火焰法向传播速度
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
小学科学冀教版四年级下册高效课堂资料《燃烧的秘密》资料：火焰的介绍
小学科学冀教版四年级下册高效课堂资料《燃烧的秘密》资料火焰的介绍：火焰锋面在可燃混合物中的传播形成燃烧波。
燃烧波的传播有两种方式:一种为正常燃烧，是通过热量传递使未燃气体温度升高而引起燃烧，或由于活性中间物质扩散到未燃气体中引起反应而燃烧。
正常燃烧典型的火焰速度约50厘米/秒，常压下火焰厚度为数毫米，燃烧在燃烧波内完成。
通常的燃烧设备和喷气发动机内的燃烧即属此类。
另一类为爆震(又称爆轰),是靠极薄的激波传播的，波面两侧压力和温度可相差十倍，甚至更多，使可燃物在激波后的燃烧区迅速完成反应。
爆震的传播速度可达每秒2〜5千米（气体爆炸物）或8〜9千米(固体和液体爆炸物），因而具有很强的破坏力。
在正常燃烧中通常遇到的火焰有：预混火焰可燃气体和空气或氧气按化学当量比预先混合后燃烧时所形成的火焰，又称动力燃烧火焰。
化学反应局限在很窄的火焰锋面内，以一定的速度向可燃气体传播。
火焰锋面位移的法向速度称为正常火焰传播速度υn(厘米/秒），可表示为：式中、cp和ρ分别为可燃物的热导率、定压比热和密度。
可见，是仅与可燃物特性有关的常数，其数值通常在毎秒几厘米至几米的范围内。
工业上的无焰燃烧就是可燃混合物在容积不大的耐火材料制成的隧道中的燃烧，具有火焰短、燃烧强度大和高温区集中等特点。
层流火焰静止或处于层流运动的可燃混合物燃烧时形成的火焰。
它以正常速度扩展，火焰锋面光滑而明显，可燃气体在锋面各点的法向分速均等于正常火焰传播速度（见图)。
层流火焰和湍流火焰左边为长时间曝光照片右边为纹影照片上部为层流火焰下部为湍流火焰可燃混合物达到湍流工况后燃烧时所形成的火焰。
工业上应用的大都是使可燃混合物从喷嘴流出的速度达到湍流工况后燃烧所形成的火焰。
由于气流的脉动，湍流火焰锋面厚度比层流火焰大得多(见图，下左为长时间曝光照片)。
当气流脉动速度不大且脉动微团的平均尺寸小于层流火焰锋面厚度(通常为0.01 〜1.0毫米）时，称为小尺度湍流火焰(雷诺数为2300～6 000) ；这时火焰锋面呈波纹状（见图，下右纹影照片），用湍流的物性参量代人层流火焰扩展的理论公式即可求解。
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
消防燃烧学实验指导书修改分析解析.doc
实验一 燃气法向火焰传播速度（验证）一、实验目的1．火焰传播速度（又称燃烧速度）是燃气燃烧的重要特征之一。
它影响火焰的稳定性，是燃气燃烧器和燃烧设备的主要依据，也是判定燃气互换性的基本参数。
2．本实验采用本生火焰法测定燃气的法向火焰传播速度，要求掌握测定原理、测定方法，了解测定的操作过程和所需的仪器设备。
二、实验原理火焰前沿面沿其法线方向朝邻近未燃气体移动速度称作法向火焰传播速度。
法向火焰传播速度仅与可燃混合气体的物理化学性质有关，决定法向火焰传播速度值的基本量有：燃气成分、可燃混合气体的预热温度以及燃气与氧化剂混合浓度。
利用本生火焰法测定法向火焰传播速度是一种应用广泛而且较为完善的方法。
本生火焰有内焰和外焰两部分组成。
当燃烧稳定时，内焰是静止火焰的焰面，焰面上任意点的法向火焰传播速度Sn 与该点的气流速度对焰面的法向分量Vn 相等。
因此，测出Vn 即可得到Sn 。
实际上内焰并非是一个几何正锥体，焰面各点上的Sn 也并不相等。
但为了得到比较简单的计算公式，可假定焰面上Sn 值不变，内焰为几何正锥体则有： cos n n S V V φ== （1）cos φ=（2）22g a L L LV r r ππ+== （3）(1)L L L V Sn α++==（4）其中：L ：混合气体流量； h:火焰高度； r ：管口半径； Lg ：燃气流量；La：空气流量；α：一次空气系数；V：理论空气需要量三、实验仪器燃烧管：用来混合燃气和空气，并使燃气在管口处燃烧。
湿式气体流量计：2台，分别测定燃气和空气流量；空气泵：供给燃烧所需得空气；卡尺：用于测定燃烧管得管口内径；测定仪：放大倍数12X,有效工作距离1－4m，最小读数值0.02mm。
四、测量系统燃气与空气分别经过湿式气体流量计进入燃烧管，根据燃气与空气的流量以及燃气的理论空气量可以算出一次空气系数α，可调节空气阀或燃气阀得到不同得α值。
五、实验步骤1．准备工作（1）校正空气和燃气的流量计（2）按测试系统图连接仪器设备（3）进行气密性实验，打开气源阀门，关闭燃烧管上燃气阀门，要求5分钟流量计指针不动。
火焰传播和火焰稳定性
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：
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。
第4章_气体燃料燃烧
• 引入x＝0处的温度梯度, 则
λ(
dT ) = c p ρ 0v0 (T − T0 ) dx
dT ) x =0 = c p ρ 0v0 (TB − T0 ) dx
λ(
λ 1 Tr − TB v0 = c p ρ 0 δ TB − T0
一维层流燃烧室中气体工质 的温度和燃料浓度变化
• 假定在单位时间内流入燃烧区的可燃混合气完全在该 区域内进行燃烧反应，则可得
vL ∝ p m
m——刘易斯压力指数， m＝n/2－1； n ——燃烧反应级数 (1) 当vL< 0.50 m/s，n < 2，m < 0，vL 随着p 的升高而减小； (2) 当0.50 m/s < vL< 1.00 m/s，n =2，m = 0，vL 与p 的变化无关； (3) 当vL >1.00 m/s，n > 2， m > 0，vL随着p 的升高而增大。
