Transcript 第六章　火焰传播与火焰稳定

燃
料
与
燃
烧
第六章
火焰传播与火焰稳定
要求：掌握层流火焰、湍流火焰的概念，影响火
焰、湍流火焰传播的因素与规律；掌握本生灯的
工作过程及其火焰稳定机理；掌握回流区的稳定
火焰的机理；了解高速气流中稳定火焰的方法。
第 概述
六  本章讨论预混气中火焰传播与稳定
章

火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
根据气流流动情况，预混气中火焰传播分为：
层流火焰传播（层流燃烧）
湍流火焰传播（湍流燃烧）

根据反应机理及火焰传播速度可分为：
缓燃 ( deflagration)
爆震 ( detonation)
第 概述
六  缓燃与爆震的区别
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
参数
爆震
缓燃
u1/c1
5-10
0.0001~0.03
u2/u1
0.4~0.7(减速)
4~16（加速）
p2/p1
13~55（压缩）
0.98（略膨胀）
T2/T1
8~21（加热）
4~6（加热）
2 /  1
1.7~2.6
0.06~0.25
第 概述
六
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
第 概述
六
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
本章只讨论缓燃，不涉及爆震
第 第一节 层流火焰传播
六 一、火焰传播的概念
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
火焰波（燃烧波）：在充满均匀的可燃混气的容器中心
用电火花点燃时，火焰像波一样从中心向四周传播，称
为火焰波或燃烧波。
第 第一节 层流火焰传播
六 一、火焰传播的概念
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
火焰前锋：未燃气体和已燃气体的分界面即为火焰锋
面，亦称火焰前沿（前锋）。 常压条件下火焰前锋的
厚度：10-2~10-1mm
火焰传播速度：火焰前锋沿其
法线方向朝新鲜混气传播的速
度。用 ul 表示。
dn
ul 
dt
第 第一节 层流火焰传播
六 二、层流火焰的内部结构及其传播机理
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
设：u0 = ul，则火
焰锋面驻定。
将火焰锋面可分为
两部分：
   p  r
预热区P－P
反应区R－R
第 第一节 层流火焰传播
六 二、层流火焰的内部结构及其传播机理
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
层流火焰传播的机理有三种理论：
热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应
区到未燃区域的热传导
扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩
散是控制层流火焰传播的主要因素
综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火
焰传播可能有同等重要的影响
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为：
连续方程：
u   0 u 0   0 ul  m
动量方程：
P≈常数
能量方程：
dT
d
dT
 0ul C p

(
)  WQ
dx dx
dx
绝热条件下，火焰的边界条件为：
dT

x  , T  T0 , y  y 0 ,
 0

dx

dT
x  , T  Tm , y  0,
0 

dx
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
分区近似解法：
把火焰分成预热区与反应区，在预热区中忽略化
学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的
一阶导数项。
dT
d dT
预热区： 能量方程  0 u l C p
 ( )
dx
dx dx
dT
0
边界条件 x  , T  T0 ,
dx
dT
 0 u l C p (T f  T0 )   ( )
dx
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
反应区：
能量方程
边界条件
d 2T
 2  WQ  0
dx
x  0, T  T f
dT
x  , T  Tm ,
0
dx
又：
d dT
dT d dT
1 d dT 2
( )

( )
( )
dx dx
dx dT dx
2 dT dx
2 Tm
 dT 
WQdT



 Tf
 dx 
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
预热区：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
反应区：
能量方程
dT
d dT
 0ul C p
 ( )
dx
dx dx
d 2T
 2  WQ  0
dx
边界条件
dT
x  , T  T0 ,
0
dx
x  0, T  T f
0ul C p (T f  T0 )
 dT 



 dx 
dT
x  , T  Tm ,
0
dx
2 Tm
 dT 
＝  dx     T f WQdT
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
Tm
ul 

Tf
T0
2  WQdT
Tf
 02 C p2 (T f  T0 ) 2
WdT  0
Tm

T f  T0  Tm  T0
Tf
Tm
WdT   WdT
T0
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
Tm
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
ul 
Tm

