第三节 扩散火焰与预混火焰.
冉景煜版 工程燃烧学--第 07 章
提高热效率。
6
重庆大学能源与环境研究所
Institute of Energy & Environment, Chongqing University
（三）部分预混式燃烧特征
1. 部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分空气在 喷出喷口前，在燃烧器中预先混合（一次空气系数一般为 0.5～0.6），在喷口外再和燃烧所需的其余二次空气逐步
所以在火焰锥体的内部，可燃气体混合物得到一定程度的
预热，这样在喷管中心线上流动的混合物的预热程度较其 他部分混合物高，所以在喷管中心线上应具有最大的火焰 传播速度。 (2)活化中心从火焰的反应区向火焰锥体的内部进行扩散， 这样在喷管中心轴线上所获得的活化中心亦较其他部分为 多，所以促使在中心轴线上的正常火焰传播速度为最大。
第一节 概述
气体的燃烧过程
扩散式燃烧火焰
部分预混式燃烧火焰 完全预混式燃烧火焰
热能与动力工程系
重庆大学能源与环境研究所
Institute of Energy & Environment, Chongqing University
任何一种气体的燃烧过程基本上都包括以下三个阶段：1）可燃
气体与空气的混合；2）混合后的可燃气体的加热和着火；3）完成燃烧 化学反应。
三、同轴伴随流射流扩散燃烧特性
1.扩散燃烧火焰形状 气体可燃物及空气分别在管径 为R1的内管和管径为R2的外管
中作层流流动，内、外管系同
心的；
管径为R2的外管一方面可看为 供给空气的“炉膛”，另一方 面它限制了火焰向外扩散。
扩散燃烧火焰形状 1－空气过剩时；2－可燃气体过剩时
20
重庆大学能源与环境研究所
燃烧学--高等内燃机
教材: 内燃机燃烧科学与技术，自编教材，2004年4月。
教材中的第1、3、4、5、6、7、11、12、15章参考文献：(1) 蒋德明著。
内燃机燃烧与排放学。
西安交通大学出版社，2001.7(2) 傅维镳等。
燃烧学。
高等教育出版社，1989.4(3) 张平编著。
燃烧诊断学。
兵器工业出版社，1988.12(4) 徐旭常等编。
燃烧理论与燃烧设备。
清华大学热能工程系，1988.10(5) 何学良等编著。
内燃机燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
TK407.9/2(6) 龚允怡编。
内燃机燃烧基础。
机械工业出版社，1989。
TK401/16(7) 陈家骅等编。
内燃机燃烧。
哈尔滨船舶工程学院出版社，1986。
TK413.2/2(8) 陈义良等编译。
燃烧原理。
航空工业出版社，1992。
TK16/17(9) 常弘哲等编。
燃料与燃烧。
上海交通大学出版社，1993。
(10) 魏道远主编。
内燃机燃烧与排放控制。
中国铁道出版社，1992。
TK401/19(11) 魏象仪编。
内燃机燃烧学。
大连理工大学出版社，1992。
TK401/20(12) 解茂昭著。
内燃机计算燃烧学，大连理工大学出版社，1995.12(13) 岑可法著。
高等燃烧学，浙江大学出版社，2002.12北京理工大学图书馆馆藏参考文献：(1) 许晋源等。
燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
TK16/4=2(2) (美)威廉斯著。
燃烧理论－化学反应流动系统的基础理论。
科学出版社，1990.6。
0643.2/2=2(3) 何学良等编著。
内燃机燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
TK407.9/2(4) 张斌全编著。
燃烧基础理论。
北京航空航天大学出版社，1990.8。
0643.2/16(5) 周力行著。
湍流两相流动与燃烧的数值模拟。
清华大学出版社，1991。
TK121/5(6) 芩可法等编。
燃烧流体力学。
水利电力出版社，1991。
TK16/14(7) (美)肯尼斯著。
第4章汽油机燃烧过程
3.
▪
▪
▪
▪
评价参数
与气缸压力有关的参数。
与燃烧参数有关的参数
与火焰前锋位置相关的参数。
与排放有关的参数
4.
产生原因
▪
▪
燃烧过程中气缸内气体运动状态的循环变动。
每循环气缸内的混合气成分变动。
第二十四页，编辑于星期五：二十一点 三十九
分。
第三节 汽油机循环燃烧变动
5.
降低措施
▪
多点点火
▪
组织进气涡流，能增加燃烧速率，减少循环变动。
1.
预混燃烧：混合过程比燃烧反应要快得多，或火焰
到达之前，燃料与空气已经充分混合，这种可燃混
合气燃烧称之为预混燃烧。
2.
