第五章火焰传播和火焰稳定性
第五章火焰传播和火焰稳定性
长度较长
长度较短
火焰稳定，表面光滑
火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静
燃烧时有噪声
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
T0
层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关
宏观角度分析：
L u L
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
QD
Tm
L
T0
/ A
获得热焓量 Q h u L A 0C P (Tm T 0)
Q
A
t
Q mC p t
火焰传播速度
a
uL
dT dx C
2 Tm
WQdT
Ti
dT dx
p
uL
0 C p Ti
T0
则求得传播速度为：
uL
Tm
2 WQdT Ti
2 0
C
2 P
Ti T0
2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti
u L d 3 pr 2 k d
优点 • 可测定不同压力下、温度 下的以及高压情况下的火焰 传播速度 • 只适用火焰传播速度快的混合气
移动火焰测量法
平面火焰法
火焰传播与稳定理论打印版讲解
火焰稳定的基本原理
• 要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前 流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这 两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就 静止在某一位置上。
• 当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流动 速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内 传播，造成回火。
• 若流速过高，则会造成吹灭。
0
• 介质的连续性方程
0u0 xux
• 未反应区方程
d dx
(
dT dx
)
cP 0u0
dT dx
dT x : dx 0,T T0 x 0 :T TB
• 进行一次积分可得
( dT
dx
)
cP 0u0 (T
T0 )
• 再次进行积分求解可得
0u0cp x
影响火焰正常传播速度的主要因素 -燃料化学结构的影响
对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大 火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子 数n无关；
对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃 还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其 层流火焰速度却较大。
差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩 散性和燃料分子量有关。
cos
dr
uH
(dr)2 (dz)2 w
dz w2 uH 2
dr
uH
w 2
uH
1 dz w dr uHΒιβλιοθήκη • 火焰形状z
1 uH
w0
wR R r
w0 3
R
r3 R2
•火炬着火区长度计算公式
第五章 火焰传播与火焰稳定
三、层流火焰传播速度
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： 动量方程： 能量方程：
u 0u0 0ul m
P≈常数
dT d dT 0ul C p ( ) WQ dx dx dx
dT x , T T0 , y y 0 , 0 dx dT x , T Tm , y 0, 0 dx
/ a )1/ 2
0C p
(lu / )1/ 2 ( du / )1/ 2 Re1/ 2
at lu l d（管径）及 u u（主流速度）
二、湍流火焰传播速度
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）
火焰的几何形状： 火焰形状接 近正圆锥形
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
直管形
收缩管形
一、本生灯的燃烧过程
气流速度不同时的三种工况： 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。
一、湍流火焰的特点
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）
一、湍流火焰的特点
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
