燃烧理论第四讲火焰传播理论
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燃烧与爆炸学Chapter4
PP P , PP 13 ~ 55; P PP ( 1)远大于1 P
又由于1/ρP 1/ρ ;
1/ρP (1 )远比1小得多 1/ρ
2 2 KM远大于1， 若取K 1.4， 则M 1，
u a
二、正常火焰传播与爆轰 Ⅰ
Ⅱ 爆轰区
特点： （1）燃烧后气体的压力增大 （2）燃烧后气体的密度增大
（四）混气初始温度的影响
1200
1000 800
430 oC
310 oC 190 oC 20 oC
Sl(cm/s)
600
400 200 0 10 30 50 70 90
混气初温增大， Sl增大；
氢气-温度对Sl的影响
Sl
n n K(Tm Ti )K os ρ 2 f 1e E/RTm C P (Ti T )
第二节
层流预混气中正常火焰传播速度
三、物理化学参数对层流火焰传播速度的影响 （一）可燃气与空气比值的影响 （二）可燃气分子结构的影响 （三）初始压力的影响 （四）混气初始温度的影响 （五）火焰温度的影响 （六）惰性气体的影响 （七）混气性质的影响
第二节
层流预混气中正常火焰传播速度
一、传播机理
火焰前沿
5、实际火焰传播速度的测定
uin
Sli uin ui cosθi
r ui u10 (1 2 ) R
r=0.9R处
2
θi
u10
r
R
ui
Sli 接近真实的平均火焰传播 速度
第三节
可燃气体爆炸
爆炸：物质从一种状态迅速地转变为另一种状态 （或者物质性质和成分发生根本变化）时，在瞬 间放出大量的能量，同时产生声响的现象。 化学性爆炸：物质因为发生迅速的化学反应，产 生高温、高压而引起的爆炸现象。
又由于1/ρP 1/ρ ;
1/ρP (1 )远比1小得多 1/ρ
2 2 KM远大于1， 若取K 1.4， 则M 1，
u a
二、正常火焰传播与爆轰 Ⅰ
Ⅱ 爆轰区
特点： （1）燃烧后气体的压力增大 （2）燃烧后气体的密度增大
（四）混气初始温度的影响
1200
1000 800
430 oC
310 oC 190 oC 20 oC
Sl(cm/s)
600
400 200 0 10 30 50 70 90
混气初温增大， Sl增大；
氢气-温度对Sl的影响
Sl
n n K(Tm Ti )K os ρ 2 f 1e E/RTm C P (Ti T )
第二节
层流预混气中正常火焰传播速度
三、物理化学参数对层流火焰传播速度的影响 （一）可燃气与空气比值的影响 （二）可燃气分子结构的影响 （三）初始压力的影响 （四）混气初始温度的影响 （五）火焰温度的影响 （六）惰性气体的影响 （七）混气性质的影响
第二节
层流预混气中正常火焰传播速度
一、传播机理
火焰前沿
5、实际火焰传播速度的测定
uin
Sli uin ui cosθi
r ui u10 (1 2 ) R
r=0.9R处
2
θi
u10
r
R
ui
Sli 接近真实的平均火焰传播 速度
第三节
可燃气体爆炸
爆炸：物质从一种状态迅速地转变为另一种状态 （或者物质性质和成分发生根本变化）时，在瞬 间放出大量的能量，同时产生声响的现象。 化学性爆炸：物质因为发生迅速的化学反应，产 生高温、高压而引起的爆炸现象。
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
4燃烧学_火焰传播与稳定G_程乐鸣_2015_9
u u Sl
动量方程
p Const
能量方程 扩散方程
d dx
(
dT dx
) cPu
dT dx
Qw
0
d (D dfs ) u dfs w 0
dx dx
dx
层流火焰传播方程
d dx
(
dT dx
) cPSl
dT dx
Qw
0
用于简化近似分析的热理论
• 原理：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。
火焰正常传播理论
方法
预热区
燃烧/反应区
影响规律
简化近似析热理 论
捷尔道维奇分区 近似解法
火焰传播精确解 法
Tanford等的扩散 理论
层流火焰数值求 解
0u0c p
T T0 (TB T0 )e
uH u0
a t
书78页4点
层流火焰传播的基本方程
• 对象: 一维有化学反应定常层流流动
• 方程: 连续方程
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
a uH u0 ~ t
混合物的物理常数有关
u0
( Tr TB )w c p C 0 TB T0
• (2)正常速度随着差值（TB-T0）的 减小而增加，因此如果将气体预
先加热后再送入燃烧室，则其正
T0: 可燃混合气初温
常速度能得以提高。
uH u0 ~
a t
u0
( Tr TB )w c p C 0 TB T0
T0: 可燃混合气初温 TB: 着火温度 Tr: 产物温度
小 结(续)
• (5) 考虑到导温系数中的密度与压力成一次方关 系, 且火焰传播速度与压力有以下关系:
燃烧理论第四讲火焰传播理论共39页文档
燃烧理论第四讲ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ焰传播理论
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
谢谢！
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。
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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
ch4 燃气燃烧的火焰传播
