燃烧学9-非预混火焰
非预混层流火焰模型
在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数，具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率，第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物
质的比焓。耗散标量 必须在小火焰中定义。公式 14.4-2 的变形形式在【114】中使用。
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数，p 是压力，Xi 是第 I 种物质的摩尔分数，a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变 率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。
平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v 是燃料和氧 化剂的速度，d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 很方便。标量耗散定义如下：
在平衡பைடு நூலகம்预混燃烧模型中，温度的极限为
和
。对非绝热小火焰模型，
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限
非预混燃烧模拟
mox
(32)
psec
msec msec mox
(33)
带有废气循环的非预混模拟示意图
四.非预混模拟方法的具体细节
• 混合分数及与其相关的量与式 • 描述系统化学反应的模型 • 湍流－化学反应相互作用的PDF模拟 • 非预混模型的非绝热拓展
（一）混合分数及与其相关的量与式
混合分数定义
Denition of the Mixture Fraction：
a.简单燃料／氧化剂扩散火焰
b.用多氧化剂入口的扩散系统 c.用多燃料入口的系统B.Leabharlann 用二混合分数模拟的化学反应系统结构
a.包含两个不同燃料入口系统
b.包含两种不同氧化剂入口的系统
三. 非预混模拟方法的限制和特别反应类型
special cases and Restrictions on the Mixture Fraction Approach
（1）仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90％的CH4和10％的
CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须有同样 的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为CH4 ，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧系统或包含反应粒子的系统中，仅允许 有一种废气。
混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧 的燃料流里的元素（C、H等）的局部质量分数。即来源于燃料流的元 素质量分数，这个质量分数包括所有来自燃料流的元素，包括惰性组
分，N2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O2。 这个值是守恒的。混合分数可根据原子质量分数写为：
f Z i Z i,ox
二. 典型系统结构
非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的 研究。非预混模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流 化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。 下面几幅图为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构。
燃烧学-预溷合气燃烧及火焰传播
4.1 层流火焰传播 (laminar flame）
预混可燃气体流速不高（层流状态）时 的火焰传播称为层流火焰传播。
一、层流火焰结构与传播机理
层流火焰图
层流火焰前沿浓度和温度变化
火焰结构特点
火焰前沿厚度很薄，一般不超过1mm，只有十分之几 毫米甚至百分之几毫米厚。
层流火焰图
前沿的厚度很小，但温度和浓度的变化很大，因而在 火焰前沿中出现了极大的浓度梯度及温度梯度。这就 引起了火焰中强烈的扩散流和热流。
us us
Sl＝u0
(u p、us反方向） (u p、us同方向）
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则Sl = u0 = us
即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速，
两者大小相等方向相反。
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
可燃气体
H2 CO CH4 C2H2 C2H4
在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很