火焰传播与稳定理论打印版
n dn uH im 0 d
u P u H wn
本生灯火焰移动速度
u P u H wn
d uH wn w cos w dS qV wd uH dS uH SL S
火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿
1 Tr TB u0 c p 0 TB T0
w u0c0
假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。
Tr TB a Tr TB u0 ( )w ( )w c p 0c0 TB T0 c0 TB T0
Tr TB a Tr TB u0 ( )w ( )w c p 0 c0 TB T0 c0 TB T0
影响火焰正常传播速度的主要因素 -火焰温度的影响
• 火焰温度对火焰传播速度
具有极大影响。
• 超过2500°C自由基浓度
大量增加起重要影响。
影响火焰正常传播速度的主要因素 -热扩散率和比压定热容的影响
热扩散率越大， 则火焰传播速度越 快。 比压定热容越小， 则火焰温度越高， 相应火焰传播速度 也越快。
不同混合方法所表示的三种火焰形状
化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧
Z
n
可燃气体混合物层流运动时任一截面 上混合物的速度分布规律
2 r 0 1 2 R
Z
r
O
u
r
0
R
动力燃烧的火焰形状
流出喷燃出口时的速度分布规律
2 r 0 1 2 R R
• 粒子示踪法
• 平面火焰燃烧器法
可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧
火焰的形状及其长短对于一定喷燃器形式 而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中 的混合方法： 动力燃烧火焰：预先混合好的化学均匀可燃 气体混合物的火焰。 扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部 分空气预先混合或者不预先混合的情况下，由 喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。
《工程热力学》教学大纲-山东大学课程中心
山东大学“工程燃烧学I”课程教学大纲课程号：0183100310课程名称：工程燃烧学I英文名称：Engineering CombustionⅠ总学分：2 总学时：34 授课学时：30 实验学时：4 上机学时：0适用对象：热能与动力工程专业先修课程：大学物理高等数学热工学流体力学使用教材及参考书：1、汪军，工程燃烧学，中国电力出版社，2008.72、霍然等，工程燃烧概论，中国科学技术大学出版社，2001.93、岑可法等，高等燃烧学，浙江大学出版社，2002.124、严传俊，范玮等，燃烧学（第2版），西北工业大学出版社，2008.7。
5、刘联胜，燃烧理论与技术，化学工业出版社，2008.66、黄勇，燃烧与燃烧室，北京航空航天大学出版社，2009.97、（美）特纳斯著，姚强，李水清，王宇译，燃烧学导论：概念与应用（第2版），清华大学出版社，2009.48、C. K. Law, Combustion Physics, Cambridge University Press, 2006.9、Poinsot, T. and Veynante, D., Theoretical and Numerical Combustion, 2005.10、Irvin Glassman, Richard A. Yetter, Combustion, 4th Edition- Elsevier,200811、徐通模，燃烧学，机械工业出版社，2010.7* 在教材及主要参考资料中第1项为教材，其它为主要参考资料。
一、课程教学目的工程燃烧学是热能与动力工程专业的一门重要的技术基础课，也是该专业的必修主干课。
本课程的授课对象是热能与动力工程专业本科生，属热动类专业基础必修课。
课程主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生对燃烧现象和基本理论的认识。
通过本课程的学习掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程的基本知识与基本理论。
燃烧理论第5章-新
第五章预混合气体火焰5.1 概述讨论预混合气体火焰问题就是要研究着火前燃料与氧化剂已经均匀混合成可燃混合气中的火焰传播机理。
在预混合火焰的传播过程中化学反应速度、传热、流动、扩散等都起着各自的重要的作用。
例如，汽油机中的燃烧是预混合火焰，火焰能在极短时间内传遍整个燃烧室，很重要的因素就是发动机在高速运动时气缸内有足够的气流及湍流强度，使燃烧能力大大增强。
在低温时化学反应速度慢，与扩散及传热相比，它在燃烧过程中所需的时间长。
因此，化学反应动力学(即反应速度)对火焰的传播起控制作用（即对燃烧过程起主要作用)。