焰面移动、气流静止 焰面静止、气流反向移动
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
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
火焰传播与稳定理论打印版概要
➢ 火焰前沿各处的速度并不一 致。
➢ 火焰前沿锥体离喷嘴出口有 一段距离，并且宽度略大， 火焰速度与喷嘴直径有关， 直径越小影响越大。
➢ 可燃气体混合物中的含氧量 影响火焰锥体的形状。
火焰正常传播的理论
• 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 • 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
qw
0
预热区：ddx (
dT ) dx
cP 0u0
dT dx
(
dT dx)bcP Nhomakorabeau0 (Tb
T0 )
反应区：d
dx
(
dT dx
)
wq
0
( dT dx
)
b
2 Tr wqdT
Tb
uH
2 Tr wqdT Tb
02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
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
T T0 (TB T0 )e
燃烧区特征
➢ 将TB至Tr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
• 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。
各种理论解法的比较
影响火焰正常传播速度的主要因素 -过量空气系数的影响
➢ 火焰前沿锥体离喷嘴出口有 一段距离，并且宽度略大， 火焰速度与喷嘴直径有关， 直径越小影响越大。
➢ 可燃气体混合物中的含氧量 影响火焰锥体的形状。
火焰正常传播的理论
• 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 • 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
qw
0
预热区：ddx (
dT ) dx
cP 0u0
dT dx
(
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T0 )
反应区：d
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(
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02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
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• 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
T T0 (TB T0 )e
燃烧区特征
➢ 将TB至Tr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
• 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。
各种理论解法的比较
影响火焰正常传播速度的主要因素 -过量空气系数的影响
燃烧学 4预混合气燃烧及火焰传播
2 dx b? 2 dx ??
?
? Tf
wQ dT
Tb
? dT
dx
b?
?
2
?
Tf wQdT
Tb
(4-19)
dT dx
b?
?
?uC p ?
?Tb
?
T?
?
(4-16)
? dT
dx
b?
?
2 Tf wQdT
? Tb
(4-19)
? ? ? u ? ? u? ? ? Sl ? const
Sl ? u? ?
? 2? Tf WQdT Tb
? d 2T ? WQ ? 0
dx 2
d dx
? ??
dT dx
? ??
?
?
wQ
?
x?
x?
?? : T ? Tf
0 : T ? Tb
, dT dx
?
0
dT dx
d
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? ??
??
wQ
? dT
d
?1 ?? 2
(dT )2 dx
? ??
?
?
wQ
?
dT
? 1 ( dT )2 ? 1 ( dT )2
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳
4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷
? 燃料性质的影响
——导热系数λ，定压比 热容Cp和密度ρ
Sl ?
?
C
2 p
?
2 ?
——燃料化学结构
? 烷烃随含碳量的增加， 火焰传播速度基本不变。
?
? Tf
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Tb
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b?
?
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对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳
4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷
? 燃料性质的影响
——导热系数λ，定压比 热容Cp和密度ρ
Sl ?