扩散燃烧：混合过程控制了燃烧速率，主要特征是燃烧
速率取决于使燃料和氧化剂达到适宜进行化学反应所需
要的扩散速率。
第三页，编辑于星期五：二十一点 三十九分。
第一节 汽油机燃烧过程分析
2、湍流火焰速率
湍流作用：
1）大标度的湍流将使火焰前锋面发生扭曲，除使其面积增
大外，还可以使火焰前锋分裂成许多燃烧中心，导致火
焰速率大大增加；
2）小标尺的湍流也可大大增加火焰面中分子与新鲜混合气中
的分子的相互渗透，使燃烧速率增加。
ST=SLFSR
式中：
FSR—火焰速率比
第九页，编辑于星期五：二十一点 三十九分。
HC，包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部
分氧化产物。
3.
NOx，内燃机排放的氮氧化物绝大部分是NO，少量是NO2
，一般用表示NOx 。
4.
微粒，排气中的微粒是指经空气稀释、温度降到52℃后用涂有聚
《燃烧学讲义》课件
能量转化
燃烧反应中的能量转化过程，包 括焓变、内能变化等，解释能量 转化的关键概念。
平衡态与非平衡态
燃烧反应中的平衡态和非平衡态 的概念以及相互转化的条件和特 点。
爆炸理论
深入研究爆炸反应的机理和特性，包括爆轰波的传播、爆炸温度和压力等关键概念的介绍。
1
爆炸理论概述
简要介绍爆炸反应的基本原理和定义，
《燃烧学讲义》PPT课件
燃烧学是研究燃烧及相关现象的学科，涉及热力学、化学动力学、流体力学 等多个领域。本课件将带你深入了解燃烧学的基础知识和应用。
燃烧学介绍
详细介绍燃烧学的概念、研究对象以及与其他学科的关系，帮助大家理解燃烧学的重要性和应用 价值。
研究领域广泛
燃烧学涵盖化学、物理、力学等多个学科领域，与许多实际问题密切相关。
预混火焰
探讨预混火焰的形成和特性， 分析混合气浓度对火焰传播速 度的影响。
燃烧极限
介绍燃烧极限概念和测定方法， 以及燃料和氧气浓度对燃烧的 影响。
火焰传递和统计理论
研究火焰的传递规律和统计性质，探讨火焰在不同条件下的行为和特点。
1 火焰传播机制
解释火焰传播的基本机制和影响因素，从微观和宏观层面进行讨论。
燃烧反应机理
了解不同物质的燃烧反应机理，对于安全控制、能源利用等方面都有重要意义。
燃烧产品分析
通过燃烧产物分析，可以得到有关燃料的详细信息，对环境保护和排放控制有重要作用。
热力学基础知识
介绍燃烧反应过程中涉及的热力学基本概念和定律，为后续的研究和理解提供必要的理论基础。
熵的概念
深入探讨熵的含义和作用，解释 燃烧过程中熵变的重要性。
爆轰波的形成
2
为后续的内容打下基础。
第三节鼓风式扩散式燃烧器
配置自动比例调节装置。
一、鼓风式扩散燃烧器的结构
主要构成：空气配风器、燃气分配器、火孔 结构形式:套管式、旋流式、平流式
单管式套管燃烧器
群管式套管燃烧器
导流叶片式旋流燃烧器
1—节流圈 2—导流叶片 3—燃气喷孔 4—火孔
hmax 1
0.8(h2m a x
D2 )
0.8(1.375 0.75)h2
0.18
h1
hmax 1
1.375
0.18 1.375
0.13
4、确定燃气孔口数目
燃气射流达到穿透深度时， 其直径为：D 0.75h
sin
为防止射流重叠的射流最小间距为：
sm in
0.75h
程度。 3) 将燃气均匀地分布到空气流中。 4) 燃气和空气的流速保持一定比例。 5) 使一股或两股气流产生旋转流动。
以周边供气蜗壳式燃烧器为例的设计 步骤如下：
1、计算火孔直径Dp
根据喷头（火孔）热强计算Dp:
Fp
qp
Dp
4Fp
2、计算空气配风器的直径及 蜗壳结构比
设：（1）空气配风器的直径 等于火孔直径Dp；
（2）蜗壳结构比ab/Dp
蜗壳的结构比决定空气的旋转
程度。结构比越小，旋转程度
越大，混合越快，火焰也越短，
但阻力损失将增大，因此通常
取=0.35～0.4。
3、在空气通道的空气气流中 分配燃气射流
原则是燃气射流相互不重叠，并分配在 空气流集中的通道外侧。
燃烧学考题——精选推荐
燃烧学考题11、层流⽕焰传播速度的影响因素以及增强其传播速度的⽅式？因素：1）可燃⽓体混合物性质2）燃料分⼦结构3）混合⽓中过量空⽓系数4）可燃混合⽓压⼒5）可燃混合⽓初始温度6）可燃混合⽓中惰性⽓体增强传播速度⽅式：增⼤热扩散系数、提⾼燃烧温度、提⾼化学反应速度。
1、某⼀可燃混合物在⼀绝热燃烧室中燃烧，通过发热和散热曲线的关系，分析改变初始温度条件下，燃烧室中着⽕和熄⽕等五个状态的变化过程和临界条件（⽤图辅助说明）；分析燃烧室中预混燃烧要提⾼稳定燃烧温度和完全程度可能采取的措施？答：改变初始温度的情况下，发热和散热曲线如图所⽰，得到⼀组平⾏的散热曲线。