在高温时则化学反应速度极快，而扩散与传热却相对是速度慢的环节。
因而，扩散与传热对火焰的传播起着控制作用。
预混合气体的火焰锋面将燃料混合气体与燃烧产物分开。
火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速度、压力等的分布情况如图5-5(b)所示。
由于燃烧过程是复杂的化学反应过程，通常它是由许多个中间反应过程所组成。
因而，在火焰锋面处有许多复杂的、不稳定的、极为活泼的中间产物。
所有上述变量随火焰锋面厚度方向的变化情况称之为火焰的结构。
5.2 燃烧分类 (爆燃与缓燃)在燃烧现象中，火焰的传播速度与气流的流动状态及速度有关。
当火焰的传播速度大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面两侧有很大的压力突变，称之为爆燃(爆震波、爆轰，取决于所在学科，见下表)，此时火焰锋面随同爆震波一起前进，燃烧速度(即火焰传播速度)极快。
当载气流的流速较低时燃烧速度较慢。
火焰锋面前后的压差较小，称之为缓燃，一般的工业及生活中的燃烧均属此类。
表5-4所示为一些预混合气的爆震速度。
下面讨论上述两种燃烧现象与载气流速度及燃烧前后压力变化的关系。
图5-2所示为一水平安置的内部充满可燃混合物的等截面圆管，火焰面从管的左端向管内传播。
图5-2 在可燃混和气的水平管内的反应锋面的传播设燃烧波以稳定的速度沿管向右传播。
如取运动着的波面为坐标，取该处为x=0，则可将该波面看作静止的，可燃混合气以恒速（即燃烧速度）流向反应波处，并认为波前方的反应物及波后面的产物各自为均匀的、无粘性并不导热的，下标s 及f 分别代表反应物及产物，由一维的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程对介质从s 状态到f 状态的流动有:s s f f u u ρρ= （连续方程） (5.1)22s s s f f fu p u p ρρ+=+ （Bernolli 动量方程） (5.2) 2222f s s f u u h h +=+ （能量方程）(5.3)在这里，焓的定义中还包括化学生成焓在内。
第05章 燃气燃烧方法
第二节 部分预混式燃烧
三、部分预混紊流火焰
• 紊流火焰的特点：火焰长度短，顶部圆，焰 面皱曲，火焰厚度增加，表面积增加。 • 紊流火焰结构： ¾ 焰核：燃气空气混合物尚未点着的冷区 ¾ 焰面：着火与燃烧区 ¾ 燃尽区：此区边界看不见，通过气体分析确 定。
25
第二节 部分预混式燃烧
四、紊流预混火焰的稳定 • 紊流火焰工作的稳定区变得很窄，常常全 部消失，只有人工办法稳焰。 • 要想稳焰，就要想办法在局部地区保持气 流速度和火焰传播速度之间的平衡。 ¾ 从气流速度着手→流体动力学方法 ¾ 从改变火焰传播速度着手→热力学和化学 方法
二、部分预混层流火焰的确定
• 离焰：当燃烧强度不断加大，气流速度v↑， 使得v=S的点更加靠近管口，点火环变窄，最 后使之消失，火焰脱离燃烧器出口，在一定 距离以外燃烧。 • 脱火：若气流速度再增大，火焰被吹熄。 • 回火：若进入燃烧器的燃气流量不断减小， 即气流速度v↓，兰色锥体高度↓，最后由于 气流v小于Sn，火焰缩进燃烧口，熄灭。
16
第二节 部分预混式燃烧
• 分析根部：在火焰根部气速度降为0，但 火焰不会传到燃烧器里去。 •在1-1环上，S<v→推离 •在2-2环上，S>v→回燃 •必存在3-3环，该环上 S=v，该环没有切向分 速，φ=0→水平焰面→点 火源→又称点火环，使层 流火焰根部得到稳定。
17
第二节 部分预混式燃烧
28
第三节 完全预混式燃烧
• 在部分预混式燃烧的基础上发展起来的， 技术合理。广泛应用。 • 在下列条件下进行的燃烧，称为完全预混 式燃烧，又称无焰燃烧 • 进行完全预混的条件： ¾ 燃气和空气在着火前预先按大于等于化学 计量比混合均匀（即α’≥1）； ¾ 设置专门的火道，使燃烧区保持稳定的高 温。
[工学]火焰传播与稳定理论6课时
![[工学]火焰传播与稳定理论6课时](https://img.taocdn.com/s3/m/7e2fb4f776a20029bd642dd6.png)
过程与声速的关系
a 2 RT u0 Ma a
a2 RT
pr pr>>p0,1/ρr略<1/ρ0 A
Ma>1
pr略<p0,1/ρr>>1/ρ0 0<Ma<1
结 论
u0
T Ti ( r )w c p C0 Ti T0