?
C
2 p
?
2 ?
——燃料化学结构
? 烷烃随含碳量的增加， 火焰传播速度基本不变。
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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。
火焰层结构及温度、浓度分布
在火焰锋面上取一单位微元，对于一维带化学反应的稳定层 流流动，其基本方程为：
连续方程
动量方程
p≈常数
能量方程（微元体本身热焓的变化等于传导的热量加上化学反应生成的 热量）
对于绝热条件，火焰的边界条件为
为求定Sn(u0)，提出了一种分区近似解法，把火焰分成预热区
和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，在反应区中略 去能量方程中温度的一阶导数项。 预热区中的能量方程为
气体流量和火焰内锥高度，便可按下式求得层流火焰传播 速度
有关火焰中气流速度比较精确的测量方法简要介绍如下。
(1)颗粒示踪法 它是在可燃混合气中掺入一种既能闪光、又 不会引起化学反应的细小物质颗粒，并连续加以频闪照射 。对频闪照射的粒子进行拍摄，可据此确定气流的流线谱 。根据示踪间歇的距离和频闪速度，可以计算得颗粒在气 流中的运动速度。示踪颗粒运动是与气体质点运动同步的 ，颗粒速度即代表该处气流速度。
在湍流火焰中有许多大小不同的微团作不规则运动。如果 微团的平均尺寸小于层流火焰锋面的厚度，称为小尺度湍 流火焰；反之，则称为大尺度湍流火焰。当微团的脉动速
度大于层流火焰传播速度(u′>Sl)时，为大尺度强紊动火
焰，反之为大尺度弱紊动火焰。
关于大尺度强紊动的火焰传播机理，不同学者有不同的解 释，因而形成了湍流火焰的表面理论和容积理论。
1. 层流火焰传播速度与平均热导率的平方根成正比，与热 容的平方根成反比，因此层流火焰传播速度与气体混合 物的物理常数有关。
2. 层流火焰传播速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，若 将气体预热到Ti，则层流火焰传播速度就会趋向于无穷 大。
3. 可燃混合物的热效应及化学反应速率显著地影响着层流 火焰传播速度。
湍流火焰的传播速度比层 流时要大得多，其理由为
(1)湍流脉动使火焰变形，从 而使火焰表面积增加，但 是曲面上的传播速度仍保 持为层流火焰速度。
(2)湍流脉动增加了热量和 活化中心的传递速度，反 应速率加快，从而增大了 垂直火焰表面的实际燃烧 速度。
(3)湍流脉动加快了已燃气 和未燃气的混合，缩短混 合时间，提高燃烧速度。
正常燃烧属于稳定态燃烧，可视为等压过程；而爆振和爆 炸属不稳定态燃烧，是靠气体的膨胀来局部压缩未燃气体 而形成的冲击波。在民用燃具和燃气工业炉中，燃气的燃 烧均属于正常燃烧。
若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形
成一平整的火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播
速度相平衡，火焰面便驻定不动。这是流动可燃混合气 稳定燃烧的必要条件。
通过分析火焰传播速度公式，可以定性地了解到可燃混合 气的初温、压力、燃气浓度及热值等物理化学参数对火焰 传播速度的影响
1. 混合气比例的影响 燃气-空气混合物中，火焰传播速度与混合物内的燃气含
量化中直。燃接由气有图含关可量。见变燃，化气所的和有曲空单线气一均的燃呈混气倒合或U形比混，例合中变燃间化气最时 的大，Sn，值Sn两随也侧混随变合之小物变 直至最小值，接近于最小值的含量即为混合物着火浓度的 上限和下限。当混合物中的燃气含量低于下限或高于上限 时，由于反应释放热量不足而使火焰传播停止。 实含验量观略测高表于明化，学以计空量气比作时为出氧现化的剂。时其，原因Sn是最当大混值合是物在中燃燃气 气含量略高时，火焰中H、OH等自由基的浓度较大，链 反应的断链率较小所致。对于大多数火焰，当混合比接近 于化学计量比时，火焰燃烧速度最大，一般认为火焰温度 达到最高时，其传播速度也最大。
燃烧理论第四讲火焰传 播理论
2020年4月29日星期三
一、层流火焰传播机理
在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源 ，使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及 生成活性中心，使其相继着火燃烧。
