一、層流火焰?zhèn)鞑C理在工程應(yīng)用中，可燃混合物著火的方法是先引入外部熱源，使局部先行著火，然后點燃部分向未燃部分輸送熱量及生成活性中心，使其相繼著火燃燒。在可燃混合物中放入點火源點火時，產(chǎn)生局部燃燒反應(yīng)而形成點源火焰。由于反應(yīng)釋放的熱量和生成的自由基等活性中心向四周擴散傳輸，使緊挨著的一層未燃氣體著火、燃燒，形成一層新的火焰。反應(yīng)依次往外擴張，形成瞬時的球形火焰面。此火焰面的移動速度稱為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n(或稱層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐l，或正常火焰?zhèn)鞑ニ俣?，簡稱火焰?zhèn)鞑ニ俣取Ｎ慈細怏w與已燃氣體之間的分界面即為火焰鋒面，或稱火焰面。第一頁，共36頁。

靜止均勻混合氣體中的火焰?zhèn)鞑チ鞴苤械幕鹧驿h面第二頁，共36頁。取一根水平管子，一端封住，另一端敞開，管內(nèi)充滿可燃混合氣。點火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移動，由于管壁的摩擦和向外的熱量損失、氣體的粘性、熱氣體產(chǎn)生的浮力，使其成為傾斜的彎曲焰面。如果管子相當長，那么火焰鋒面在移動了大約5～10倍管徑的距離之后，便明顯開始加速，最后形成速度很高的(達每秒幾千米)高速波，這就是爆振波。如果將可燃混合物置于一個封閉的容器內(nèi)，氧化反應(yīng)釋放出的熱量會導(dǎo)致容器內(nèi)壓力上升，反應(yīng)速率越大，則壓力上升越快，壓力上升又會進一步加快反應(yīng)速率，導(dǎo)致壓力不斷升高，如果容器不能承受其壓力就會爆裂開來，這種伴隨著壓力不斷上升的燃燒現(xiàn)象稱之為爆炸。正常燃燒屬于穩(wěn)定態(tài)燃燒，可視為等壓過程；而爆振和爆炸屬不穩(wěn)定態(tài)燃燒，是靠氣體的膨脹來局部壓縮未燃氣體而形成的沖擊波。在民用燃具和燃氣工業(yè)爐中，燃氣的燃燒均屬于正常燃燒。第三頁，共36頁。若可燃混合氣在一管內(nèi)流動，其速度是均勻分布的，形成一平整的火焰鋒面。如Sn=u，則氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗥胶猓鹧婷姹泷v定不動。這是流動可燃混合氣穩(wěn)定燃燒的必要條件。層流火焰?zhèn)鞑ダ碚摰谝皇菬崂碚摚J為控制火焰?zhèn)鞑サ闹饕菑姆磻?yīng)區(qū)向未燃氣體的熱傳導(dǎo)。第二是擴散理論，認為來自反應(yīng)區(qū)的鏈載體的逆向擴散是控制層流火焰?zhèn)鞑サ闹饕蛩亍５谌蔷C合理論，即認為熱傳導(dǎo)和活性中心的擴散對火焰的傳播可能同等重要。大多數(shù)火焰中，由于存在溫度梯度和濃度梯度，因此傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象交錯地存在著，很難分清主次。下面介紹由澤爾多維奇等人提出的熱理論。

第四頁，共36頁。火焰層結(jié)構(gòu)及溫度、濃度分布第五頁，共36頁。在火焰鋒面上取一單位微元，對于一維帶化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定層流流動，其基本方程為：連續(xù)方程動量方程p≈常數(shù)能量方程（微元體本身熱焓的變化等于傳導(dǎo)的熱量加上化學(xué)反應(yīng)生成的熱量）對于絕熱條件，火焰的邊界條件為