Tf
2  WQdT
T0
2
p
m
 02C (T  T0 ) 2
Tm WdT
WQdT
 Q
 QW
T f (T  T )
(T f  T0 )
f
0
引入导温系数
u l  ( a /  )1 / 2
a   C p
化学反应时间 W  1 / 
层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比，与反应时间的
平方根成反比。也就是说，ul 是可燃混气的一个物理化学常数。
第 第一节 层流火焰传播
六 三、层流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
 W  K (  0 y0 ) n exp(  E / RT )及  p / RT
 QK (  0 y 0 ) exp(  E / RT ) 

ul  
2
2



C
(
T

T
)
0
p
m
0


n
1/ 2
 p0( n2) / 2
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
火焰前锋的厚度：
dT Tm  T0

dx

dT

 u l  0 C p (Tm  T0 )
dx

1

  a / ul
 0 C p ul
火焰厚度与导温系数成正比，与层流火焰
传播速度成反比。
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
压力的影响：
ul  p
n / 2 1
一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1.5～2，因此：
ul  p
v
(v =0～0.25)
即压力对火焰传播速度的影响较小
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
压力的影响：
p0
a  a0
p
T

 T0



1 .7
  a / ul
   0 ( p0 / p)
b
（b=1.0～0.75）
压力下降，火焰厚度增加。当压力降到很低
时，可以使δ增大到几十毫米。火焰越厚，火焰
向管壁散热量越大，从而使得燃烧温度降低
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
温度的影响：
ul  T
C
0
（C=1.5～2）
温度增加，火焰传播速度增加。
1 .7
p0  T 
 
a  a0
p  T0 
 T 1.7
  a / ul
因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多，
因此温度对火焰厚度的影响不大。
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
混气成分的影响：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
存在一个最佳混气
成分，这时火焰传播
速度最大。
对每一种混气，都
存在一个火焰传播的
浓度界限，当混气太
贫或太富时，火焰就
不能传播。
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
混气性质的影响：
导温系数增加，活化能减少或火焰
温度增加时，火焰传播速度增大。
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
淬熄距离：
当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于
火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰
便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离。
d q  常数 / u l p
淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
淬熄距离：
温度对淬熄距离的影响
压力对淬熄距离的影响
第 第一节 层流火焰传播
六 四、影响层流火焰传播速度的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
淬熄距离：
火焰在管中淬熄有两种原因：
管径减小，火焰区单位容积的表面积增大，
因而通过管壁的散热率增大。

管径减小，火焰传播时活性中间产物碰壁销
毁的机率增大。

第 第二节 湍流火焰传播
六 一、湍流火焰的特点
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
层流火焰：
火焰锋面光滑，焰锋厚
度很薄，火焰传播速度小。
湍流火焰：
火焰长度缩短，焰锋变
宽，并有明显的噪声，焰锋
不再是光滑的表面，而是抖
动的粗糙表面，火焰传播快。
第 第二节 湍流火焰传播
六 一、湍流火焰的特点
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
1. 湍流火焰传播速度较层流大几倍，不仅与燃料的物
理化学性质有关，而且与湍流性质有关，湍流强度
增大，将使湍流火焰传播速度增加，火焰更短。
2. 燃烧室尺寸更紧凑，加上向外散热损失小，因此燃
烧设备的经济性好。
3. 湍流火焰伴随着噪音
4. 湍流火焰的燃烧产物内氧化氮（NO）含量少，因
而对环境的污染小
第 第二节 湍流火焰传播
六 一、湍流火焰的特点
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
湍流火焰比层流火焰传播快的原因：
（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因
而增大了反应区；
（2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使
反应速率增加，即燃烧速率增加；
（3）湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合，缩
短了混合时间，提高了燃烧速度。
第 第二节 湍流火焰传播
六 一、湍流火焰的特点
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。
湍流火焰传播理论主要有两种：
（1）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金）
（2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）
第 第二节 湍流火焰传播
六 一、湍流火焰的特点
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
湍流特性参数：
湍流尺度 l ：
在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，
或湍流微团在消失前所经过的平均距离
若 l <  （层流焰面厚度）为小
尺度湍流，反之为大尺度湍流
湍流强度  ：
流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。
  u u
若 u’ > ul （层流火焰传播速度）
为强湍流，反之为弱湍流
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
三种湍流火焰模型：
小尺度强湍流
大尺度弱湍流
大尺度强湍流
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
小尺度强湍流：
湍流锋面不发生皱折，但由于湍流增加了传
质而使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快。
可推得湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比
等于两者传输率之比的平方根，
1/ 2
1/ 2
 T /  0C p 
 aT 

