第五章火焰傳播和火焰穩定性劉雪玲天大熱能工程系研究的問題層流火焰傳播速度湍流火焰傳播速度影響火焰傳播的因素火焰穩定性問題?；鹧娣诸愵A混合火焰錐體按火焰面位置：移動火焰和駐定火焰移移動火焰基本概念層流火焰——火焰面通過熱傳導和分子擴散把熱量和活性中心提供給臨近尚未燃燒的預混氣體薄層，使火焰傳播下去。湍流火焰——火焰面的熱量和活性中心向未燃混合氣輸運是依靠流體的渦團運動來激發和強化，受流體運動狀態支配。層流火焰湍流火焰按預混氣流動狀態：層流火焰和湍流火焰火焰前沿（前鋒、波前）已燃氣新鮮混氣火焰前沿已燃的區域和未燃的區域之間形成的分界線特征尺寸極薄，可看成幾何面發光的火焰層，化學反應區火焰的傳播速度已燃氣未燃氣ndn火焰的傳播速度：火焰前鋒沿其法線方向相對于新鮮混合氣移動的速度。平面火焰的傳播方式正?；鹧鎮鞑ニ俣龋ň徰娌ǎ╊A混氣火焰前鋒燃燒產物爆震波火焰前鋒多個火焰中心電點火不正?；鹧鎮鞑ィū鸩ǎ?/p>

層流火焰傳播理論

層流火焰傳播理論分為：熱力理論:火焰傳播過程主要是由于反應區向預熱區的熱量交換的傳熱過程。擴散理論:火焰傳播過程取決于活性中心濃度的擴散過程。

實際中兩種機制同時起作用。火焰結構及其特征Cf,0T0TiTm火焰前鋒駐定u0=uLTm,Cf,0up,Tmi+x-xw火焰結構及參數分布示意圖Cf0→0火焰結構及其特征火焰前沿分兩個區：物理預熱區和化學反應區前沿厚度很小，但溫度梯度和濃度梯度很大，存在強烈的熱傳導和物質擴散火焰前沿在預混氣中移動，是由于反應區放出熱量不斷向新鮮混合氣傳遞及新鮮混合氣不斷向反應區中擴散。燃燒前沿的導熱微分方程對于絕熱條件，火焰面的邊界條件為能量微分方程為：層流火焰傳播速度uL表達式（1）在預熱區：反應速度W近似為零積分后：澤爾多維奇和弗朗克-卡門涅茨基的分區近似解邊界條件：層流火焰傳播速度uL表達式（2）在反應區：反應區溫度升高所消耗的能量近似為零積分后：邊界條件：層流火焰傳播速度uL表達式（2）拐點處：則求得傳播速度為：層流火焰傳播速度uL表達式（3）因為預熱區反應速度很小因為反應區溫度變化不大:火焰傳播速度為：層流火焰傳播速度是與預混氣的物理化學性質有關在固定火焰、穩定燃燒條件下：導入熱量獲得熱焓量火焰傳播速度宏觀角度分析：選定燃料的火焰速度計算公式

往復式內燃機和燃氣輪機在典型溫度和壓力下的經驗公式：

參考溫度下：式中：

時：燃料(cm/s)(cm/s)甲醇丙烷異辛烷RMFD-3031.11.081.131.1336.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34例題：針對下述幾種工況，對汽油－空氣混合物在下的層流火焰速度進行比較：（1）參考狀態：（2）典型的電火化點火的條件，即：（3）條件與（2）相當，但有15％的廢氣回流量。影響火焰傳播速度的因素燃料、氧化劑性質及其混合比壓力初始溫度添加劑燃料、氧化劑性質及其混合比影響燃料種類—火焰傳播速度不同是由于燃料的熱物理性質和化學反應性質不同造成。甲烷乙烷丙烷丁烷乙烯氫氣CO人工煤氣0.43～0.450.4870.4720.4530.793.45-3.570.175-0.191.0常用燃料層流時的火焰傳播速度（α=1）燃料濃度的影響火焰傳播只發生在一定濃度界限內,燃料氣過貧或過富，火焰都無法傳播。在火焰傳播濃度界限之外，傳播速度等于零。兩者都在化學恰當比濃度XFS附近達到最大火焰傳播速度。氫氣預混氣比一氧化碳預混氣的火焰傳播濃度界限要窄得多。280H2/空氣CO/O202040608010004080120160200240XfuL壓力的影響壓力對火焰傳播速度的影響取決于反應的壓力指數（n-2)/2壓力指數對uL的影響0-0.30.3201001000(n-2)/2uL初始溫度的影響初始溫度提高