小，称为预热区，以 δp 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。
火焰前沿传播机理
火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取
决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。
火焰传播的扩散理论 认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
燃烧放热率比层流火焰的 大的多。
湍流火焰与层流火焰的区别
湍流火焰传播速度的定义——St
湍流火焰传播速度指湍流火焰前沿 任一处法向相对于未燃混合气运动的速 度。
二、湍流特性
湍流的基本特性：湍流中充满大小不等、高速旋转的流体微 团，或称涡团，在不断地做无规则的运动，使流体各点每瞬 时的速度、压力都在做随机的变化。
《非预混燃烧模拟》课件
VS
详细描述
DNS方法需要极高的计算资源，因此通 常只用于小型问题或作为验证其他模拟方 法的基准。它可以提供流场中所有粒子的 运动轨迹和化学反应路径，适用于研究湍 流燃烧的详细过程和机理。
大涡模拟
总结词
大涡模拟（LES）是一种介于直接数 值模拟和模型化方法之间的非预混燃 烧模拟方法。它只求解大尺度的湍流 涡，而将小尺度的涡用模型化方法处 理。
CHAPTER 04
非预混燃烧模拟应用
燃烧室设计
燃烧室优化设计
非预混燃烧模拟可用于优化燃烧 室设计，提高燃烧效率，降低污 染物排放。
燃烧室尺寸确定
通过模拟不同尺寸的燃烧室，可 以确定最佳的燃烧室尺寸，以满 足燃烧需求和排放标准。
燃烧室布局优化
通过模拟不同布局的燃烧室，可 以优化燃烧室的布局，提高燃烧 效率并降低热损失。
燃烧模型的不确定性
化学反应动力学模型
非预混燃烧涉及复杂的化学反应动力学过程，建立准确的化学反应动力学模型是关键。
燃烧模型验证与校准
由于实验条件的限制，很难对非预混燃烧模型进行全面验证和校准，因此需要发展有效 的验证和校准方法。
模型不确定性传播
燃烧模型的不确定性会对模拟结果产生影响，需要发展模型不确定性传播分析方法，以 评估模型的不确定性对模拟结果的影响。
过程。
详细描述
PDF方法能够考虑湍流流动和化学反应的随机性，适用于研究燃烧过程的不确定性、火 焰的传播和熄灭等问题。它通常需要较少的计算资源，但需要建立合适的概率密度函数
模型。
混合模拟方法
总结词
混合模拟方法是一种结合了直接数值模拟、 大涡模拟和模型化方法的非预混燃烧模拟方 法。它根据问题的需求和计算资源的情况， 选择合适的模拟方法来求解湍流流动和化学 反应过程。
非预溷燃烧模拟-
的组分质量分数和焓
由于不需要反应率或者平衡计算，火焰面近似值可以很容易地并且快速的 计算出。然而，火焰面近似值模型受限于一步反应的预测，不能预测中间 组分形成或离解效应。这经常会导致严重过高预测火焰峰值温度，特别是 那些涉及高温的系统（例如，预热或者富氧）。
B. 平衡假设Equilibrium Assumption：平衡模型假设化学反应足够迅速 C. 以使化学平衡总保持在分子水平上。根据最小吉布斯自由能法则，可由f 来计 D. 算组分摩尔分数。图显示甲烷在空气中的燃烧中一个包括10种组分的反应系 E. 统的摩尔分数。
psec
msec msec mox
带有废气循环的非预混模拟示意图
(32) (33)
四.非预混模拟方法的具体细节
混合分数及与其相关的量与式 描述系统化学反应的模型 湍流－化学反应相互作用的PDF模拟 非预混模型的非绝热拓展
（一）混合分数及与其相关的量与式
混合分数定义
Denition of the Mixture Fraction：
p
2
sec
根据次流的总量与总
， 质量流率相比相对要小这一事实
对的。
用
p
2
sec
而不是 f sec2
解方程证明是
大涡模拟（LES）非预混模型
The Non-Premixed Model for LES
a. 对大涡模拟（LES），解一个关于平均混合分数的方程，该方程除了 t 为次网格尺度粘度以外，形式上与方程 (4) 相同
a.绝热反应系统
单一的燃料－氧化剂系统，质量分数、密度
和温度的瞬时值仅依赖于瞬时混合分数f： i i (f )
层流非预混扩散火焰
单位体积内径向 对流引起的燃料
的质量流量
单位体积内径向 扩散引起的燃料
的质量流量
• 由于组分只有燃料和氧化剂两种，所以 两者的质量分数相加应该为1。
YOX 1 YF
2020/4/1
13
边界条件
• 为了求解未知的 vx(r,x), vr(r,x), YF(r,x) • 在轴线上：(r=0)
9.12
此方程反映了任意x和r处的轴向速度与初始速度ve的比值
2020/4/1
19
vx / ve 0.375(eve R / )(x / R)1[1 2 / 4]2 ,
9.12
• 再令r = 0(ξ = 0)，即可得到中心线速度的衰减关系式：
vx,0 / ve 0.375(eve R / )(x / R)1 9.13 =0.375 Re j (x / R)1
方程9.2中的燃料质量分数场 Yf(r, x) 的具体 分布。
2
(r,x)v
2 x
(r,
x)rdr
eve2
R2,
9.1
0
2 (r, x)vx (r, x)YF (r, x)rdr eveR2YF,e , 9.2
0
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9
