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
实验二-层流火焰传播速度的测定实验
实验二-层流火焰传播速度的测定实验实验二层流火焰传播速度的测定实验一、预备知识1、火焰传播和化学反应燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。
例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。
最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为CO2和H2O。
总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。
这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K以上）。
因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形以及中间产物的氧化是有必要的。
当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。
通过热传导把热量引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。
我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。
为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。
在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。
火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。
贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。
实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。
如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。
如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶段不能进行。
因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极限。
电场对火焰的影响
电场对火焰的影响
电场对火焰会产生多方面的影响，以下是一些常见的影响：
1. 火焰稳定性：电场可以影响火焰的稳定性。
在某些情况下，电场可能会使火焰更加稳定，而在其他情况下，可能会导致火焰不稳定甚至熄灭。
2. 火焰形状：电场可以改变火焰的形状。
例如，在某些电场作用下，火焰可能会变得更加扁平或更加尖锐。
3. 燃烧速率：电场可能会影响燃烧速率。
一些研究表明，电场可以加速燃烧过程，使燃烧更剧烈；而在另一些情况下，电场可能会抑制燃烧。
4. 火焰传播：电场对火焰传播也可能产生影响。
它可能会改变火焰传播的速度和方向，这对于火灾预防和控制具有重要意义。
5. 气体电离：在强电场下，气体可能会发生电离，形成等离子体。
等离子体状态下的火焰可能会表现出不同的性质和行为。
6. 火焰温度：电场对火焰温度的影响较为复杂，具体情况取决于多种因素，如电场强度、火焰类型等。
一些情况下，电场可能会导致火焰温度升高，而在其他情况下，可能会使温度降低。
需要注意的是，电场对火焰的影响是一个复杂的问题，其具体效果取决于电场的强度、频率、火焰的性质、周围环境等多种因素。
在实际应用中，需要根据具体情况进行实验和研究，以确定电场对火焰的具体影响。
同时，电场对火焰的影响也在一些工业和科学领域得到了应
用，例如火焰检测、燃烧控制、等离子体技术等。
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
工程燃烧学简答题3
工程燃烧学简答题3
1.何为火焰稳定性？何谓回火？何谓脱火？工程上如何防止回火和脱火？
答：①火焰稳定性：火焰传播速度与新鲜可燃混合气的流动速度两者大小相等，方向相反。
②回火：预混可燃气体的火焰传播速度UL大于新鲜可燃混合气的流动速率W，火焰前沿位置将向新鲜可燃物的上游方向移动，则火焰向预混气体内部烧去称为回火。
回火不仅仅发生于预混可燃气体的燃烧过程中，在固体燃料如煤粉燃烧过程中，也会发生回火。
在工程上采用小孔或缩口等方法减小喷口直径、均匀喷口流速及冷却喷口等措施防止回火。
具体措施如下：可燃混合气体从烧嘴流出的速度必须大于某一临界速度，后者与煤气成分、预热温度、烧嘴口径及气流性质等有关；当空气或煤气预热时，其出口速度还应该提高；注意保证出口断面上速度的均匀分布，避免使气流受到外界的扰动；对于燃烧能力大的烧嘴，需用气冷或水冷将烧嘴头进行冷却。
③脱火：预混可燃气体的火焰传播速度U L远小于新鲜可燃混合气的流动速率W，火焰前沿位置将向燃烧产物的下游方向移动，则火焰被吹息或吹脱称为脱火。
工程上采用各种形式的气流稳焰器或组织大小适中的高温回流区、合理控制预混气体流速W、各种形式的钝体等综合措施来防止脱火。
具体措施如下：使气体的喷出速度与火焰传播速度相适应；采取措施构成强有力的点火源，如：燃烧通道突扩保证部分高温烟气回流到火焰根部；采用带涡流稳定器或带点火环的
烧；在燃烧器上安装辅助点火烧嘴或者在烧嘴前方设置起点火作用的高温砌体。
2.层流预混火焰稳定的条件？
答：层流预混火焰稳定的条件：法向稳定条件符合余弦定律ϕ
=；切向稳定条件，存在着点火圈。
cos
u
w
L。
火焰在管道中燃烧与管径的关系
火焰在管道中燃烧与管径的关系
火焰在管道中燃烧与管径的关系主要表现在以下几个方面：
1. 火焰传播速度与管径的关系：一般来说，火焰在管道中的传播速度会随着管径的增大而增大。
这是因为大管径意味着更大的流通面积和更低的流体阻力，这有利于火焰的传播。
2. 燃烧效率与管径的关系：管径的大小会影响燃烧的效率。
较小的管径可能会导致火焰传播速度减慢，增加未燃烧完全的物质，从而影响燃烧效率。
适当增加管径可以改善燃烧效率，但过大的管径可能会导致火焰失稳，同样不利于燃烧。
3. 火焰稳定性与管径的关系：合适的管径能使火焰保持稳定，既不会因为过快传播而失稳，也不会因过慢传播而熄灭。
管径的大小对维持火焰的稳定性有重要影响。
4. 热量传递与管径的关系：燃烧产生的热量会通过管道壁传递。
管径越大，热量的传导面积和效率就越高，这有助于维持火焰的稳定。
5. 燃烧产物的分布与管径的关系：增大管径可能会导致燃烧产物的分布更均匀，但这也会受到气流速度、燃料类型和氧气供应等因素的影响。
火焰在管道中燃烧与管径存在复杂的关系。
在实际应用中，需要根据具体的需求和条件选择合适的管径，以达到最佳的燃烧效果。
如需更详细的信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
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。
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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
T 350 K 时：uL uL,ref T / Tref P / Pref (1 2.1Ydil )
式中： 参考状态指： Tref 298 K、Pref 1atm
dT 2 Tm WQdT
dx C Ti
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
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： （1）参考状态：Tref 298 K、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
T0
Tm WdT Tm WdT
Ti
T0
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
Tm WQdT Q Tm WdT QW
Ti Ti T0
T0 Tm T0
火焰传播速度为：
uL
2QW
02CP2 Tm T0
dT dx
d
dx
dT dx
WQ
d 2T dx2
WQ
0
边界条件：
x ,T
Tm
,
dT dx
0; x p ,T
Ti
积分后： dT 2 Tm WQdT
dx C Ti
层流火焰传播速度uL表达式（2）
拐点处：
dT dT dx P dx C
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
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。
已燃气
未燃气 n
dn
平面火焰的传播方式
正常火焰传播速度（缓焰波）
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
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
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
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
BM
、B2、
：由燃料类型确定的常数；
M
：当量比；
Ydil：稀释剂的浓度
2.18 0.8( 1)
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
火焰前锋
燃烧产物
预混气
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。
火焰结构及其特征
火焰前锋驻定
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 获得热焓量
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
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
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。
0 0 20 40 60
1.0
0.45
3.57 -0.19
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。
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
边界条件：x ,T
T0
,
dT dx
0
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
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。