第六頁，共36頁。為求定Sn(u0)，提出了一種分區(qū)近似解法，把火焰分成預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)。在預(yù)熱區(qū)中忽略化學(xué)反應(yīng)的影響，在反應(yīng)區(qū)中略去能量方程中溫度的一階導(dǎo)數(shù)項。預(yù)熱區(qū)中的能量方程為其邊界條件是假定Ti是預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)交界處(溫度曲線曲率變化點)的溫度，從T0到Ti進行積分，(下標“I”表示預(yù)熱區(qū))第七頁，共36頁。反應(yīng)區(qū)的能量方程為其邊界條件是乘式后積分（下標“Ⅱ”表示反應(yīng)區(qū)）第八頁，共36頁。Ti為未知，進一步變換可得

表示在Tm～T0之間反應(yīng)速率的平均值

第九頁，共36頁。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煽醋魇强扇蓟旌衔锏闹饕匦裕瑥闹锌梢缘贸鋈缦露ㄐ越Y(jié)論：層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c平均熱導(dǎo)率的平方根成正比，與熱容的平方根成反比，因此層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氣體混合物的物理常數(shù)有關(guān)。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著差值（Ti-T0）的減小而增加，若將氣體預(yù)熱到Ti，則層流火焰?zhèn)鞑ニ俣染蜁呄蛴跓o窮大。可燃混合物的熱效應(yīng)及化學(xué)反應(yīng)速率顯著地影響著層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取？扇蓟旌衔锏倪^剩空氣系數(shù)亦將影響其層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋敠?gt;1或α<1時都會降低層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取５谑摚?6頁。二、湍流火焰?zhèn)鞑ピ谕牧髁鲃訒r，火焰面變得混亂和曲折，形成火焰的湍流傳播。在研究湍流火焰?zhèn)鞑r，把焰面視為一束燃氣與已燃氣之間的宏觀整體分界面，也稱為火焰鋒面。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣纫彩菍@個幾何面來定義的，用St表示。在湍流火焰中有許多大小不同的微團作不規(guī)則運動。如果微團的平均尺寸小于層流火焰鋒面的厚度，稱為小尺度湍流火焰；反之，則稱為大尺度湍流火焰。當微團的脈動速度大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?u′>Sl)時，為大尺度強紊動火焰，反之為大尺度弱紊動火焰。關(guān)于大尺度強紊動的火焰?zhèn)鞑C理，不同學(xué)者有不同的解釋，因而形成了湍流火焰的表面理論和容積理論。第十一頁，共36頁。湍流火焰的傳播速度比層流時要大得多，其理由為(1)湍流脈動使火焰變形，從而使火焰表面積增加，但是曲面上的傳播速度仍保持為層流火焰速度。(2)湍流脈動增加了熱量和活化中心的傳遞速度，反應(yīng)速率加快，從而增大了垂直火焰表面的實際燃燒速度。(3)湍流脈動加快了已燃氣和未燃氣的混合，縮短混合時間，提高燃燒速度。湍流火焰模型(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流；(d)容積湍流燃燒

1—燃燒產(chǎn)物；2—新鮮混氣；3—部分燃盡氣體第十二頁，共36頁。三、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定層流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔荒苡镁_的理論公式來計算。通常是依靠實驗方法測得單一燃氣或混合燃氣在一定條件下的Sn值，有時也可依照經(jīng)驗公式和實驗數(shù)據(jù)計算混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?尚缺少完全符合Sn定義的測定方法。精確測量Sn的困難在于幾乎不可能得到嚴格的平面狀火焰面。測定Sn的實驗方法，一般可歸納為靜力法和動力法兩類。（一）、靜力法測定Sn1、管子法 靜力法中最直觀的方法是常用的管子法，測定時，用電影攝影機攝下火焰面移動的照片，已知膠片走動的速度和影與實物的轉(zhuǎn)換的比例，就可算出可見火焰?zhèn)鞑ニ俣萐v。在這種情況下，底片上留下的是傾斜的跡印，根據(jù)傾斜角可以確定任何瞬間的火焰?zhèn)鞑ニ俣取５谑摚?6頁。