實驗結果m=1.5~2

經驗公式cm/s預熱到著火的時間縮短燃燒反應帶溫度提高反應速度加快氣體導熱系數增加氣體密度減小?；鹧鎮鞑ニ俣仍龃筇砑觿┑挠绊懟钚蕴砑觿℉2）

—火焰傳播界限和火焰傳播速度隨活性添加劑濃度改變而發生明顯變化。惰性添加劑（CO2、N2、He）

—火焰傳播速度減小，火焰傳播界限縮小，火焰傳播極限向燃料濃度減小方向偏移。催化劑（鉑、鈀、銫）

—加入混合氣中對火焰傳播速度有明顯的影響。加入H2對CO預混氣uL的影響加入CH4對CO預混氣uL的影響活性添加劑H2CO%01001000040800250uLXfCH4

CO%1000010004070060uLXf惰性添加劑0.81.400.5uL(m/s)當量比0.81.400.5uL(m/s)當量比加入N2對甲烷uL的影響加入CO2對甲烷uL的影響0%N250%N258.8%N20%CO225%CO232.1%CO2催化劑的影響

CO/空氣反應中加入水蒸汽：干CO/空氣：潮濕CO/空氣：層流火焰傳播速度的測量方法肥皂泡法球彈法平面火焰法本生燈法測定方法分類

移動火焰測定法

駐定火焰測定法測定方法：肥皂泡法實際火焰傳播速度公式：其中缺點：并非所有混氣適用受水分影響實現困難移動火焰測量法球彈法火焰傳播速度優點

可測定不同壓力下、溫度下的以及高壓情況下的火焰傳播速度

只適用火焰傳播速度快的混合氣移動火焰測量法平面火焰法駐定火焰測量法使用專門的火焰燒嘴火焰傳播速度等于氣流速度測量的結果準確適用于火焰傳播速度較低的預混氣體。網格平面火焰整流網預混氣惰性氣體本生燈法平均的層流火焰傳播速度：或者

駐定火焰測定法RHLu湍流火焰傳播不同燃燒速率時湍流火焰表面窄縫燃燒湍流火焰表面層流火焰和湍流火焰的不同層流火焰湍流火焰外觀清晰，火焰層薄外觀模糊，火焰層厚長度較長長度較短火焰穩定，表面光滑火焰抖動，呈毛刷狀燃燒時較安靜燃燒時有噪聲流動面積小，粘度系數大流動面積大，粘度系數小湍流火焰傳播特點：層流火焰湍流火焰湍流使火焰面變彎曲，增大反應面積湍流加劇了熱和活性中心的輸運速率，增大燃燒速率湍流縮短混合時間，提高燃燒速率湍流燃燒，燃燒加強，反應率增大預混氣火焰傳播速度的實驗結果·Re<2300,實驗圖形，層流狀態2300<Re<6000,，小尺度湍流火焰6000<Re<18000,，大尺度湍流火焰1）鄧克爾實驗0481216Re20X10012345uT/uLRe對火焰傳播速度的影響小尺度大尺度返回3)達郎托夫經驗公式預混氣火焰傳播速度的實驗結果2）博林杰—威廉姆斯經驗公式預混氣火焰傳播速度的實驗結果湍流火焰傳播經驗公式總結：湍流火焰傳播速度影響因素：混合氣性質、濃度、初溫、初壓，流動狀態

湍流火焰傳播速度：

混合氣的物理化學性質

流動狀態（Re）湍流火焰傳播理論皺折表面理論湍流脈動——火焰面皺褶變形——燃燒反應表面積增大——燃燒速度增大——湍流火焰傳播速度增大

實質：火焰面褶皺到那里，就燃燒到那里。容積擴散理論。

湍流混合強度決定了火焰傳播速度。實質：湍流火焰傳播速度既與湍流脈動特性有關，也與可燃物特性及著火燃燒條件有關。皺折表面理論層流及湍流火焰前鋒示意圖：1）小尺度湍流火焰傳播速度模型

湍流火焰傳播速度：

混合氣的物理化學性質

流動狀態（Re）層流：湍流：湍流擴散系數（渦粘性系數）：鄧克爾用本生燈湍流火焰實驗證實了此式。皺折表面理論模型2）大尺度弱湍流火焰傳播速度模型進一步發展的小尺度湍流火焰傳播速度模型皺折表面理論模型3）大尺度強湍流火焰傳播速度模型4）達朗托夫假定氣團l0火焰速度uM=uL+u’氣團尺寸減小l火焰速度變為uL皺折表面理論模型火焰向氣團內部的傳播速度：與實驗結論相吻合。容積擴散理論微團多個新的微團強湍流脈動作用整體燃燒與其他微團結合邊混合邊反應達到著火條件沒達到著火條件湍流火焰傳播速度既與湍流脈動特性有關，也與可燃物特性及著火燃燒條件有關。湍流混合強度決定了火焰傳播速度。湍流兩種燃燒模型判據表面燃燒模型——保持了層流火焰前鋒的基本結構，燃燒表面積增大。解釋弱湍流。容積燃燒模型——混合氣微團受到脈動的沖擊，表面燃燒已不存在，而是微團整體的反應。解釋強湍流。判據K定義：大尺度弱湍流：皺褶表面理論起主要作用大尺度強湍流：容積燃燒理論起主要作用大尺度較強湍流：兩個理論都可以用火焰的穩定性火焰穩定概念：沒吹熄（脫火），沒回火；火焰區位置和體積穩定。主要內容：火焰穩定的條件穩定火焰的方法一維平面火焰穩定的條件w0=uL,火焰駐定點火w0uLuLuLw0w0<uL,產生回火w0>uL,產生吹熄（脫火）火焰穩定條件uLw0本生燈口層流火焰穩定機理本生燈火焰特點：外凸邊緣火焰穿透距離（熄火距離）徑向火焰傳播速度不同

