第六章层流预混火焰传播
5.1层流火焰传播机理和传播速度
层流火焰介绍
《航空发动机燃烧学》
西北工业大学 航空发动机燃烧学课程组
CONTENTS
- 2 -
1 燃烧分类 2 层流预混火焰 3 一维层流预混火焰的基本机理 4 一维层流预混火焰的结构 5 层流预混火焰的传播速度
1
燃烧分类
预混燃烧
Premixed combustion
- 3 -
气体燃料 和氧化剂 是否预先 混合
mw f ,u ( hR ) mc p (Ti Tu ) w f ,u ( hR ) c p (Ti Tu ) 或 hR c（ p Ti Tu） w f ,u
- 15 -
火焰面控制体
1/ 2
2hR Su DT RR u c p (Ti Tu )
3
一维层流预混火焰的基本机理
层流预混火焰热理论
- 7 -
p r
预热区
一维层流预混火焰 反应区
4
一维层流预混火焰的结构
- 8 -
Le 1
拐点Ti
一维层流预混火焰结构
绝热管，传播速度n 火焰前锋为平面，与管轴线垂直 燃烧过程中，系统压力和物质的量、 混合物的定压比热容和导热系数保 持不变，且路易斯数 。 两个区域——预热区和反应区。在 预热区内忽略化学反应的影响，在 化学反应区忽略混气本身热焓的增 加（即认为着火温度与绝热火焰温 度近似相等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向 新鲜混气的热传导。
5
层流预混火焰的传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动基本方程为：
连续方程 动量方程 能量方程
- 9 -
uu u Su m
实验二 层流预混火焰传播速度测定
实验二 层流预混火焰传播速度的测定一、实验的理论基础许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。
如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。
研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。
火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。
层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。
用S 0表示。
该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S 0。
普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。
如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。
不可避免地有热损失。
因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S 表示。
S 除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。
用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。
层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。
当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。
在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。
偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。
二、实验原理实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。
设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。
预混气的速度为u 0，火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。
5.1层流火焰传播机理和传播速度
5
层流预混火焰的传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动基本方程为：
连续方程 动量方程 能量方程
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uu u Su m
p constant
dT d dT unC p ( ) RR( H R ) dx dx dx
混气本身热焓的 变化——对流项
传导的热流 ——扩散项
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层流火焰介绍
《航空发动机燃烧学》
西北工业大学 航空发动机燃烧学课程组
CONTENTS
- 2 -
1 燃烧分类 2 层流预混火焰 3 一维层流预混火焰的基本机理 4 一维层流预混火焰的结构 5 层流预混火焰的传播速度
1
燃烧分类
预混燃烧
Premixed combustion
- 3 -
气体燃料 和氧化剂 是否预先 混合
1/2
DT Su 2( ) RR w f,u u
- 16 -
Thank you
化学反应 生热量
5
层流预混火焰的传播速度
能量方程中的边界条件如下：
- 10 -
x （未燃气体）
T Tu ,
dT / dx 0 dT / dx 0
x （平衡时已燃气体） T Tb ,
根据分区近似解法 把火焰分成预热区和反应区。
5
层流预混火焰的传播速度
在预热区，
0 nC p
5
层流预混火焰的传播速度
- 14 -
对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol，Ti略小于Tb ，于是
1 2hR Su DT u c p (Ti Tu ) Ti Tu
层流燃烧
100 xLEL 4.76 N 1 1 400 x UEL 4.76 N 4
• 例：写出乙烷在空气中的爆炸上限和下限
2C2 H6 7O2 4CO2 6H2O
第四节 爆炸极限理论及计算
• 爆炸极限的近似计算之二——完全反应浓度
第一节 层流预混燃烧火焰传播
• 火焰传播速度
• 火焰前沿：已燃区和未燃区的明显分界线，薄薄的 化学反应发光区。 • 火焰位移速度：火焰前沿在未燃混合气中相对于静 止坐标系的前进速度，其法向指向未燃气体。
dn u dt
层流火焰传播速度分析：
Tm
Ti
Ⅰ
Ⅱ
C
T
x
其主要思想为：若Ⅱ区导出的热量能使未燃混合气温 度上升至着火温度Ti，则火焰就能保持温度的传播。
则
u u m