用靜力法(管子法)測定Sn的儀器1—玻璃管；2—閥門；3—火花點火器；4—裝有惰性氣體的容器由于燃燒時氣流的紊動，焰面通常不是一個垂直于管子軸線的平面，而是一個曲面。設(shè)F為火焰表面積，f為管子截面積，可得Svf=SnFSv>Sn。管徑越大，紊動越強烈，焰面彎曲度越大，Sv與Sn的差值也越大。第十四頁，共36頁。管徑越大，管壁散熱對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懺叫。缪婷娌话l(fā)生皺曲，則隨著管徑的增大火焰?zhèn)鞑ニ俣壬仙②呄蛴跇O限值Sn。但實際上管徑增大時焰面要發(fā)生皺曲。管徑越大，焰面皺曲越烈，因而Sv值隨管徑的增加而不斷上升。當管徑小到某一極限值時，向管壁的散熱大到火焰無法傳播的程度，這時的管徑稱為臨界直徑dc。臨界直徑在工程上是有意義的，可利用孔徑小于臨界直徑值的金屬網(wǎng)制止火焰通過。圖2-22火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c管徑的關(guān)系第十五頁，共36頁。

管子法測得的可見火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃氣空氣混合物成分的關(guān)系(d=25.4mm)l—氫；2—水煤氣；3—一氧化碳；4—乙烯；5—煉焦煤氣；6—乙烷；7—甲烷；8—高壓富氧化煤氣第十六頁，共36頁。2、皂泡法將已知成分的可燃均勻混合氣注入皂泡中，再在中心用電點火化點燃中心部分的混合氣，形成的火焰面能自由傳播(氣體可自由膨脹)，在不同時間間隔出現(xiàn)半徑不同的球狀焰面。用光學(xué)方法測量皂泡起始半徑和膨脹后的半徑，以及相應(yīng)焰面之間的時間間隔。即可計算得火焰?zhèn)鞑ニ俣取＿@種方法的主要缺點是肥皂液蒸發(fā)對混合氣濕度的影響。某些碳氫燃料對皂泡膜的滲透性、皂泡球狀焰面的曲率變化以及湍流脈動等因素，都會給測定結(jié)果帶來誤差。另一種類似的方法是球形炸彈法。球彈中可燃混合氣點燃后火焰擴散時其內(nèi)部壓力逐步升高。根據(jù)記錄的壓力變化和球狀焰面的尺寸，可算得火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

第十七頁，共36頁。（二）、動力法測定Sn1、本生火焰法圖本生火焰由內(nèi)錐和外錐兩層焰面組成，內(nèi)錐面由燃氣與預(yù)先混合的空氣進行燃燒反應(yīng)而形成的，靜止的內(nèi)錐焰面說明了內(nèi)錐表面上各點的Sn(指向錐體內(nèi)部)與該點氣流的法向分速度υn是平衡的。內(nèi)錐面上每一點的速度存在以下關(guān)系。本生火焰示意圖1—內(nèi)錐面；2—外錐面第十八頁，共36頁。如氣體出口速度分布均勻，則可假定內(nèi)錐為一幾何正錐體，并認為內(nèi)錐焰面上各點的Sn均相等。這樣，便可測得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊钠骄担揖哂凶銐虻臏蚀_性。

