1、點火理論的主要內容點火理論的主要內容首先使點火源附面層內氣體著火首先使點火源附面層內氣體著火存在著火焰傳播過程存在著火焰傳播過程點火溫度高于著火溫度點火溫度高于著火溫度影響燃燒室內預混氣體燃燒穩定的主要因素影響燃燒室內預混氣體燃燒穩定的主要因素初始溫度初始溫度發熱量發熱量高溫煙氣回流高溫煙氣回流散熱情況散熱情況影響擴散燃燒的穩定影響因素影響擴散燃燒的穩定影響因素混合程度混合程度燃 燒 學第第 十二講十二講 燃燃燒傳播過程燒傳播過程概述概述本章討論預混氣中火焰傳播與穩定根據氣流流動情況，預混氣中火焰傳播分為：層流火焰傳播（層流燃燒）湍流火焰傳播（湍流燃燒）要求：掌握層流火焰、湍流火焰的概念，要求

2、：掌握層流火焰、湍流火焰的概念，影響火焰、湍流火焰傳播的因素與規律；影響火焰、湍流火焰傳播的因素與規律；掌握本生燈的工作過程及其火焰穩定機掌握本生燈的工作過程及其火焰穩定機理；掌握回流區穩定火焰的機理；了解理；掌握回流區穩定火焰的機理；了解高速氣流中穩定火焰的方法。高速氣流中穩定火焰的方法。燃燒傳播過程燃燒傳播過程著著 火火燃料燃料氧化劑氧化劑充充分分混混合合溫度溫度T T增加增加燃燒燃燒穩定燃燒穩定燃燒不穩定燃燒不穩定燃燒( (爆震爆震) )燃燃燒燒傳傳播播燃燒前沿面的概念及其傳播機理燃燒前沿面的概念及其傳播機理燃燒前沿面燃燒前沿面燃燒層燃燒層傳熱傳熱預熱層預熱層燃燒層燃燒層正常燃燒的傳播正

3、常燃燒的傳播著火著火傳質傳質燃燒前沿面的概念及其傳播機理燃燒前沿面的概念及其傳播機理燃燒前沿面燃燒前沿面當一個熾熱物體或電火花將可燃混合氣的某一局部點燃當一個熾熱物體或電火花將可燃混合氣的某一局部點燃著火時，將形成一個薄層火焰面，火焰面產生的熱量將著火時，將形成一個薄層火焰面，火焰面產生的熱量將加熱臨近層的混合氣，使其溫度升高至著火燃燒。這樣加熱臨近層的混合氣，使其溫度升高至著火燃燒。這樣一層層地著火燃燒，把燃燒逐漸擴展到整個混合氣。這一層層地著火燃燒，把燃燒逐漸擴展到整個混合氣。這種現象叫做種現象叫做火焰的傳播火焰的傳播。火焰傳播的特征：火焰傳播的特征：燃燒化學反應不是在整個混合氣內同時進行

4、，燃燒化學反應不是在整個混合氣內同時進行，而是集中在火焰面內逐層進行，傳播速度大小取決于預混氣體的而是集中在火焰面內逐層進行，傳播速度大小取決于預混氣體的物理化學性質及氣體的流動狀況。物理化學性質及氣體的流動狀況。燃燒前沿面的概念及其傳播機理燃燒前沿面的概念及其傳播機理爆震爆震(1000(10004000m/s)4000m/s)正常燃燒正常燃燒(5(510)d10)d穩定、等壓燃燒穩定、等壓燃燒每秒幾米至十幾米每秒幾米至十幾米不穩定燃燒、非等壓燃燒不穩定燃燒、非等壓燃燒由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮而由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮而引起的引起的-氣體膨脹引起的壓力波氣體膨脹引起的壓力波實實際際

