 几种可燃混合气的最大火焰传播速度 与理论燃烧温度之间的关系曲线。
同时实验还证明，随着燃料分子量
的增加，火焰传播速度（可燃极限）
范围有越来越小的趋势。如前表所 最大层流火焰传播速度与燃料分
燃气热水器培训之燃烧系统2-火焰传播(万和新电气股份有限公司)
• 不同的燃料对火焰正常传播速度 影响很大，从图中可以看出一个 规律：燃料的分子量愈大，可燃 性的范围就愈窄， • 图显示了三族燃料的最大火焰速 度与其分子中的碳原子数的关系 ： 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； 而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。 当n增大到4时，Sl的值将陡降，而后 ，随n进一步增大而缓慢下降，直到 n≥8 时，就接近于饱和碳氢化合物的 Sl值。
dn ul dt
其大小取决于反应速度、热量 和活性中心的传递速度。
层流火焰的内部结构及其传播机理
火焰前沿厚度很薄，一般不超过1mm， 只有十分之几毫米甚至百分之几毫米厚。 设：u0 = ul，则火 焰锋面驻定。 将火焰锋面可分为 两部分：
p r
预热区P－P 反应区R－R
前沿的厚度很小， 但温度和浓度的 变化很大，因而 在火焰前沿中出 现了极大的浓度 梯度及温度梯度。 这就引起了火焰 中强烈的扩散流 和热流。
湍流火焰的特点
1. 湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物理 化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度增大， 将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。 2. 燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃烧 设备的经济性好。 3. 湍流火焰伴随着噪音。 4. 湍流火焰的燃烧产物内氧化氮（NO）含量少，因而对 环境的污染小。
• 由燃烧热平衡条件可知： 混合物起始温度的提高，将导 致反应温度的上升，燃烧反应 速率加快，从而使火焰传播速 度增大。
因为温度对导温系数a和对速 度的影响差不多，因此温度对 火焰厚度的影响不大。
火焰厚度与导温系数成正比，与 层流火焰传播速度成反比。
第四章 燃气燃烧的火焰传播火焰的传播方式法向火焰传播速度的测
（2）激光测速法
激光测速的基本原理是利用光学多普勒效应， 当一束激光照射到流体中跟随一起运动的微粒上时， 激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射 光的频率相比较，就会产生一个与微粒运动速度成 正比的频率偏移。如果测得频率偏移，就可换算成 速度。因为微粒速度与流体速度相同，所以即可得 到流场中某一测点的流速。
第一节 火焰的传播方式
火焰的传播有三种形式： ✓ 正常的火焰传播 ✓ 爆炸 ✓ 爆燃
正常的火焰传播
❖ 正常的火焰传播指的是仅由于热作用，高 温焰面将热量传给未燃气体，并使其着火燃 烧的火焰传播过程。
容器 已燃气
火焰前锋
O·
未燃气
火焰前锋厚度一般约为10-3m
爆炸
❖ 物质由一种状态迅速转变成另一种状态， 并在瞬间以声、光、热、机械功等形式放出 大量能量的现象叫做爆炸。
第二节 火焰传播速度及测定
❖ 燃气作正常燃烧时，这种静止的可燃气体焰 面的移动过程就是火焰的传播过程，也称燃烧 过程；焰面移动的速度叫燃烧速度，又称火焰 传播速度。垂直于燃烧焰面的火焰传播速度称 为法向火焰传播速度。
火焰传播速度的测定方法：
困难一：不容易获得一个稳定的平面火焰 困难二：确定火焰前沿
表4-1 燃气与空气混合物的最大燃烧速度
(二)皂泡法
❖ 将可燃混合气注入皂泡中，再点燃中心部分的 混合气，不同时间间隔出现半径不同的球状焰。 用光学方法测量皂泡起始半径R0和膨胀后的半径 RB，以及相应焰面之间的时间间隔，即可计算得 火焰传播速度。
（4－15）