當混合氣出流穩(wěn)定時，按連續(xù)方程有

式中F0——燃燒器出口截面積；

υm——燃氣-空氣混合物在燃燒器出口處的平均流速；

Sn——平均層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?/p>

Ff——火焰的內(nèi)錐表面積。再設(shè)內(nèi)錐為一底半徑是r高度為h的正錐體，只要準確測得氣體流量和火焰內(nèi)錐高度，便可按下式求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊谑彭摚?6頁。有關(guān)火焰中氣流速度比較精確的測量方法簡要介紹如下。(1)顆粒示蹤法它是在可燃混合氣中摻入一種既能閃光、又不會引起化學(xué)反應(yīng)的細小物質(zhì)顆粒，并連續(xù)加以頻閃照射。對頻閃照射的粒子進行拍攝，可據(jù)此確定氣流的流線譜。根據(jù)示蹤間歇的距離和頻閃速度，可以計算得顆粒在氣流中的運動速度。示蹤顆粒運動是與氣體質(zhì)點運動同步的，顆粒速度即代表該處氣流速度。(2)激光測速法激光測速的基本原理是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)。當一束激光照射到流體中跟隨一起運動的微粒上時，激光被運動著的微粒所散射，散射光的頻率和入射光的頻率相比較，就會產(chǎn)生一個與微粒運動速度成正比的頻率偏移。第二十頁，共36頁。通過火焰內(nèi)錐的流線分布情況層流火焰?zhèn)鞑ニ俣妊厝紵鹘孛娴姆植嫉诙豁摚?6頁。2、平面火焰法Powling燃燒器和Mache-Hebra噴嘴可提供平面和盤狀火焰，此類火焰的面積比較容易精確測量。可燃均勻混合氣進入直徑較大的圓管，通過裝在管口的多孔板或蜂窩格及整流網(wǎng)等，形成出口平面處速度的均勻分布。點燃混合氣，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性氣體將火焰包圍，用以限定火焰面的大小。只要準確測得火焰平面的面積和混合氣流量，即可求得層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?Sn=Lmix／Ff)。此法的優(yōu)點是火焰的發(fā)光區(qū)、濃度梯度最大處等都重疊在同一平面上，因而用不同方法測量結(jié)果是一致的。氣流速度(即火焰?zhèn)鞑ニ俣?也可用顆粒跟蹤方法或激光測速法測定。第二十二頁，共36頁。Powling燃燒器不同方法Sn測定值的比較l—錐形火焰；2—平面火焰；3—Powling火焰第二十三頁，共36頁。四、影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩赝ㄟ^分析火焰?zhèn)鞑ニ俣裙剑梢远ㄐ缘亓私獾娇扇蓟旌蠚獾某鯗亍毫Α⑷細鉂舛燃盁嶂档任锢砘瘜W(xué)參數(shù)對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?.混合氣比例的影響燃氣-空氣混合物中，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物內(nèi)的燃氣含量直接有關(guān)。燃氣和空氣的混合比例變化時，Sn

也隨之變化。由圖可見，所有單一燃氣或混合燃氣的Sn值隨混合物中燃氣含量變化的曲線均呈倒U形，中間最大，兩側(cè)變小直至最小值，接近于最小值的含量即為混合物著火濃度的上限和下限。當混合物中的燃氣含量低于下限或高于上限時，由于反應(yīng)釋放熱量不足而使火焰?zhèn)鞑ネＶ埂嶒炗^測表明，以空氣作為氧化劑時，Sn最大值是在燃氣含量略高于化學(xué)計量比時出現(xiàn)的。其原因是當混合物中燃氣含量略高時，火焰中H、OH等自由基的濃度較大，鏈反應(yīng)的斷鏈率較小所致。對于大多數(shù)火焰，當混合比接近于化學(xué)計量比時，火焰燃燒速度最大，一般認為火焰溫度達到最高時，其傳播速度也最大。第二十四頁，共36頁。燃氣-空氣混合物的Sn與燃氣含量的關(guān)系1—H22—COd—C2H44—C3H65—CH46—C2H67—C3H88—C4H109—煉焦煤氣10—發(fā)生爐煤氣第二十五頁，共36頁。2.燃氣性質(zhì)的影響火焰?zhèn)鞑ニ俣仁紫扰c燃氣的物性有關(guān)。從傳熱角度分析，氣體導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱量傳遞越快，越有利于燃燒反應(yīng)，則Sn也越大。例如H2，熱導(dǎo)率最大。碳氫燃料的結(jié)構(gòu)對火焰?zhèn)鞑ニ俣纫灿胁煌挠绊憽Ｓ蓤D中曲線可見，對于飽和烴類(CH4除外)，如C2H6、C3H8等，火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跖c分子中的nc無關(guān)，約為70cm/s左右。但對不飽和烴燃料，則火焰速度隨nc的增多而減小，并且在nc<4的范圍內(nèi)，Sn下降很快，但當nc>4時，則Sn又下降緩慢，并逐步趨向于一極限值。這些結(jié)果，可用反應(yīng)活化能不同(含碳多者活化能大)或者反應(yīng)中離子(如H、O、OH等)的擴散速度不同來解釋。實驗結(jié)果還表明，隨著燃料分子量的增大，火焰?zhèn)鞑シ秶苍絹碓叫　Ｒ驗槿剂戏肿恿吭龃螅旌蠚饪偡肿恿恳沧兇螅沟没旌蠚饷芏仍龃螅稍砩戏治龅贸龅幕鹧鎮(zhèn)鞑O限值減小。第二十六頁，共36頁。與燃料分子中碳原子數(shù)nc的關(guān)系第二十七頁，共36頁。3.溫度的影響(1)混合物初始溫度的影響由燃燒熱平衡條件可知，混合物起始溫度的提高，將導(dǎo)致反應(yīng)溫度的上升，燃燒反應(yīng)速率加快，從而使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃蟆w納實驗結(jié)果表明，火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n隨初始溫度T0的變化規(guī)律大致為