1、火焰前沿移动的正常速度是与其平均导热系数的平方根成 正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此正常速 度与气体混合物的物理常数有关。 2、正常速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，随着燃烧室中 的燃烧温度Tr的降低而减小。因此如果将气体预先加热然后 再送入燃烧室，则其正常速度能得以提高。 3、可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正 常传播速率，从第2点及公式可知，当可燃气体混合物的热 效应及化学反应速率降低的情况下，则正常速度数值亦小。 4、可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当 可燃混合物中的空气含量不足（α<1）或过多时（α>1）都 会使燃烧温度Tr降低，因而亦降低正常速度。
本生灯测量火焰移动速度（实验法） —————————————————
本生灯的锥形表面为火 焰前沿，火焰前沿不动， 即火焰传播速度up为零。 说明气流在锥形表面某点 处的法线方向上分速度wn 等于火焰前沿移动速度 uH。
本生灯火焰前沿
dS表示火焰前沿微元面面积，
dσ表示与微元面相应的气流微 元面积
火焰前沿
火焰前沿具有的特征 ———————————————————
5,6章燃烧学思考题和作业题
第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。
重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。
2.预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。
2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。
3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。
4.着火感应期，着火过程的时间特征。
5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。
7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。
8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。
10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。
11.影响湍流火焰传播速度的因素。
12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。
13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。
14.工程上稳定火焰的措施。
作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。
现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。
2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。
3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。
第五章燃烧室
第五章燃烧室第5章燃烧室燃烧室功用高压空气燃油燃烧化学能热能高温高压燃气5.1 对燃烧室的基本要求–点火可靠、–燃烧稳定、–燃烧完全、–总压损失小、–尺寸小、–出口温度分布满足要求、–排气污染小。
5.1 对燃烧室的基本要求▪燃油与空气的比例油气比余气系数当量比▪燃油的流量空气流量fam fm q q f ,,5.1 对燃烧室的基本要求余气系数空气流量燃油流量理论空气量0,,L q q f m a m =α进入燃烧室的空气流量; 进入燃烧室的燃油流量理论空气量理论空气量是一公斤燃油完全燃烧所需要的最少空气量。
对于航空煤油,理论空气量为: 14.7公斤空气／公斤燃油5.1 对燃烧室的基本要求物理意义贫油和富油5.1 对燃烧室的基本要求▪▪▪5.1 对燃烧室的基本要求▪▪燃烧效率气体实际吸收的热量理论上释放出的热量▪燃烧完全系数理论上释放出的热量5.1 对燃烧室的基本要求▪3▪▪▪▪5.1 对燃烧室的基本要求▪–容热强度▪▪▪bbufmvb VpHqQ*2,3600η=5.1 对燃烧室的基本要求同一个环在径向上5.1 对燃烧室的基本要求 污染–污染物的含量随发动机的工作状态而变化5.1 对燃烧室的基本要求5.2 燃烧室的分类管式环式管环5.2 燃烧室的分类-管式燃烧室一、管式燃烧室–单独的火焰筒和外套–旋流器, 喷油嘴–联焰管5.2 燃烧室的分类-管式燃烧室▪扩压通道▪火焰筒▪连焰管:传焰,均压▪喷油嘴:雾化▪旋流器:回流区▪点火装置5.2 燃烧室的分类-管环式燃烧室二、管环式燃烧室–火焰筒：燃油与空气进行混合燃烧，第二股进气和燃气掺混降低温度。
–结构比较紧凑, 致使发动机的直径较小, 外壳体可以传递扭矩, 从而改善发动机整体刚性,有利于减轻发动机的结构重量。