2 2 P P 2 2
2
u
2 P P
m
2
P
u
2
m
2
代入动量方程，得
p
m
2
pP
m
2
P
P
pP p 2 2 2 2 2 m P u P u 1 1
上式即为瑞利方程， p 1 在图上是一直线， 斜率为-m2，此直线为瑞利线。在给定的初态p∞和 ρ∞情况下，过程终态pP和ρP间应满足的关系。
A B C D Q
• 当给予反应物A+B活化能E时，它们成为活化状态， 变为生成物C+D，并放出能量W，则反应热Q=W-E • 基本反应浓度n，则单位体积放出能量nW；放出的 能量作为新反应的活化能，α为活化概率，则第二批 单位体积内得到活化的分子数为αnW/E，放出的能 量为αnW2/E
层流预混火焰传播PPT共65页
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
层流预混火焰传播
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
燃烧学讲义-第6章气体燃料的燃烧
w'
uce
ut A = 1+ t uce a
ut a+ A a t … … uce ∝ … … = ∴ uce a τrj
At：湍动输运所引起的折算热扩散率
A t a时，有 ut = uce
A t （一般情况下 A t a
当
a）
A ut t ∝ Re = Re 若流体为管内流动， 若流体为管内流动，一般认为 uce a
uce
ut uce
18
一、湍流传播的理论 一、湍流传播的理论
表面燃烧理论（舍谢尔金）
火焰面是层流型的， 火焰面是层流型的 ， 湍流脉动在一定空间内使燃烧 面弯曲、皱折，乃至破裂， 小岛”状的封闭小块， 面弯曲、 皱折 ，乃至破裂， 成“小岛”状的封闭小块， 这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。 这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。
2Qwm RT 2 a 2Q a lr uce = wmdT = ∴ T −T0 λ ∫ ρCp (Tlr −T0 )2 E lr B
10
燃尽时间：τrj =
ρCp (Tlr −T0 )
wmQ
uce ∝
a
τrj
火焰锋面厚度δ及可燃混合物升温预热区厚度 火焰锋面厚度 及可燃混合物升温预热区厚度S
RT 2 S定义为 T = Tlr − lr 点做 T = 定义为在 定义为 E
2
火焰传播的形式
缓燃（ 正常传播） 缓燃 （ 正常传播 ） ：火焰锋面以导热和 对流的方式传热给可燃混合物引起的火 焰传播， 也可能有辐射（ 煤粉） 焰传播 ， 也可能有辐射 （ 煤粉 ） 。 传播 速度较低（ 速度较低（1~3m/s），传播过程稳定。 m/s） 传播过程稳定。 爆燃：绝热压缩引起的火焰传播 ， 爆燃 ：绝热压缩引起的火焰传播， 是依 靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度 升高而引起化学反应， 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。 1000m/s。
5,6章燃烧学思考题和作业题
第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。
重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。
2.预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。
2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。
3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。
4.着火感应期，着火过程的时间特征。
5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。
7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。
8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。
10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。
11.影响湍流火焰传播速度的因素。
12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。
13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。
14.工程上稳定火焰的措施。
作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。
现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。
2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。
3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。
第六讲 预混合气体火焰-1
sus f u f
动量方程
sus2 Ps f u2 Pf f
（1）
（2）
能量方程
1 2 1 us hs u 2 h f f 2 2
（3）
由式（1）得
f uf us s
or
uf
s us f
6.1.2 爆燃与缓燃-基本方程
• 将 us 代入式（2）
Pf Ps s f C f C s
s f
( Ps
C
s
)
C
f
(4)
• 瑞利方程另一种形式。
6.1.2 爆燃与缓燃-基本方程
• 产物的压力
1 Pf 与 f
成线性关系。
• 分析瑞利方程 图
• 由于
• • • •
C s2us2 < 0。（斜率）
（2）Hugoniot（雨果尼特）方程
将式（1）与能量方程耦合
1 2 1 2 s2 2 2 h f hs (us u f ) (us 2 us ) 2 2 f
s2 1 2 us (1 2 ) 2 f
2 2 2 2 1 2 f s 1 2 2 f s us ( ) us s 2 2 f 2 s2 2 f
（3）Raleigh-Hugoniot方程
分析：
Ⅳ、Ⅴ是缓燃区（正常火焰传播区）：
燃烧后气体压力要减少或接近不变，即：Pf≈Ps。
• 燃烧器(Burners) – Cook tops, water heaters, furnaces, radiant panels, oxyacetylene torches, etc
6.1.1 基本概念--研究对象