ut / ul     
  / C 
ut / ul  (at
 al 
 l 0 p
湍流导温系数: at  T  0 C p
a t  lu 
l  d（管径） 及 u  u（主流速度）
/ a)1/ 2
 (lu / )1/ 2
 (du / )1/ 2
 Re1/ 2
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
小尺度强湍流：
ut  ul Re
1/ 2
小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅
与可燃混气的物理化学性质有关（即与ul成正比），
还与流动特性有关（即与Re1/2有关）
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
大尺度弱湍流：
由于湍流脉动，火焰发生皱
折，但由于脉动速度小于正常火
焰传播速度，锋面仍然是连续的
可以把湍流焰锋看成由很多
小的层流火焰锥组成，则：
ut 锥体表面积 R R  h


2
ul
锥底面积
R
2
 1  ( h / R ) 2  1  ( 2h / l ) 2
2
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
大尺度弱湍流：
如果湍流微团在锥形表面上
的燃烧速度仍然是 u l ，则：
微团存在的时间:   l / 2u l
锥体高度:
h  u   u l / 2ul
2

ut / ul  1  (u / ul )
由于大尺度湍流火焰锋的表面积比层流火焰锋的表
面积大，所以大尺度湍流火焰传播速度比层流火焰传播
速度大。这就是湍流火焰的表面传播的表面理论。
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
大尺度强湍流：
湍流强度很大时：
u / ul  1
ut / ul  1  (u  / ul ) 2
ut  u 
ut  u
湍流火焰传播速度与化学动力学因
素无关，只取决于脉动速度的大小。
第 第二节 湍流火焰传播
六 二、湍流火焰传播速度
章
经验公式：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
0.6 ~ 0.7
0.4 ~ 0.3

u t  5.3(u )
(u l )
脉动速度、层流火焰传播速度及混气浓度是
影响湍流火焰传播速度的主要因素。
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 一、本生灯的燃烧过程
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
右图为本生灯简图。
燃烧所需的空气可全部从
底部供入，也可在管口下
游通过射流的引射获取，
或两者兼有，这时火焰分
外焰与内焰两部分。
内焰：预混火焰
外焰：扩散火焰
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 一、本生灯的燃烧过程
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
火焰的几何形状：
火焰顶端呈圆
形；火焰底部
不和喷嘴出口
相重合，存在
向外突出的一
个区域以及靠
近壁面处有一
段无火焰区域
火焰形状接
近正圆锥形
直管形
收缩管形
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 一、本生灯的燃烧过程
章
气流速度不同时的三种工况：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
稳定：
混气流速恰当时火焰挂在管口上。
脱火或吹灭：
增加混气流速，火焰锥变长。流速进一步加大时，
火焰锥会被吹灭即脱火。
回火：
混气流速减小时，火焰锥变短。当流速减小时，则
会发生回火。
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 二、本生灯火焰的稳定
章
一维管流的火焰稳定条件：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
一维管流的火焰
稳定条件：混气
速度等于火焰传
播速度
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 二、本生灯火焰的稳定
章
锥形火焰的稳定条件：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
aa
为火焰锋面
法向稳定条件－余弦定律：
u  vn  v cos 
切向稳定条件：
有一个稳定的点火源。
锥形火焰稳定条件：1、余弦定律；2、稳定的点火源。
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 二、本生灯火焰的稳定
章
锥形火焰的稳定条件：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
气流流速增大
气流流速减小
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 二、本生灯火焰的稳定
章
本生灯火焰稳定分析：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
本生灯火焰根部有一环形平面
火焰，起着固定点火源的作用，
称之为点火环；