5、燃燃燒燒前前沿沿可燃混合物連續流動可燃混合物連續流動燃燒前沿位置燃燒前沿位置氣流速度氣流速度燃燒前沿傳播速度燃燒前沿傳播速度實際燃燒前沿實際燃燒前沿如果如果|u| |w|u| |w|，則燃燒前沿向氣流上游方向，則燃燒前沿向氣流上游方向( (向左向左) )移動移動如果如果|u| |w|u|11內錐為藍色的預混焰錐，內錐為藍色的預混焰錐，外錐為紫紅色的燃燒產外錐為紫紅色的燃燒產物火焰物火焰a a11內錐為藍色的預混焰錐，內錐為藍色的預混焰錐，外錐為黃色的擴散火焰外錐為黃色的擴散火焰燃燒前沿正常傳播速度燃燒前沿正常傳播速度本生燈測火焰傳播速度本生燈測火焰傳播速度 動力法：通過測量內錐的層流預混火焰錐

6、來測定正常傳播速度動力法：通過測量內錐的層流預混火焰錐來測定正常傳播速度維達辛斯維達辛斯基型面基型面穩定的火焰面上內錐表面各點的層流傳播速度穩定的火焰面上內錐表面各點的層流傳播速度uL與氣流速與氣流速度在焰錐表面法向分速度相等度在焰錐表面法向分速度相等22rhrquVLqV 管內可燃混合氣流量管內可燃混合氣流量r 燈口出口管半徑燈口出口管半徑h 火焰內錐的高度火焰內錐的高度燃燒前沿正常傳播速度燃燒前沿正常傳播速度本生燈用于測定層流火焰傳播速度本生燈用于測定層流火焰傳播速度 當預混可燃氣體的性質、組成以及溫度和壓力一當預混可燃氣體的性質、組成以及溫度和壓力一定時，層流火焰傳播速度為定值，與氣流流

7、動參定時，層流火焰傳播速度為定值，與氣流流動參數無關數無關燃燒前沿正常傳播速度燃燒前沿正常傳播速度假假設設條條件件火焰中心化學反應是火焰中心化學反應是分子熱活化分子熱活化的結果，火焰前沿在空間內的結果，火焰前沿在空間內的移動取決于已燃氣體與新鮮氣體之間的的移動取決于已燃氣體與新鮮氣體之間的熱傳導熱傳導，活化中心，活化中心擴散影響很小，忽略不計擴散影響很小，忽略不計燃燒是簡單反應，不是鏈鎖反應，在接近燃燒溫度下進行燃燒是簡單反應，不是鏈鎖反應，在接近燃燒溫度下進行反應物與燃燒產物均為理想氣體，溫度場與濃度場相似，質反應物與燃燒產物均為理想氣體，溫度場與濃度場相似，質量擴散系數量擴散系數D D與熱

8、量擴散系數與熱量擴散系數a a相等，定壓比熱為常數，摩相等，定壓比熱為常數，摩爾質量保持不變爾質量保持不變反應在等壓與絕熱下進行，不考慮熱擴散和損失反應在等壓與絕熱下進行，不考慮熱擴散和損失火焰前沿穩定為一靜止平面體火焰前沿穩定為一靜止平面體預混可燃氣體是一維穩定流動，忽略動能變化預混可燃氣體是一維穩定流動，忽略動能變化燃燒前沿正常傳播速度燃燒前沿正常傳播速度預熱區預熱區反應區反應區可燃混合物初始溫度為可燃混合物初始溫度為T T0 0，最終燃燒溫度為最終燃燒溫度為T TK K，反應區，反應區與預熱區交接處溫度為與預熱區交接處溫度為T TB B燃燒前沿導熱微分方程燃燒前沿導熱微分方程反應區反應區

9、dxdx單元的熱平衡關系式：單元的熱平衡關系式： 熱量收入：熱量收入：化學反應放熱：化學反應放熱：由下游由下游(x+dx)(x+dx)向該單元傳入熱量：向該單元傳入熱量：熱量支出：熱量支出：由該單元向上游由該單元向上游傳出熱量：傳出熱量：dxdx單元溫度升高單元溫度升高消耗的能量：消耗的能量：dxWqdq1dxdxdTdxddxdTdxdTdqdxx2dxdTdq3dxdxdTGcdqp44321dqdqdqdq022WqdxdTGcdxTdp可燃混合物可燃混合物的發熱量的發熱量反應反應速度速度導熱系數導熱系數質量流速質量流速平均比熱平均比熱燃燒前沿導熱微分方程燃燒前沿導熱微分方程化學反應只是