5.2 燃烧室的分类-管环形燃烧室–火焰筒–连焰管–喷油嘴–旋流器–点火装置：5.2 燃烧室的分类-环形燃烧室三、环形燃烧室优点5.2 燃烧室的分类-环形燃烧室▪由四个同心圆筒组成▪最内、最外的两个圆筒为燃烧室的内、外壳体▪中间两个圆筒为火焰筒▪在火焰筒的头部装有一圈旋流器和喷油嘴▪环型燃烧室多用于轴流式压气机的发动机▪由于其结构最紧凑, 性能比较好, 近来很多发动机都采用环式燃烧室5.3 燃烧室的稳定燃烧－稳定燃烧的条件▪▪降低空气的流速▪提高火焰的传播速度,5.3 燃烧室的稳定燃烧－降低空气的流速二、降低空气的流速–１．扩散器–２．旋流器5.3 燃烧室的分类-管环形燃烧室 旋流器5.3 燃烧室的稳定燃烧－降低空气的流速3分股进气 第一股25余气系数稍小于1进行燃烧第二股75补充燃烧降低燃气的温度控制温度分布冷却保护5.3 燃烧室的稳定燃烧－影响火焰传播速度的因素▪余气系数α稍小于１时,火焰传播速度最大。
[工学]火焰传播与稳定理论6课时
火焰前沿
火焰前沿具有的特征 ———————————————————
Ti至Tr之间的区域称为燃烧区, 在燃烧区中可燃物的化学 反应速率是不同的. 由于化学反应速率w不仅与温度有关，并 且还与可燃物的浓度有关。在着火处附近，虽然可燃物的浓度 最大，但是该处的温度较低，所以可燃混合物在着火后的一段 距离内只进行较慢的化学反应；而在燃烧区的末端，其温度虽 然已达到很高的数值，但可燃物几乎完全消耗掉，所以在燃 烧区域的末端必然没有化学反应。化学反应主要集中在中间很 窄的区域c中进行，温度略低于燃烧温度Tr, 称其为化学反应 区。混气经过此区域后95—98％发生了反应。
压力对uH的影响 ———————————
uH p uH p
速度cm.s-1 ＜50 50～100 ＞100
m n 1 2
压力指数m m＜0 m＝0 m＞0
变化关系 uH随压力下降而增大 uH不随压力变化 uH随压力升高而增大
反应级数
n＜2 n＝2 n＞2
一般轻质碳氢燃料在空气中燃烧，其总反应级数 均为n≤2,故火焰传播速度uH随着压力下降而增加。 但此时可燃混合气的着火和燃烧稳定性将恶化。 当压力增大时，虽然uH下降，流过火焰面的质量 流量ρuH增加，单位时间内燃料燃烧量增加。
惰性物质含量的影响 ———————————————————
添加惰性物质，一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速 度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质来影响火 焰传播速度。大量实验证明，惰性物质的加入，将使火焰 传播速度降低，可燃界限缩小，以及使最大的火焰传播速 度值向燃料浓度较少的方向移动。 不同惰性物质的影响主要表现在热导率与比定压热容比值 λ /cp上，加入某种惰性物质使可燃混合气λ/cp增大，则 uH将增大，反之将减小。
火焰传播和火焰稳定性77页PPT
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
火焰传播和火焰稳定性
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
火焰传播与稳定理论打印版概要课件
基于火焰传播与稳定理论，可以研究新型的灭火技术和方法，例如定向爆破、抑制火焰传播等，提高灭火效果和 安全性。
05
火焰传播的未来研究方向
高温燃烧的火焰传播研究
总结词
研究高温燃烧条件下火焰传播的特性、机制和规律，为高效、环保的燃烧技术提供理论支持。
详细描述
随着能源需求的增加和环保要求的提高，高温燃烧技术成为研究的热点。高温燃烧的火焰传播具有不 同于常温燃烧的特性，如更快的传播速度和更复杂的化学反应过程。因此，研究高温燃烧的火焰传播 对于提高燃烧效率、降低污染物排放具有重要意义。
感谢您的观看
THANKS
火焰传播的稳定性分析
1 火焰传播的稳定性定义
火焰传播的稳定性是指火焰在受到扰动 后能否保持稳定传播的能力。如果火焰 在受到扰动后能够恢复稳定传播，则称 其为稳定的；反之，则为不稳定的。
2
线性稳定性分析
线性稳定性分析是一种常用的方法，通 过求解偏微分方程的线性化版本，可以 得到火焰传播的稳定性条件。这种方法 可以确定火焰是否对某些类型的扰动具 有稳定性。
3
非线性稳定性分析
对于更复杂的扰动，需要采用非线性稳 定性分析方法。这种方法考虑了非线性 效应，可以更准确地预测火焰的稳定性 行为。
火焰传播的数值模拟方法
数值模拟的重要性
由于火焰传播过程的复杂性，解析方法很难得到精确解。因此，数值模拟成为研究火焰传 播过程的重要手段。
数值方法的选取
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。选择合适的数值方法需要考 虑计算精度、计算效率和数值稳定性等因素。
火焰传播与稳定理论打印 版概要课件
目录
• 火焰传播基础 • 火焰传播理论 • 火焰传播的影响因素 • 火焰传播的应用 • 火焰传播的未来研究方向
燃烧理论思考题