(2)火焰溫度的影響火焰溫度對Sn的影響較為復(fù)雜。溫度不太高時，Sn隨火焰溫度的增加主要表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，因而影響很大。可以認為，對Sn起決定作用的是火焰溫度。當超過2500℃時，火焰溫度的影響已不符合熱力理論了。因為在高溫下離解反應(yīng)易于進行，從而使自由基濃度大大增加。作為鏈載體的自由基(活化中心)的擴散，既促進了反應(yīng)，又增強了火焰?zhèn)鞑ァ５诙隧摚?6頁。火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c混合物初溫的關(guān)系1一水煤氣2一煉焦煤氣3一汽油增熱煤氣4一天然氣5一發(fā)生爐煤氣火焰溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?/p>

第二十九頁，共36頁。4.壓力的影響長期以來，許多實驗表明，隨著燃燒時壓力的升高而其他參數(shù)不變時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒁獪p小。由熱理論分析已知。

對大多數(shù)碳氫燃料的燃燒反應(yīng)來說，其反應(yīng)總級數(shù)均小于2。據(jù)上述比例關(guān)系式，只有n>2時，Sn才有可能隨壓力的提高而增大，否則Sn將隨壓力的上升而變小。但壓力增加時，燃燒強度明顯增大，即火焰質(zhì)量傳播速度增大。第三十頁，共36頁。5.濕度和惰性氣體的影響在單一燃氣或可燃混合氣中加入添加氣時可以增大或減小火焰?zhèn)鞑ニ俣取４蠖鄶?shù)添加氣或是改變混合氣的物理性質(zhì)(如導(dǎo)熱系數(shù))，或是起催化作用。例如，CO燃燒時加入很少量添加氣，由于反應(yīng)加快而使火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增大。圖中可以看出，當混合氣中水蒸氣含量為2.3%時，最高Sn可達52cm/s，比干氣燃燒時高出一倍多。在混合氣中以惰性氣體N2、Cl（氯）、He（氦）和CO2等代替O2，從而改變氧化劑中O2的濃度，視其含量不同對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔胁煌挠绊憽Ｒ话銇碚f，加入惰性氣體(或降低O2的濃度)，將使燃燒溫度大大下降，從而降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣取５遣煌栊詺怏w的影響可能是相互矛盾的。圖示為N2含量不同時CH4-O2混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓囊幌盗星€。第三十一頁，共36頁。CO-空氣混合氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c加入水蒸氣量的關(guān)系N2含量對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?預(yù)混氣：CH4+O2)1一1.5%N2+98.5%O2；2一20%N2+80%O2

；3一40%N2+60%O2

；4一60%N2+40%O2；5一70%N2+30%O2

；6一75%N2+25%O2

；7一79%N2+21%O2第三十二頁，共36頁。五、火焰?zhèn)鞑舛葮O限在燃氣-空氣(或氧氣)混合物中，只有當燃氣與空氣的比例在一定極限范圍之內(nèi)時，火焰才有可能傳播。若混合比例超過極限范圍，即當混合物中燃氣濃度過高或過低時，由于可燃