点火环形成的原因及作用分析：
点火环形成的原因是由
于靠近射流壁面附近气流速
度及火焰传播速度分布不均
匀的缘故。
vn
u
v
第 第三节 本生灯燃烧过程及其火焰稳定
六 二、本生灯火焰的稳定
章
气流速度对本生灯火焰稳定性的影响：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
vn 4
vn3
vn 2
vn1
vn1
vn 2
u3 u2 u1
气流速度增大
u1
气流速度减小
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 一、回流区的建立
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
冷吹时，回流区长度约1.5H，燃烧时回流区
长度约为6H。H为V型稳定器尾槽宽。
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 一、回流区的建立
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
四心、四区：
上涡心、下涡心、前死心、后死心
顺流区、逆流区、前死区、后死区
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 二、回流区稳定火焰的机理
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
2
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
阻塞比的影响
钝体形状的影响
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
回流量的影响
回流区中某截面回流的质量占主流质量的分数是回流
区的一个重要特征参数，对火焰稳定有重要的影响：
r0
mr   2rudr
0
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
燃烧的影响
P
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
燃烧的影响
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
燃烧的影响
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
燃烧的影响
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 三、影响回流区稳定火焰的因素
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 四、回流区稳定火焰的界限
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
临界火焰吹熄速度uB：
引起吹熄的临界
气流速度。
影响火焰稳定界限的因素：
燃料性质、可燃混合气
成分、可燃混合气流速及湍
流强度，可燃混合气的温度、
钝体形状、尺寸、温度，燃
烧室压力和温度等。
钝体直径1－17逐渐减小
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 四、回流区稳定火焰的界限
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
火焰吹熄的特征参
数：
u
 f ( )
0.95 0.85
p d
u
p 0.95d 0.85
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 四、回流区稳定火焰的界限
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
主流速度和湍流程度的影响：
1. 气流速度增大，将缩
小火焰稳定界限；
2. 增大钝体前主流的湍
流程度将减小火焰的
稳定性。其原因是湍
流影响边界层内速度
的稳定性。
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 四、回流区稳定火焰的界限
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
钝体形状与尺寸的影响：
uB
 f ( )
dC x
Cx－钝体迎面阻力系数
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 四、回流区稳定火焰的界限
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
燃烧室形状与尺寸的影响：
1. 阻塞比较小时，增加阻塞比可以增加火焰
稳定界限，但过份增大阻塞比，稳定界限
反而下降，存在最佳阻塞比。
2. 加长燃烧室将会缩小火焰稳定界限。
声学效应的影响：
1. 增大噪声强度对火焰稳定性有不利的影响
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 五、回流区稳定火焰理论
章
能量理论：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
混气是受到回流区高温燃气的加热，达到着火温
度而使火焰保持稳定。如果回流区传给可燃新鲜混气
的热量不足以使混气达到着火温度，则火焰熄灭。
回流区的能量： Qr  VWQ
点燃混气需要
的能量：
Qs  m C p (TB  T0 )
Qs / Qr  u / p n 1T n 1 d  常数
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 五、回流区稳定火焰理论
章
特征时间理论：
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
火焰稳定性取决于两个特征时间的关系，一个是
新鲜混气在回流区外边界停留的时间 s ，另一个是
点燃新鲜混气所需的准备时间，即感应期i 。 s ≥
i ，则火焰可以稳定，反之则火焰就会熄灭。
 i / . s  u / p n 1e  E / RT d  常数
Qs / Qr  u / p n 1T n 1 d  常数
第 第四节 高速混气流中火焰稳定
六 六、高速气流中稳定火焰的方法
章
火
焰
传
播
与
火
焰
稳
定
旋转射流