wn0最大，uL0最大

wnr最小，uLr最小wn0uL0wnruLr圓頂凸緣wn0uL0wnruLr圓頂凸緣本生燈口層流火焰穩定機理w↑，θ↑，火焰伸長w↓，θ↓，火焰變短

米海爾松－顧己定律或余弦定律wwτwnuL理想火焰面θ

切向速度火焰微元段速度分析圓錐形火焰自動穩定機理燈壁射流邊界Rx1）管口0-0截面：外界大氣ywiuLi0w0uL01w1uL1A2w2uL2BC3w3uL3D2）1-1截面：3）2-2截面：4）3-3截面：點火熱源區分析圓錐形火焰自動穩定機理區域收縮、火焰上移D燈壁射流邊界回火區外界大氣123Rw001yxwiuLiuL0A區域拉長、火焰下移點火熱源區收縮為零，出現吹熄點火熱源區進入噴嘴內，出現回火回火和脫火的臨界條件（1）體積流量：噴嘴出口流速分布：徑向速度梯度：回火和脫火的臨界條件（2）臨界吹熄梯度GcrA臨界回火梯度GcrB臨界吹熄流量VcrA臨界回火流量VcrB火焰吹熄火焰回火回火和脫火的臨界條件（3）1）吹熄臨界極限比較陡峭脫火區火焰穩定區回火區邊界速度梯度G00.70.81.45000500102燃氣相對濃度（1/α）1.01.22)富燃料混合氣穩定燃燒的工作范圍較大CH4/AIR混氣火焰穩定特性3)化學當量比附近，混合氣最容易回火，其臨界速度梯度GcrB4)混合氣濃度確定，一固定噴嘴，回火臨界梯度是一個常數回火與脫火的臨界條件天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的回火特性曲線討論：d0

↑易回火，GcrB↑d0

↓不易回火，GcrB↓d0=constCf↓

<CfsGcrB↓d0=constGcrB↓回火Cf↑

>CfsCf

≈Cfs最易回火GcrBMax回火與脫火的臨界條件討論天然氣/空氣在不同噴嘴孔徑時的吹熄特性曲線熄火d0

↑不易吹熄，GcrA↑d0

↓易吹熄，GcrA↓d0=constCf↑GcrA↑防止回火的辦法基本方法1）噴口處的UL

↓2）混合氣在噴口處w↑具體措施：1）減小噴嘴孔徑大d0→多個小d0，GcrB↓

2）冷卻噴嘴頭部T壁↓，T混合氣↓，UL

↓3）減小混合氣的α1Cf偏離Cfs，Cf↑UL↓4）改進噴嘴結構和材料：外散熱好,內散熱不好,T混合氣↓5）保持較高的噴嘴內壓力6）采用擴散燃燒α1

＝0w↑高速混合氣流的火焰穩定穩定火焰的方法鈍體穩焰，旋轉射流或逆噴射流穩焰，值班火焰穩焰，突擴通道或偏轉射流穩焰鈍體穩焰的機理鈍體穩焰器鈍體：高速氣流中放置的非流線型物體矩形截面V型截面圓形截面穩定性好穩定性差不同截面形狀的鈍體穩焰器鈍體穩焰的機理回流區：截面上軸向速度為負值的區域環流區：回流區外側的順流區回流區環流區iiV型槽（鈍體）下游的流場火焰鈍體穩焰理論－能量理論(1)能量理論回流區熱量新鮮混合氣T0著火溫度TB吸熱回流區點火熱源提供的能量：混合氣燃燒吸收的能量：速度梯度G鈍體穩焰理論－能量理論(2)討論：表明混合氣消耗能量與提供能量之比取決于混合氣性質與燃燒反應條件Qs/Qr↑，維持火焰穩定所需要的能量↑Qs/Qr>臨界值，火焰就熄火Qs/Qr臨界值VcrA，wcrA反應級數n=2,T=const,P=const特征時間理論：鈍體穩焰理論－特征時間理論τs－新鮮混合氣在回流區外邊界停留的時間τi－新鮮混合氣點燃過程的感應期τS>τi混合氣被不斷加熱，火焰才能穩定住τS<τi或τi/τS>臨界值火