《燃烧工程》思考题第一章煤的基本性质第一节煤的成分与表示方法1.煤中的主要成分是什么？其中的有机可燃质主要包括什么？2.收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基成分的表示方法？3.不同基煤的成分换算关系如何？第二节煤的分析1.煤的元素分析和工业分析分别分析什么？2.为什么要对煤进行工业分析？3.如何进行挥发分测定？煤中的挥发分是定值还是变值？4.煤灰在变形温度、软化温度和流动温度下有什么特征？5.何为煤的高位发热量和低位发热量？工业应用中一般利用哪一种发热量？6.不同基之间的发热量如何进行转换第三节煤的分类1.根据煤的碳化程度可将其分为几类？他们分别是什么？2.烟煤、无烟煤的最大特点是什么？3.V AWST代表什么？其高、中、低值如何区分？4.工业锅炉行业煤主要以什么指标进行分类？第四节煤的理论燃烧温度1.何为煤的理论燃烧温度？2.煤的理论燃烧温度主要有那些量决定？3.煤的低位发热量、过量空气系数、空气中的氧浓度、以及煤和空气的温度对煤的理论燃烧温度有什么影响？第二章煤燃烧化学反应动力学基础第一节化学反应的分类1.什么是简单反应、复杂反应、可逆反应、平行反应、串联反应、链锁反应？第二节化学反应速率及其方程式1.什么是质量作用定律？它的使用范围？第三节反应级数1.什么是反应级数？什么是零级反应、一级反应、二级反应、三级反应？2.一级反应、二级反应的速率方程？一级、二级反应的特点？3.反应级数与反应分子数有什么不同？第四节阿累尼乌斯定律及活化能1.常见的反应速率与温度关系的五种类型？2.什么是阿类尼乌斯定律？它的使用范围？3.什么是活化分子？活化能？活化能的大小说明了什么？第五节反应速率的理论1.什么是碰撞频率、有效碰撞频率、有效碰撞份额？2.什么是活化络合物？第六节影响化学反应速率的因素1.活化能的大小对化学反应速率有何影响？2.温度对化学反应速率有何影响？3.反应物浓度对化学反应速率有何影响？4.压力对化学反应速率有何影响？第七节链锁反应1.简述链锁反应过程的三个阶段。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
燃料浓度的影响
280
•火焰传播只发生在一定
浓度界限内,燃料气过贫
240
或过富，火焰都无法传播。 200 在火焰传播浓度界限之外，
传播速度等于零。
160
• 两者都在化学恰当比浓 uL 120
度XFS附近达到最大火焰
80
传播速度。
40
H2/空气 CO/O2
•氢气预混气比一氧化碳 预混气的火焰传播浓度界 限要窄得多。
QD
Tm
L
T0
/ A
Qh uL A0CP (Tm T 0)
Q A t
Q mC pt
火焰传播速度
uL
a
W
a
0CP
选定燃料的火焰速度计算公式
往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验 公式：
参考温度下：uL,ref BM B2 ( M )2
Re对火焰传播速度的影响
返回
预混气火焰传播速度的实验结果
2）博林杰—威廉姆斯经验公式
uT uL
0.18d
0.26
Re
0.24 0
3) 达郎托夫经验公式
uT uL 5.3(u' )0.6~0.7 (uL )0.4~0.3
u' uL时，uT 5.3(u' )0.6~0.7 (uL )0.4~0.3
dT dx
p
uL
0Cp Ti
T0
则求得传播速度为： uL
2 Tm WQdT Ti
02CP2 Ti T0 2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti WdT 0
T0
Tm WdT Tm WdT
Ti
T0
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
湍流火焰——火焰面的热量 和活性中心向未燃混合气输 运是依靠流体的涡团运动来 激发和强化，受流体运动状 态支配。
层流火焰 湍流火焰
火焰前沿（前锋、波前）
新鲜混气
•发光的火焰层，化 学反应区
火 已焰
前 燃沿
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线
气
•特征尺寸极薄，可看
成几何面
火焰的传播速度
进一步发展的小尺度湍流火焰传播速度模型
uT a 1 lu'
uL
a
a
2）大尺度弱湍流火焰传播速度模型
l L,u' uL
uT AT
uL
AL
1 uuL'2
皱折表面理论模型
3）大尺度强湍流火焰传播速度模型
l L,u' uL
uT uL uD
0 0 20 40 60
80 100
Xf
压力的影响
uL0 W 1/2
W pn
n
uL0 p 2 p 0
0.3
n
uL0 p2
n2
uL p 2
(n-2)/2 0
n2 n2
压力对火焰传播速度的影响取决 -0.3
于反应的压力指数（n-2)/2
20
100
100
uL
扩散理论:火焰传播过程取决于活性中心浓
度的扩散过程。 实际中两种机制同时起作用。
火焰结构及其特征
火焰前锋驻定
火
焰
u0=uLT 0 m,Cf,0
up,Tm p
结 构
Cf,0
p
c
及
Tm