10、在溫度接近于最終燃燒溫化學反應只是在溫度接近于最終燃燒溫度的較窄范圍內進行，則度的較窄范圍內進行，則dqdq4 40 0邊界條件邊界條件T TT TB B Y YY Y1 1T TT TK K Y YY Y2 20 0022WqdxdTGcdxTdp022WqdxTddxdTdq3dxdTY0 qWdTYdYKBTTqwdTY21假設化學反應的高假設化學反應的高溫區間為溫區間為TB-TkY Y1 1為通過為通過(T=T(T=TB B) )的熱流的熱流0,0,0dxdTTTxdxdTTTxm正常傳播速度正常傳播速度通過通過(T(TT TB B)面面的熱流的熱流反應區放出的熱量反應區放出的熱量dq

11、dq4 40 0Y Y2 20 0KBTTqwdTY21quYL01KBTTLqwdTqu210正常傳播速度近似表達式正常傳播速度近似表達式KBTTLqwdTqu210qw qw 單位時間單位體積的反應釋單位時間單位體積的反應釋熱量，即單位體積的釋熱速度熱量，即單位體積的釋熱速度KBBTTTTqwdTqwdT0KKBTTTTqwdTqwdT0平均00qWTTqwdTKTTK0021TTqWcuKpL平均濃度減小正常傳播速度正常傳播速度近似表達式近似表達式正常傳播速度近似表達式正常傳播速度近似表達式0021TTqWcuKpL平均pca引入導溫系數引入導溫系數 化學反應時間化學反應時間 /1W2/

12、1)/(auL層流火焰傳播速度與導溫系數的平方根成正層流火焰傳播速度與導溫系數的平方根成正比，與平均反應時間的平方根成反比。也就是說，比，與平均反應時間的平方根成反比。也就是說，u uL L 是可燃混氣的一個物理化學常數。是可燃混氣的一個物理化學常數。 Lua火焰厚度與導溫系數成正比，火焰厚度與導溫系數成正比，與層流火焰傳播速度成反比。與層流火焰傳播速度成反比。 正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素可燃氣體混合物性質可燃氣體混合物性質濃度濃度: : u uL L=f(=f(a a), ), 存在一個存在一個u uL L0 0的濃度范圍，與著火濃度的濃度范圍，與著火濃度范圍相吻合。范圍相吻合

13、。大多可燃混合氣的大多可燃混合氣的u uLmaxLmax出現出現在在a1a1處。但是如果氧化劑處。但是如果氧化劑是空氣，則是空氣，則u uLmaxLmax出現于出現于a a略略小于小于1 1，對于碳氫燃料，對于碳氫燃料，a a約約為為0.960.96密度密度導熱系數增加，導熱系數增加，u uL L增加增加發熱量發熱量反應速度反應速度熱容熱容0021TTqWcuKpL平均正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素燃料分子結構的影響燃料分子結構的影響飽和烴的火焰傳播速度幾乎與分子中的碳原子數無關飽和烴的火焰傳播速度幾乎與分子中的碳原子數無關0021TTqWcuKpL平均不飽和烴的火焰傳播速度隨分子中

14、的碳原子數增多而減小不飽和烴的火焰傳播速度隨分子中的碳原子數增多而減小碳原子數碳原子數444， u uL L減小緩慢減小緩慢碳原子數碳原子數88， u uL L趨于極限值趨于極限值烷烯炔)()()(LLLuuu混合氣體火焰傳播速度混合氣體火焰傳播速度( (最大值最大值) )：惰性氣體存在時混合氣體火焰傳播速度：惰性氣體存在時混合氣體火焰傳播速度：同同族族可可燃燃氣氣體體的的混混合合物物p p1, 1, p p2, 2, p p3 3-各單一可燃氣體占煤氣可燃成分的百分數各單一可燃氣體占煤氣可燃成分的百分數u u1, 1, u u2, 2, u u3 3-各單一可燃氣體的火焰最大傳播速度各單一可