(三)球形炸弹法
❖ 球弹中可燃混合气点燃后火焰扩散时其内部压力 逐步升高。根据记录的压力变化和球状焰面的尺寸， 可算得火焰传播速度。
四、压力的影响
火焰传播速度的通俗讲解
火焰传播速度的通俗讲解一、火焰传播速度1. 定义：火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度。
火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋在空间的移动速度（360百科）的燃烧速度。
2. 解释：其实将火焰传播速度，限定在未燃可燃混合气太局限了，把其定义为火焰在燃烧物表面移动速度（定义2），就容易理解的多。
如图：现在换一种物质很明显燃烧物不同，火焰的的传播速度不同，同样草坪的干湿、荗密程度也会影响到火焰的传播速度，有哪些因素影响火焰传播速度，有关这些我们留待后面再谈，我们现在的着重点是准确的理解火焰传播速度这个概念，我们讨论了处于静态的可燃物的火焰传播速度，现在我们看下处于运动中的可燃物的火焰传播速度：如图，有一股流动着燃气流（也可是我们的煤粉流）m，我们先假设它相对静止，注意仅仅是假设，当我们在这股气流的端点用明火点燃，燃气流m1经过2秒达到B处，如果AB距离是3米，我们就说火焰传播速度是1.5米/秒，燃汽流m2经过2秒到达C处，如AC间的距离是4.80米，我们就说它的火焰传播速度是2.4米/秒。
很明显，因为燃气流总是流动的，而且流速是可变的多样的，我们的燃汽流不动只是为使这个概念更加直观，那么处在流动中的燃汽又有什么变化？我们假设燃汽流以2米/秒同样的速度向前移动，当燃烧经过2秒，燃气流m1的B点的介质实际上到达了B1的位置，而且燃气流m2的c点只到达c1点的位置，B1和C1是火焰的实际位置。
很明显m1燃气流经过2秒的燃烧，火焰前锋从A处，进到了B1处，前移了1米，而m2燃气流的火焰前锋则落到C1处，落后了0.8米，这就是说如果燃料的流动速度高于将使火焰不断前移，最后的结果是熄火；如果燃料的流动速度低于火焰传播速度，将形成回火。
【品味一下气割的割枪和气体打火机的的现象】，【燃烧稳定的条件是：火焰的传播速度等于燃料的流动速度】，有关进一步的原因，我们后面再说，现在我们的主要任务是通过一个动静结合的演示，进步牢固在燃料速度与火焰传播速度不一致时，火焰确实会出现向前或向后移动。
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燃气燃烧的火焰传播的基本概
念(新版)
Safety management is an important part of production management. Safety and production are in
the implementation process
燃气燃烧的火焰传播的基本概念(新版)
一切可燃混合气的正常燃烧过程，都是由着火和燃烧两个阶段所组成。
可燃混合气在某一个区域点燃之后，为保持其连续燃烧，应使火焰从这个区域传播开去，所以研究燃气燃烧的火焰传播，实际上是讨论火焰在可燃混合气中不断传播的过程，讨论火焰传播现象的产生、发展和传播条件以及影响火焰传播的各种因素。
火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性之一，它不仅对火焰的稳定性和燃气的互换性有很大影响，而且对燃气燃烧方法的选择、燃烧器的设计和燃气的安全使用等，均有重要的实际意义。
1.火焰的传播
在工程实际中，一般都用点火的方法使燃气和空气混合物着火。
因此当点火使可燃混合气某一局部着火时，在着火处就形成一层极薄的火焰面。
在这层火焰面内燃烧化学反应产生很高的温度，并在其边界上形成较大的温度梯度，从而产生了强烈的热量和质量交换，
使邻近较冷的新鲜可燃混合气层温度升高，当达到着火温度时，就着火燃烧，形成新的火焰面，这样一层一层地，使每层气体都相继经历加热、着火和燃烧的过程，把燃烧扩展到整个混合气体中去，这种现象称为火焰的传播。
2．焰面