参
Ti
数
分
Cf0→0
布
T0
示
w
意
图
-x
i
+x
火焰结构及其特征
火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反 应区
0.16 0.22( 1)
燃料
M
甲醇
1.1
丙烷
1.08
异辛烷
1.13
RMFD-303 1.13
BM
(cm/s) 36.92 34.22 26.32 27.58
B2 (cm/s) -140.51 -138.65 -84.72 -78.34
例题：针对下述几种工况，对汽油－空气混合物在 0.8
x ,T
T0 ,
dT dx
0
x ,T
Tm
,
dT dx
0
层流火焰传播速度uL表达式（1）
•泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解
在预热区：反应速度W近似为零
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
边界条件：x ,T
T0
,
dT dx
0
前沿厚度很小，但温度梯度和浓度梯度很 大，存在强烈的热传导和物质扩散
火焰前沿在预混气中移动，是由于反应区 放出热量不断向新鲜混合气传递及新鲜混 合气不断向反应区中扩散。
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
WQ
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
预混气火焰传播速度的实验结果
湍流火焰传播经验公式总结：
uT f (uL , Re0 ) uT f (uL ,u')
湍流火焰传播速度：
混合气的物理化学性质 流动状态（Re）
湍流火焰传播速度影响因素：
混合气性质、浓度、初温、初压，流动状态
湍流火焰传播理论
皱折表面理论
湍流脉动——火焰面皱褶变形——燃烧反应表面积 增大——燃烧速度增大——湍流火焰传播速度增大 实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。
uD
2u lL
1
uT uL
2u'lL
1
4）达朗托夫假定
气团l0
火焰速度 uM=uL+u’
气团尺寸 减小l
火焰速度 变为uL
皱折表面理论模型
火焰向气团内部的传播速度：
cm/s
添加剂的影响
活性添加剂（H2） —火焰传播界限和火焰传播速度随活性添 加剂浓度改变而发生明显变化。
惰性添加剂（CO2、N2、He） —火焰传播速度减小，火焰传播界限缩小， 火焰传播极限向燃料浓度减小方向偏移。
催化剂（铂、钯、铯）
— 加入混合气中对火焰传播速度有明显 的影响。
活性添加剂
压力指数对uL的影响
初始温度的影响
初始 温度 提高
•预热到着火的时间缩短 •燃烧反应带温度提高 •反应速度加快 •气体导热系数增加 • 气体密度减小。
火焰 传播 速度 增大
• 实验结果 uL T0m m=1.5~2
• 经验公式 uL1 uL0 0.45 10 3 T12 T02
预混气火焰传播速度的实验结果
1）邓克尔实验
实验图形
·Re<2300, uT 1 ，层流状态
uL
• 2300<Re<6000,
uT
1
Re2
，小尺度湍流火焰
uL
•
6000<Re<18000, uT
uL
A Re 0 B，大尺度湍流火焰
5 4
uT/uL 3
2 1
小尺度
大尺度
0
4
8
12
16 Re 20X100
x p ,T Ti
积分后：
dT dx
p
uL
0Cp Ti
T0
层流火焰传播速度uL表达式（2）
• 在反应区：反应区温度升高所消耗的能量 近似为零
0uLC p
dT dx
d
dx
dT dx
WQ
d 2T dx2
WQ
0
边界条件：
x ,T
燃料、氧化剂性质及其混合比影响
燃料种类— 火焰传播速度不同是由于燃料 的热物理性质和化学反应性质不同造成。
常用燃料层流时的火焰传播速度（α=1） 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 乙烯 氢气 CO 人工煤气
0.43～ 0.487 0.472 0.453 0.79 3.45- 0.175
1.0
0.45
3.57 -0.19
250 H2 CO
60
100 0
uL
uL %
0 100
0
0
40
80
Xf
加入H2对CO预混气uL的影响
CH4 100
%
0
CO 0
100
0
0
40
70
Xf
加入CH4对CO预混气uL的影响
惰性添加剂
0.5
0%N2
0.5
0%CO2
uL (m/s)
50%N2
58.8%N2
0 0.8
1.4
当量比
加入N2对甲烷uL的影响
火焰稳定，表面光滑
火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静
燃烧时有噪声
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
层流： uL a 湍流： uT aT
(a /(c))