第4章扩散火焰
燃烧与爆炸学Chapter4
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4章
第4章着火（自燃与引燃）本章内容：着火的概念谢苗诺夫的热着火理论（热）自燃的着火延迟链着火理论强制着火着火范围4.1 着火的概念燃烧过程一般可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，第二阶段为着火后的燃烧阶段。
在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分子，并没有形成火焰。
在第二阶段中，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。
与连续、稳定的燃烧阶段不同，着火是一个从不燃烧到燃烧的自身演变或外界引发的过渡过程，是可燃混合物的氧化反应逐渐加速、形成火焰或爆炸的过程。
在这个过渡过程中，反应物的消耗及产物的生成尚不明显，它们之间的相互扩散的量级不大，扩散速度对此过渡过程的化学反应影响极微。
因此，着火是一个化学动力学控制的过程。
火焰的熄火过程也是一个化学反应速度控制的过程。
但与着火过程相反，它是一个从极快的燃烧化学反应到反应速度极慢，以至不能维持火焰或几乎停止化学反应的过程。
4.1.1 两种着火类型有两种使可燃混合物着火的方式：自发着火及强制着火。
自发着火有时又叫自动着火或自燃(以后统称为自燃)。
它是依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐累积热量和活化分子，从而自行加速反应，最后导致燃烧。
自燃有两个条件：1）可燃混合物应有一定的能量储蓄过程。
2）在可燃混合物的温度不断升高，以及活化分子的数量不断积累后，从不显著的反应自动转变到剧烈的反应。
有许多燃料与氧化剂在高温下迅速混合并导致自燃的例子。
例如，柴油喷到高温的压缩空气中在极短的时间内，部分地蒸发并与空气混合，在经历一定的延迟后反应便进行得非常快而着火燃烧；在冲压式喷气发动机及涡轮喷气发动机中燃料喷雾在加力燃烧器中的着火；汽油机中的爆震等。
强制着火是靠外加的热源（外部点火源）向混合物中的局部地方加入能量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地方的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后火焰向可燃混合物的其他部分传播，导致全部可燃混合物燃烧。
热动燃烧学第06章 扩散火焰
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
第四章 燃气燃烧方法
天然气和空气在多孔陶瓷板上 燃烧时的温度变化曲线
L0为小孔式火道长度
第三节 完全预混式燃烧
2、冷却法防止回火
•冷却火孔以降低火孔出口的火焰传播速度，从而防止回火。
第四节 燃烧过程的强化与完善
一、两个热强度
1. 面积热强度：指燃烧室(或火道)单位面积上在单位时间内
通常碳粒来不及在高温区烧完，随气流流入火焰尾部低温区,燃 烧由扩散区转为动力区(温度低造成)，此后，碳粒的燃烧可能完全中 断，未燃尽的碳粒冷却后便形成碳黑，沉积在加热表面或管壁上。
五、火焰辐射
◆ 燃气火焰辐射有两种情况：
①、不发光的透明火焰的辐射，主要为高温气体的辐射，如 CO2、H2O。
②、黄色、光亮而不透明的光焰辐射，其中火焰内的游离碳 粒子产生的固体辐射占很大比例。气体辐射仅在窄波段进 行，辐射能力弱，而发光固体颗粒辐射具有连续发射光谱 能力，辐射能力强。
四、紊流预混火焰的稳定
◆ 采用人工的稳焰方法，出发点仍为改变气流速度以及改 变传播速度。
◆常用方法：在喷口处设置一个点火源。
1. 连续作用的人工点火装置，如炽热物体，辅助火焰。如图 1 2.使炽热的燃烧产物流回火焰根部形成点火源，如采用火焰稳定器:圆棒、
V型棒、锥体、平盘、鼓形盘等。如图2
图1 用辅助火焰作点火源 1—燃烧器火孔；2—小孔；3—环形缝隙
② 火焰焰面为圆锥形，焰面以内为燃 气，焰面以外为空气，焰面处α=1，燃 烧产物浓度最大。 ③ 火焰长度与气流速度成正比，对同 一种燃气和同一燃烧器，气流速度越大， 火焰越长。 ④ 燃气流量一定时，火焰长度与气流 速度无关，仅与气体的扩散系数成反比。 扩散系数越大，火焰越短。(扩散系数即
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
第四章火焰传播与稳定的理论
qV uH SL
d u dS u
H S
通过本生灯管子断面 可燃混合物流量qv
H
SL
火焰前沿的 总表面积
火焰前沿移动的正常速度理解为在单位火焰前沿的表面上， 其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。
火焰形状简化为 锥形，喷嘴半径 为r0，高为h。
试验只需要测两 个参数：qv和h。
uH测量有误差，原因：
第四章火焰传播与稳定的理论
火焰传播的基本方式——正常火焰传播与爆燃
• 火焰传播的三种类型 • 正常火焰传播：管口处着火，火焰以低于30m/s 的速度均匀向内推进。 • 爆炸波的传播：经过管径10倍距离，产生火焰 振荡运动，或熄灭，或产生新的传播形式。 • 爆燃：火焰传播速度1000-4000m/s，性质非常 稳定的爆炸波现象。
结 果
uH
0c p (Tb T0 )
2
Tr
Tb
wqdT
Tr
2 02c 2 (Tb T0 ) 2 p
Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0
02 c 2 (Tr T0 ) 2 p
ws0 q
uH
2n ! B n 1
T0 n E 1 1 ( ) exp[ ( )] 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