• 预热区能量方程(略去靠近反应区的少量反应)
d dT dT (λ ) − c p ρ 0v0 =0 dx dx dx
边界条件：
在x =-∞处 T =T0
在x = 0处 T =Tb
dT =0 dx dT dT = ( ) x =0 dx dx
• 求解，得
(λ dT ) x =0 = c p ρ0 v0 (Tb − T0 ) dx
一、火焰正常传播速度的理论求解及分析
1. 用于简化近似分析的热理论 －∞< x≤0 为可燃混合气预热区 0≤x≤δ 为可燃混合气燃烧区 (δ为燃烧区的宽度) δ≤x<＋∞ 为燃烧产物区
一维层流燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化
(1) 可燃混合气在开始着火之前的温度变化规律 • 描述一维层流燃烧室系统中具有化学反应时 的导热微分方程式
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：
• • • • • • •
岑可法：P107-108 1）连续方程 2）动量方程 3）能量方程 4）状态方程 5）焓方程 6）反应热方程
雨果尼特（Hugoniot)方程
pr p0 1 1 1 ( ) ( pr p0 )( ) q 1 r 0 2 0 r
雨果尼特曲线:通过点S与代表一族解的 曲线相切有两条切线。对于不同的q可以 得到不同的曲线。图中的两条虚线为通 过S点的水平线和垂直线，两条虚线将曲 线分成了三个部分。另外切点（J和K点） 再进一步划分区域I和II。
过量空气系数的影响
• 可燃气体混合物的火焰传播速度uH将随着 过量空气系数α而改变。对于各种不同可燃 气体混合物其最大的uHmax并非处于可燃气 体混合物的过量空气系数α等于1的情况， 即混合物按化学当量的比例来混合的成份。 实验表明，其uHmax系发生在含可燃物浓度 比化学当量的比例稍大的混合物中（即α<1）
可 燃 气 体 H2 CO CH4 C2H2 C2H4 正 常 速 度 uH, m/s 1.6 0.30 0.28 1.0 0.5
火焰正常传播的理论
• 研究火焰正常传播的理论的目 的，就是为了找到层流火焰速 度uH。
火焰正常扩张的理论
• 各理论不推导公式 • 用于简化近似分析的热理论 • 捷尔道维奇等的分区近似解法 • 火焰传播的精确解法 • Tanford等的扩散理论 • 层流火焰问题的数值求解方法
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上海求育科教设备
用本生灯法测定石油液化气体火焰法向传播速度的实验
一、实验所需的器材和原理
实验台由移动式不锈钢实验台、空气泵、流量计、压力计、本生灯、液
化石油气瓶等组成，实验中我们通过本生灯发或称动力法进行测定。
QY-RQ05
实验器材本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置
首先，法向火焰传播速度我们可以理解为垂直于层流火焰前沿面方向上
火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。
我们将气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、流量计、调压阀后进入本
生灯，同时可燃气体经减压器、流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空
气预混合点燃，在理想的稳定的燃烧火焰中，混合气流的法向分速度与未燃混
合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法
线方向上的燃烧速度后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度
上海求育科教设备
图一 火焰传播速度测试原理
0sins
uu
式中：us－混合气体的流速（CM/S）；
α－火焰锥角之半。
或 022318vqurrh
式中：qv－混合气体的体积流量（L/S）；
h－火焰内锥高度（cm）；
r－喷口半径（cm）。
在我们的实验中，可燃气体即液化石油天然气的体积流量vq是用流量计
分别测定燃气与空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r可取本生
灯喷口半径；内焰锥高度h可由测高尺测量。
二、实验的操作步骤
1，检查实验所用到的器具是否完好，进行气密性实验。
2，打开电源启动气泵，调节本生灯出口大小使流速稳定，用流量计测定空气
流量。
3，打开燃气阀，点燃火焰，这时火焰会呈扩散式燃烧；慢慢开启空气泵调节
阀，送入空气。当混合气体发生完全燃烧出现火焰内锥时（即呈现完全的蓝色
火焰并且火焰面三角形清晰可见），用气量计测出燃气与空气的体积流量，测
高仪测得火焰内锥高度（从火焰底部，即喷口出口断面处到火焰顶部间的距离）。
4，多次适当增加或减少空气量，即改变一次空气系数，测出相应的火焰内锥
高度。将测得的数据填入测试表中。根据理想气体状态方程式(等温)，将燃气
和空气测量流量换算成(当地大气压下)喷管内的流量值，然后计算出混合气的
总流量，求出可燃混合气在管内的流速us，并求出燃气在混合气中的百分数。
记录室温，计算出0u值。
三、结论
通过用本生灯法测定石油液化气体火焰法向传播速度的实验，了解火焰传
播的的形式。并得出可燃混合流量与火焰传播速度的关系。