Q2```与Q1相切于点2，并相交于点3；Q2``与Q1相交于点5并相切于点4。
点1和点5表⽰的是低温稳定点；点2是⼀个不稳定点，只要稍微增加系统温度，反应热就会⼤于散热，反应⾃动加速转变为燃烧状态（3点），2点对应的温度即为着⽕温度；点4表⽰⼀个⾼温不稳定点，当过程稍向右移，即Q1>Q2``，系统反应便⾃动加速进⾏，当过程稍向左移，即有Q1点对应的温度为熄⽕温度。
Q2```即为临界条件。
措施2、绘图说明什么是着⽕温度和熄⽕温度？为什么熄⽕温度总是⽐着⽕温度⾼？如图所⽰，放热曲线Q1是⼀条指数曲线，散热曲线Q2接近于直线。
当Tb=Tb1（很低）时，散热线Q2'与Q1交点1为稳定平衡点，煤粉处于低温缓慢氧化状态。
当Tb=Tb2时，散热线Q2"与Q1交点2为不稳定平衡点，只要稍增加系统的温度，Q1 > Q2，反应将⾃动加速过渡到点3⾼温稳定平衡点，此时，只要保证煤粉和空⽓的不断供应，最后将稳定在⾼温燃烧状态。
点2对应的温度即为着⽕温度Tzh。
当Tb=Tb2时，强化散热，散热线Q2"'与Q1交点4为不稳定平衡点，只要反应系统温度稍降低，Q1 < Q2，反应系统温度急剧下降过渡到点5低温稳定平衡点，此时，煤粉只能产⽣缓慢地氧化，⽽不能着⽕和燃烧，从⽽使燃烧过程中⽌（熄⽕）。
第六章层流预混火焰传播
5 m2
/
s
将上述的DT和 RR 的值代入层流火焰速度公式得：
SL
=
[2( DT w f ,ur
u
____
) RR]1/2
=
[2*
5.89 * 101
5
* 107.3 ]1/ 2 * 1.16
=
0.425m
/
s
=
42.5cm
/
s
15.625+ 1
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度 火焰稳定
动力燃烧: m r r
（预混～） 混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于 Premixed～ 化学反应速度（或化学动力因素），而与混
合扩散过程关系不大。 动力－扩散燃烧: 燃烧的快慢既与化学动力因素有关，
也与混合过程有关。
二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）
将以上方程从 x xi
(式中T Ti；dT / dx dT / dx
)
xi
到 x (式中T Ti ; dT / dx 0) 积分，得
Tb
1/ 2
(dT / dx)
xi
2H R
Ti
RRdT
（6-6）
方程（6-6）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导 进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。
P
u
u
2 u
(Tb
/
Tu
)
1
碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值
第4章扩散火焰
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
燃烧学-4.预混合气燃烧及火焰传播
uz uzuz
流场中某一点总湍流强度：
u
1 3
ux2
uy2
uz2
湍流尺度(turbulent scale)
与湍流涡团大小及其变化过程有直接关系。 物理意义：涡团在无规则运动中，保持自由前进而不与其 他涡团碰撞的距离。或者说，流体涡团在运动过程中消失 前运动的距离，也可以认为是涡团的一种平均自由程。
第四章 预混合气燃烧及火焰传播
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
概述
一、预混合燃烧概念
定义
燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。
五、层流火焰传播速度影响因素分析 S lC p 2 2 2T n f!W T Q n 2 E E T f2 n 1 T T f ne x p E R T 1 f T 1
Lagrange湍流尺度： L1u0RduT
Euler湍流尺度：
L2 0 Rrdr
湍流扩散系数(turbulent diffusion coefficient)
反映了湍流传质和传热的特性。 依照分子扩散与湍流扩散的相似性，可以认为， 流体层中体积基元（涡团）的无规则运动与分子的无 规则运动相似，用下式定义湍流扩散系数：
二、层流火焰传播速度
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。