同理可得从y和z方向净导入微元体的热流量分别为
t y dxdydz y y
t z dxdydz z z
于是, 在单位时间内净导入微元体的热流量为
单位时间内微元体内热源的生成热： V dxdydz 单位时间内微元内 dU c t dxdydz 导热微分 能的增加： 方程式
第 4 章 可燃气体燃烧
缓燃（正常火焰传播） 爆震（爆轰）
缓燃（正常火焰传播）
火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进 入反应区而引起化学反应，导致火焰传播
传播速度一般不大于1～3m/s
爆震（爆轰）
火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的 压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使 燃烧波不断向未燃混合气中推进。
s
层流火焰传播速度 Sl 与导温系数 a 及化学反应速度 Ws 的平方根成正比
E
又：
Ws
Kos
n
f
n s
e RTm
a K
cp
所以： Sl
E
K
T Ti
K f e n2 n RTm os
cp Ti T
24
根据 P 关系可得：
结合声速公式：
c2
RT
p
1
M
2
pP p
1
/ 1
1/ 1/
P
12 其中 M 为马赫数。
（Ⅰ） p A′
A
休贡纽曲线
M
2
pP p
1
/ 1
1/ 1/
P
瑞利曲线
Q1
代入能量方程可得：
c pTP
u
2 P
2
Q
c pT
u2 2
6
连续方程： （质量平衡）
动量方程：
PuP u m 常数
工程燃烧学复习要点
绪论、第一章1、从正负两方面论述研究燃烧的意义。
（P5）①研究如何提高燃烧效率，保证燃烧过程的稳定性和安全性，节约能源，并充分利用新能源；②如何防止抑制火灾及矿井瓦斯或具有粉尘工厂存在的爆炸危险性，减少有用燃烧过程中的工业污染问题。
2、不同的学科研究燃烧学各有什么侧重点？（P5）实验研究：对于生产中提出的燃烧技术问题主要还只能通过实验来解决。
并发展出诊断燃烧学。
理论分析：主要为各种燃烧过程的基本现象建立和提供一般性的物理概念，从物理本质上对各种影响因素做出定性分析，从而对实验研究和数据处理指出合理、正确的方向。
3、从化学观点看，燃烧反应具有的特征是什么？（物质能量总体是下降的）（P6）氧化剂和燃料的分子间进行着激烈的快速化学反应，原来的分子结构被破坏，原子的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变化，最后生成最终燃烧产物。
这一过程，物质总的热量是降低的，降低的能量大都以热和光的形式释放而形成火焰。
4、燃烧过程的外部特征是什么？①剧烈的氧化还原反应②放出大量的热③发光5、化学爆炸与火灾的关系？（PPT）1）紧密联系，相伴发生2）某些物质的火灾和爆炸具有相同的本质，都是可燃物与氧化剂的化学反应。
3）主要区别：燃烧是稳定的和连续进行的，能量的释放比较缓慢，而爆炸是瞬时完成的，可在瞬间突然释放大量能量。
4）同一物质在一种条件下可以燃烧，在另一种条件下可以爆炸。
（煤块燃烧与煤粉爆炸）5）在存放有易燃易爆物品较多的场合和某些生产过程中，可发生火灾爆炸的连锁反应，先爆炸后燃烧、先燃烧后爆炸。
6、按化学反应和物理过程之间的关系，燃烧包括哪三种类型？（P5）1）动力燃烧（动力火焰）：主要受燃烧过程中的化学动力因素所控制，如着火、爆炸；2）扩散燃烧（扩散火焰）：主要受流动、扩散和物理混合等因素控制，如液体燃料滴、碳粒、蜡烛；3）预混燃烧（预混火焰）：此时化学动力因素和物理混合因素差不多起同样重要的作用，如汽油发动机、家用煤气炉。
- 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)。
ru
(T T ) x
燃
烧
理 论
第4章 扩散燃烧
基
础
引言
第 扩散燃烧与动力燃烧
章章44
气体燃料燃烧所需的全部时间通常包括两部分： 气体燃料与空气混合所需时间和燃烧反应所需时间。
扩
ph ch
散 燃
ph ch
扩散燃烧或扩散火焰
烧 ph ch 动力燃烧或动力火焰
ph ch 扩散－动力燃烧
气体燃料扩散火焰特性
u f (r / b)
um
散
同样，当喷射流体与周围介质性质不同或温度不
燃
同时，自模段的温度场和浓度场也具有相似性，即：
烧
C C Cm C
f1(r / b)
T T Tm T
f2 (r / b)
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流
章章44
自模段的特性：
实际上，b与x成正比：
扩
u f (r / x)
散
当比混合的位置上：
燃 烧
焰面外侧：空气＋燃烧产物
焰面内侧：燃料＋燃烧产物
焰面：燃料与空气的理论浓度为零
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构 章章44 实际层流扩散火焰
扩 散 燃 烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构 章章44 湍流扩散火焰
扩 散 燃 烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构 章章44 湍流扩散火焰
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
章章44 湍流扩散火焰高度（工程计算）：
扩
xh
d0 2a
0.70(1 V 0 ) 0.29
散
燃
湍流扩散火焰高度与管径成正比，与初始速
烧
度无关
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
章章44
湍流扩散火焰理论分析：
假设：
扩
（1）忽略辐射热损失；
散
d0
Cm C 0.70 C0 C 2ax 0.29
a为实验系数，其值 为0.07～0.08