15、燃氣體的火焰最大傳播速度( (最大值最大值) )L L1, 1, L L2, 2, L L3 3-對應于對應于u u1, 1, u u2, 2, u u3 3的各單一氣體的濃度的各單一氣體的濃度( (百分數百分數) )0021TTqWcuKpL平均.332211333222111LpLpLpuLpuLpuLpu正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素)012. 001. 01 (22CONuu燃燒溫度燃燒溫度可燃混合氣的物理性質可燃混合氣的物理性質正常傳播速度計算一正常傳播速度計算一計算以下混合氣體的火焰傳播速度：計算以下混合氣體的火焰傳播速度：CH4C2H6C3H8 C4H10CO2N285

16、.107.502.050.64.00.75成分換算：總成分減去惰性成分可燃混合成分成分換算：總成分減去惰性成分可燃混合成分計算可燃混合成分的計算可燃混合成分的最大正常傳播速度：最大正常傳播速度：計算惰性氣體存在時混合氣體火焰正常傳播速度：計算惰性氣體存在時混合氣體火焰正常傳播速度：0021TTqWcuKpL平均.332211333222111LpLpLpuLpuLpuLpu)012. 001. 01 (22CONuu正常傳播速度計算二正常傳播速度計算二求煤氣在求煤氣在25mm25mm管道中最大火焰傳播速率：管道中最大火焰傳播速率：煤氣組成煤氣組成H2COCH4C2H4CO2O2N2組成成分組成

17、成分(%)38.7510.9123.865.718.70.31.7(uL)max(m/s)(25mm管道管道)4.831.250.671.42-L(%)38.5459.87.1-解解: :(1)100-18.7-0.3-1.7=79.22(1)100-18.7-0.3-1.7=79.22H H2 2=38.75/79.22=48.91%; CH=38.75/79.22=48.91%; CH4 4=30.12%; CO=13.73%; =30.12%; CO=13.73%; C C2 2H H4 4=7.20%=7.20%(2) (2) 利用利用(10-11)(10-11)算出可燃混合物正常火焰

18、傳播速度算出可燃混合物正常火焰傳播速度(u(uL L) )maxmax=1.75(m/s)=1.75(m/s)(3) (3) 利用利用(10-12)(10-12)算出有惰性氣體存在時的層流火焰傳播速率算出有惰性氣體存在時的層流火焰傳播速率u uL L=1.3(m/s)=1.3(m/s)0021TTqWcuKpL平均正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素富氧程度：富氧程度：氧化劑中含氧量：氧化劑中含氧量：222NOO0021TTqWcuKpL平均氧化劑中含氧量越高，正常傳播速氧化劑中含氧量越高，正常傳播速度越大，因此，采用富氧空氣或者度越大，因此，采用富氧空氣或者純氧燃燒時，可以顯著提高燃燒強

19、純氧燃燒時，可以顯著提高燃燒強度。度。正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素可燃混合物預熱到著火溫度可燃混合物預熱到著火溫度所需時間縮短所需時間縮短初始溫度增加初始溫度增加燃燒反應帶的溫度提高燃燒反應帶的溫度提高反應速度加快反應速度加快導熱系數隨溫度增加而增加導熱系數隨溫度增加而增加密度隨溫度增加減小密度隨溫度增加減小n 1.5-2.0n 1.5-2.00021TTqWcuKpL平均nLTu0因為溫度對導溫系因為溫度對導溫系數數a a和對速度的影響差和對速度的影響差不多，因此不多，因此溫度對火溫度對火焰厚度的影響不大焰厚度的影響不大。Lua正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素壓力的影響壓