未燃气体与燃烧产物的分界面称为焰面或燃烧前沿面、火焰前锋面。
实验表明，化学反应不是在整个混合气体内同时发生，而是集中在这薄薄的一层，厚度为几百甚至几十微米的火焰面内，并逐层进行。
3．火焰传播方式
火焰传播的方式有两大类，正常火焰传播或非正常火焰传播。
正常火焰传播，仅仅是由于传热和传质的作用，炽热的焰面将热量传给邻近的未燃混合气体层，使其着火燃烧，并一层层依次将火焰传播到整个可燃混合气。
根据气体流动状态，正常火焰传播可分为：静止状态、层流状态、紊流状态下的正常火焰传播。
它们均属于等压条件下的稳态燃烧，其火焰传播速度，即火焰焰面向前移
动的速度S，通常从每秒不足1米至每秒数米、数十米，一般工业炉燃烧室中的燃烧传播，都属于此类型。
非正常火焰传播，发生在不等压条件下，通常有两种情况。
一是爆炸，发生在均相(或非均相)的燃料／空气混合物密闭容器内。
或者是由于外界加热，使整个容积达到着火温度，使容器内的可燃混合物同时瞬间反应，伴随着系统压力急速增加；或者是密闭容器内可燃混合物局部着火时，由于燃烧反应传热和高温燃烧产物的热膨胀，引起压力急剧增加，压缩未燃的可燃混合物，使它们处于绝热压缩状态。
当未燃气体达到着火温度时，容器内的全部可燃混合物将在瞬间完全反应，伴随着容器内的压力猛烈增大，也就发生了爆炸。
另外一种非正常火焰传播为爆震，发生在管状容器中。
当在短管中燃烧可燃混合气时，从开口端点火，燃烧过程在恒压条件下进行，属于正常火焰传播；如果在长管中燃烧，火焰传播开始是按与短管条件类似的机理进行，但很快，在长度等于管径的5～10倍以后，反应便明显开始加速。
很快形成一种速度很大的压力波，或爆
震波，使火焰传播速度变得很大(可达每秒数千米)，这就是爆震，或称爆燃。
爆震波的产生，是由于后面的可燃混合气部分燃烧之后，使前面未燃混合气体发生了绝热压缩，并使火焰以压力波的形式传播。
常见燃气同氧的混合物，在化学计量浓度时，爆震波的速度和压力如表3—4—1。
表3-4-1常见燃气同氧的混合气发生爆震波的速度和压力(化学计量浓度时)
燃气
爆震波速度/m·s-1
爆震波压力/MPa
CO
1930
2.1
H2
2821
2.0
CH4
2322
3.1
C2
H4
2450
3.4
爆震波的温度可高达6000K，其破坏力比爆炸更大。
在工业与民用设备中的燃气燃烧过程，都属于正常火焰传播，因此爆炸与爆震都不属本课程研究的范围。
4．燃烧室中火焰焰面的位置
燃气在燃烧室空间的实际燃烧过程是可燃混合气连续流动，并要求火焰的中心位置稳定在燃烧室中，这就要求燃烧前沿面注定而不移动。
这一状态是依靠气流速度与火焰传播速度之间的相对平衡来实现的。
设有一平面火焰焰面，在一迎面而来的速度为。
且沿断面均匀分布的可燃混合气流中作正常传播，火焰传播速度为s，焰面正好与气流速度方向垂直，则w与s之间的平衡关系决定了燃烧前沿面在燃烧室中的位置，如图3-4-1
图(a)｜s｜=｜w｜，燃烧前沿面便注定在燃烧室的某一位置；图(b)｜s｜>｜w｜，燃烧前沿面向新鲜可燃混合气流上游移动(往左)，则出现回火；图(c)｜s]<｜w｜，燃烧前沿面向气流下游燃烧产物方向移动(往右)，则出现脱火或吹熄。
5．正常火焰传播时的火焰传播速度
对正常火焰传播过程，其火焰传播速度根据混合气流的状态不同，又有多种表示。
在静止或层流状态下，焰面呈平面，燃烧传播速度分布沿断面是均匀的，其方向沿断面的法线方向。
这时的燃烧传播速度称层流火焰传播速度或法向火焰传播速度sn
，m/s。
它的物理意义为，单位时间内，在单位火焰面积上，所燃烧的可燃混合气体积：在紊流状态下，焰面将发生曲折和紊乱，此时燃烧前沿的传播速度，称为紊流火焰传播速度st。
图3-4-1在等速流动可燃混合气中的火焰传播
虽然在实际燃烧装置中，火焰都是在紊流气流中传播；但是由于层流火焰的传播速度是可燃预混气体的基本物理化学特性参数，且与紊流中火焰的传播速度密切相关，它是了解紊流火焰传播的基础，也是探求燃烧过程机理的基础，因此有必要先讨论层流火焰传播速度。
云博创意设计
MzYunBo Creative Design Co., Ltd.。