d0
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 工程应用的半经验公式：
参数分布：
扩 散
u [1 ( r )1.5 ]2
um
b
燃
T T [1 ( r )1.5 ]
T0 T
b
烧
第 扩散火焰的特点
44
➢ 扩散火焰不产生回火，但温度低
章章
➢ 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
扩 散 燃 烧
人工煤气扩散火焰人工煤气预火焰圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 射流分类
章章44
根据射流环境： 自由射流与受限射流 直流射流与旋转射流
扩
根据射流结构： 平行射流与相交射流
散
环形射流与同轴射流
第 扩散火焰分类
章章44
层流扩散火焰
扩散火焰
扩 散 燃
质量扩散以分子扩散的方式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散的方式实现
烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构（受限扩散） 章章44
扩 散 燃 烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构（自由扩散） 章章44 层流扩散火焰
火焰面必定在燃
扩 料与空气按照化学恰
（2）物性不随温度变化；
燃 烧
（3）不考虑湍流脉动与燃烧间的相互作用。
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
章章44
湍流扩散火焰理论分析：
(ru) (rv) 0
x r
扩 散
ru
u x
rv u r
T
r
(r
u ) r
燃 烧
ru f s x
rv f s r
DT
(r f s ) s r r r
与层流火焰相比，湍流扩散火焰具有如下优点：
扩 1、湍流射流扩散火焰面是皱折、波动、破裂的，不能 散 精确测量其火焰高度，且湍流射流扩散火焰高度与射
燃 流无关，仅与射流直径有关。
烧
2、湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽，并处于激烈脉动 中。其温度、速度、浓度的时间平均值分布也与层流
分布图类似。
气体燃料扩散火焰特性
燃
烧
当 0 时：
me
m0
[0.32(
0
1
)2
x d0
1]
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
44
由射流特性确定扩散燃烧特性：
章章
如湍流扩散火焰高度的工程计算：
扩
1、确定湍流扩散火焰高度，即寻找火焰锋面与轴
散
心线相交的位置
燃
2、扩散火焰面上有：
烧
1
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
44
由射流特性确定扩散燃烧特性：
章章
在射流中各点的燃料相对浓度Cf和氧化剂
浓度Ca满足 ：
扩
C f Ca C0
散 燃 烧
Cm 1 C0 Cm V 0
Cm 1 C0 V 0 1
Cm 0.70 C0 2ax 0.29
d0
（湍流自由射流）
圆形湍流自由射流扩散燃烧
燃
mx 0 u(r) 2rdr
烧
m0
4
d 02 0u0
me
mx m0
0
u(r)
2rdr
4
d
2 0
0u0
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 二、射流的吸卷及吸卷量的计算
44
经验公式：
章章
当射流出口雷诺数大于 2.5 104 及 x / d0 6
扩
mx 0.32m0 x / d0
散
me mx m0 m0 (0.32 x / d0 1)
烧
x/d0＞8~10，射流的无因次参数分布与x/d0无关。
过渡段
初始段与自模段之间，可忽略。
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 自模段的特性：
扩 散 燃 烧
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流
章章44 扩
自模段的特性：
u um f (r / r1/ 2 )
或
散
um
燃 烧
C C Cm C
f1(r / x)
T T Tm T
f2 (r / x)
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 工程应用的半经验公式：
轴线上的参数：
扩 散 燃 烧
um 0.97 u0 2ax 0.29
d0
Tm T 0.70 T0 T 2ax 0.29
燃
烧
根据射流喷嘴： 平面射流与圆形射流
根据射流流动： 层流射流与湍流射流
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44
扩 散 燃 烧
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 初始段
O－C－O为射流核心，核
扩 散 燃
心区内速度、浓度等与出 口处相同，长度约4~5d0
自模段
C C [1 ( r )1.5 ]
tg 3.40 a
C0 C
b
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 二、射流的吸卷及吸卷量的计算
44
射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，
章章 与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射
流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷
扩 或引射。
散
任意截面及出口截面上射流的质量流量为：