20、力的影響m m 劉易斯壓力指數劉易斯壓力指數0021TTqWcuKpL平均mLpu u uL L50cm/s50cm/s，m0m0，pupuL L50cm/s u50cm/s uL L100cm/s100cm/s100cm/s，m0m0，p up uL L Lua7 . 1000TTppaabpp)/(00(b=1.0(b=1.00.75)0.75)( (m m=0=00.25)0.25)正常傳播速度影響因素正常傳播速度影響因素燃燒傳播臨界直徑燃燒傳播臨界直徑熄滅直徑熄滅直徑煙氣取樣管煙氣取樣管在強化冷卻系統中，燃燒傳播在強化冷卻系統中，燃燒傳播的速度將減小。管子直徑越小，的速度將減小。管子直

21、徑越小，相對冷卻表面積越大，而且火相對冷卻表面積越大，而且火焰傳播時活性中間產物碰壁銷焰傳播時活性中間產物碰壁銷毀的機率增大，燃燒傳播速度毀的機率增大，燃燒傳播速度將越小。管子直徑小于某一值將越小。管子直徑小于某一值時，燃燒將不能傳播，這一直時，燃燒將不能傳播，這一直徑為徑為燃燒傳播臨界直徑燃燒傳播臨界直徑或者或者熄熄滅直徑滅直徑非絕熱系統非絕熱系統( (冷卻壁冷卻壁) )下的燃燒下的燃燒傳播速度：傳播速度：紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播層流燃燒前沿傳播速度層流燃燒前沿傳播速度物理性質物理性質化學性質化學性質紊流燃燒前沿傳播速度紊流燃燒前沿傳播速度物理性質物理性質化學性質化學性質流動狀態

22、流動狀態0021TTqWcuKpL平均紊流流動時，流體內傳熱、傳紊流流動時，流體內傳熱、傳質及燃燒過程大大加強，其燃質及燃燒過程大大加強，其燃燒傳播速度遠遠大于層流燒傳播速度遠遠大于層流紊流火焰的特點紊流火焰的特點紊流燃燒前沿傳播速度紊流燃燒前沿傳播速度u uT T層流燃燒前沿傳播速度層流燃燒前沿傳播速度u uL L, ,前者為后者前者為后者的的4040140140倍。湍流火焰傳播速度不僅與燃料的物理化學性質有關，倍。湍流火焰傳播速度不僅與燃料的物理化學性質有關，而且與湍流性質有關，湍流強度增大，將使湍流火焰傳播速度增加，而且與湍流性質有關，湍流強度增大，將使湍流火焰傳播速度增加，火焰更短。火

23、焰更短。紊流火焰的反應區厚度紊流火焰的反應區厚度T T層流火焰的化學反應區層流火焰的化學反應區L L紊流火焰面紊亂、呈毛刷狀、傳播過程伴有噪聲和脈動紊流火焰面紊亂、呈毛刷狀、傳播過程伴有噪聲和脈動紊流燃燒前沿的傳播速度：紊流燃燒前紊流燃燒前沿的傳播速度：紊流燃燒前沿法向方向相對于新鮮可燃氣體運動的沿法向方向相對于新鮮可燃氣體運動的速度速度燃燒室尺寸更緊湊，加上向外散熱損失小，因此燃燒設備的經濟性燃燒室尺寸更緊湊，加上向外散熱損失小，因此燃燒設備的經濟性好。燃燒產物內氧化氮好。燃燒產物內氧化氮( (NO)NO)含量少，因而對環境的污染小。含量少，因而對環境的污染小。紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿

24、的傳播紊流傳播速度增加的原因：紊流傳播速度增加的原因：紊流使得可燃混合氣體與燃燒產物紊流使得可燃混合氣體與燃燒產物快快速混合速混合，使火焰成為均勻預混可燃混，使火焰成為均勻預混可燃混合物，溫度提高，燃燒速度加大。合物，溫度提高，燃燒速度加大。紊流流動使得火焰前沿變形、皺折，使紊流流動使得火焰前沿變形、皺折，使反應表面增大反應表面增大紊流脈動使得紊流火焰中的紊流脈動使得紊流火焰中的熱傳導速熱傳導速度和活性物質擴散速度增加度和活性物質擴散速度增加，增大了，增大了燃燒前沿法向的實際燃燒傳播速度燃燒前沿法向的實際燃燒傳播速度紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播皺折表面燃燒理論皺折表面燃燒理論皺折表面理