在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而 形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活 性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、 燃烧，形成一层新的火焰。反应依次往外扩张，形成瞬时 的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为层流火焰传播速
，并认为内锥焰面上各点的Sn均相等。这样，便可测得层
流火焰传播速度的平均值，且具有足够的准确性。
当混合气出流稳定时，按连续方程有
式中 F0——燃烧器出口截面积； υm——燃气-空气混合物在燃烧器出口处的平均流速； Sn——平均层流火焰传播速度； Ff——火焰的内锥表面积。
再设内锥为一底半径是r高度为h的正锥体，只要准确测得
层流火焰传播理论 第一是热理论，它认为控制火焰传播 的主要是从反应区向未燃气体的热传导。第二是扩散理 论，认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火 焰传播的主要因素。第三是综合理论，即认为热传导和 活性中心的扩散对火焰的传播可能同等重要。大多数火 焰中，由于存在温度梯度和浓度梯度，因此传热和传质 现象交错地存在着，很难分清主次。下面介绍由泽尔多 维奇等人提出的热理论。
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ຫໍສະໝຸດ 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。
4. 可燃混合物的过剩空气系数亦将影响其层流火焰传播速
度，当α>1或α<1时都会降低层流火焰传播速度。
二、湍流火焰传播
在湍流流动时，火焰面变得混乱和曲折，形成火焰的湍流 传播。在研究湍流火焰传播时，把焰面视为一束燃气与已 燃气之间的宏观整体分界面，也称为火焰锋面。湍流火焰
传播速度也是对这个几何面来定义的，用St表示。
这种情况下，底片上留下的是倾斜的迹印，根据倾斜角可 以确定任何瞬间的火焰传播速度。
用静力法(管子法)测定Sn的仪器
1—玻璃管；2—阀门；3—火花点火器；4—装有惰性气体的容器
由于燃烧时气流的紊动，焰面通常不是一个垂直于
管子轴线的平面，而是一个曲面。设F为火焰表面 积，f为管子截面积，可得 Svf=SnF Sv>Sn。管径越大，紊动越强烈，焰面弯曲度越大， Sv与Sn的差值也越大。
其边界条件是
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)
反应区的能量方程为 其边界条件是
乘式
后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）
Ti为未知，进一步变换可得 表示在Tm～T0之间反应速率的平均值
层流火焰传播速度可看作是可燃混合物的主要特性，从 中可以得出如下定性结论：
碳氢燃料的结构对火焰传播速度也有不同的影响。由图中 曲火但在缓线焰对n慢c<可传不，4见播饱并的，速和逐范对度烃步围于几燃趋内饱乎料向，和与，于Sn烃分则一下类子火极降中焰限(很C的速值H快4度。n，除c无随这但外关些n当)，c，的结n如c约增>果C4为多，2时H7而可，60、减用c则mC小反/S3snH，左应又8并等右活下且，。化降 能不同(含碳多者活化能大)或者反应中离子(如H、O、 OH等)的扩散速度不同来解释。实验结果还表明，随着燃 料分子量的增大，火焰传播范围也越来越小。因为燃料分 子量增大，混合气总分子量也变大，使得混合气密度增大 ，由原理上分析得出的火焰传播极限值减小。
(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 。
通过火焰内锥的流线分布情况
层流火焰传播速度沿燃烧器截面 的分布
2、平面火焰法
Powling燃烧器和Mache-Hebra喷嘴可提供平面和盘状火 焰，此类火焰的面积比较容易精确测量。可燃均匀混合气 进入直径较大的圆管，通过装在管口的多孔板或蜂窝格及 整流网等，形成出口平面处速度的均匀分布。点燃混合气 ，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用 惰性气体将火焰包围，用以限定火焰面的大小。只要准确 测得火焰平面的面积和混合气流量，即可求得层流火焰传