25、論皺折表面理論( (鄧克爾和謝爾金鄧克爾和謝爾金) )容積燃燒理論容積燃燒理論( (薩默菲爾德和謝京科夫薩默菲爾德和謝京科夫) ) 紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播皺折表面燃燒理論皺折表面燃燒理論小尺度紊流火焰小尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度弱紊流火焰大尺度弱紊流火焰大尺度強紊流火焰大尺度強紊流火焰根據微團尺寸根據微團尺寸L L和層和層流燃燒前沿厚度流燃燒前沿厚度L L比較，分為：比較，分為：LLLL紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播皺折表面燃燒理論皺折表面燃燒理論小尺度紊流火焰：小尺度紊流火焰：Re-2300Re-230060006000，微團平均尺寸微團平均尺寸L L

26、6000Re6000，微團平均尺寸，微團平均尺寸LLL L微團脈動速度微團脈動速度u u6000Re6000，微團平均尺寸，微團平均尺寸LLL L，微團脈動速度，微團脈動速度u u層流火焰傳播層流火焰傳播速度速度u uL L，前沿面呈破碎態，不再保持連續的火焰面前沿面呈破碎態，不再保持連續的火焰面)1ln(2LTuuuAuA A 實驗系數，接近于實驗系數，接近于1 1紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播皺折表面燃燒理論皺折表面燃燒理論大尺度強紊流火焰：大尺度強紊流火焰：湍流火焰傳播速度與化學動力學因素無關，只取決于脈湍流火焰傳播速度與化學動力學因素無關，只取決于脈動速度的大小。動速度的大小。湍

27、流強度很大時：湍流強度很大時： 1/LuuuuT2)/(1/LLTuuuu紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播容積燃燒理論容積燃燒理論大尺度強紊流火焰的厚度為層流火焰的幾十到一百倍，湍流大尺度強紊流火焰的厚度為層流火焰的幾十到一百倍，湍流氣團深入到寬闊的燃燒區內進行著程度不同的反應氣團深入到寬闊的燃燒區內進行著程度不同的反應-容積燃容積燃燒理論，以快速的微擴散為主。燒理論，以快速的微擴散為主。紊流燃燒前沿的傳播紊流燃燒前沿的傳播容積燃燒理論容積燃燒理論在大尺度強紊流條件下，燃燒的可燃預混氣體微團中，在大尺度強紊流條件下，燃燒的可燃預混氣體微團中，并并不不存在存在著能夠將未燃氣體和已燃氣體截然分

28、開的著能夠將未燃氣體和已燃氣體截然分開的正常火焰前沿正常火焰前沿面面，燃燒反應不僅僅局限在火焰前沿面厚度內燃燒反應不僅僅局限在火焰前沿面厚度內在每個湍動的微團中在每個湍動的微團中，不同成分和溫度的物質激烈混合不同成分和溫度的物質激烈混合，并，并進行著不同快慢程度的化學反應進行著不同快慢程度的化學反應，達到著火條件的微團整體，達到著火條件的微團整體燃燒，沒有著火的微團，則在其脈動和其它已燃微團作用下，燃燒，沒有著火的微團，則在其脈動和其它已燃微團作用下，達到著火條件而燃燒，或與其它微團結合，形成新微團達到著火條件而燃燒，或與其它微團結合，形成新微團每個微團以及同一個微團內的各個部分的脈動速度不同，各每個微團以及同一個微團內的各個部分的脈動速度不同，各部分的位移不同，部分的位移不同，火焰不能保持連續的、很薄的火焰前沿面。火焰不能保持連續的、很薄的火焰前沿面。每個湍動的每個湍動的氣團氣團內，內，溫度和濃度是均勻的溫度和濃度是均