假设
1、射流和周围流体的摩尔质量相等。有了这个假设， 加上理想气体性质，并设流场内压力和温度都是常 数，那么整个流场内流体的密度也就是常数。
2、物质之间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。
3、动量和组分的扩散率都是常数，且相等，即施密特
数[Sc =ν（动量扩散率）/D （质量扩散率）]等于1。
4、只考虑物质的径向动量扩散，忽略轴向扩散。
因此，下面得出的结论只在距离喷嘴出口下游一定距离的地 方，也就是隐核以外的地方才适用，因为喷嘴出口处隐核 内部轴向扩散起着较大的作用，不能忽略。
燃烧学9-非预混火焰
非预混火焰的形状可以是平面、管状、球状等，取决于燃烧器的设计。
火焰形状
通过调整燃料和氧化剂的混合物比例、改变反应条件和改进燃烧器设计，可以优化非预混火焰的结构与形状，提高燃烧效率。
优化火焰结构与形状
火焰结构与形状
火焰温度
非预混火焰的温度取决于燃料和氧化剂的反应速度和燃烧条件。
组分分布
非预混火焰中的气体组分分布受到燃料类型、反应条件和化学反应动力学的影响。
基于多场耦合模型，对燃烧过程进行优化和控制，提高燃烧效率并降低污染物排放。
燃烧过程优化与控制
多场耦合燃烧模拟与实验研究
THANKS
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火焰传播速度
火焰稳定性
火焰稳定性
非预混火焰的稳定性是指火焰在受到扰动或外界影响时保持稳定燃烧的能力。
影响因素
火焰稳定性受到燃料和氧化剂的混合物比例、反应条件和燃烧器设计等因素的影响。
提高稳定性
通过优化燃料和氧化剂的混合物比例、改善反应条件和设计合理的燃烧器，可以提高非预混火焰的稳定性。
非预混火焰的结构由燃料和氧化剂的混合物比例、反应条件和燃烧器设计等因素决定。
高可靠性
非预混火焰燃烧稳定，能够保证燃气轮机的可靠运行。
燃气轮机
在航空航天领域，非预混火焰的应用主要涉及发动机的燃烧室设计。采用非预混火焰能够提高发动机的燃烧效率、降低油耗、减小发动机尺寸等。
航空航天领域
在航空航天领域，设备的可靠性和安全性至关重要。非预混火焰燃烧稳定，能够保证发动机的安全运行。
高可靠性
采用燃料分级燃烧技术，将燃料分为不同阶段进行燃烧，降低燃烧温度和污染物排放。
高效低污染燃烧技术
03
02
01
ffluent燃烧(预混、非预混)
12.2.1通用有限速度模型该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。
反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius速度表达式计算，从Magnussen 和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。
这些模型的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细内容请参阅第13章。
12.2.2 非预混和燃烧模型在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。
该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。
对于有限速度公式来说，这种方法有很多优点。
在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。
反映机理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或者化学平衡计算来处理反应系统。
具体请参阅第十四章。
层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。
12.2.3 预混和燃烧模型这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。
在这些问题中，完全的混合反应物和燃烧产物被火焰前缘分开。
我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。
湍流的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。
具体请参阅第15章。
12.2.4部分预混和燃烧模型顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃烧结合的系统。
在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确定组分浓度和火焰前缘位置。
具体请参阅第十六章。
12.3 反应模型的选择解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。
模型选取的大致方针如下：∙通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。
第4章 预混火焰
SL vu sin
此测法只是粗略的测法，认为
R
各处的火焰传播速度是相同的 实际火焰不是正锥，在喷口处 有一间隙没有火焰，且受到散 热的影响，因此本生灯法并没 有测得真正的火焰传播速度
vu
4.2 火焰稳定性（flame stability）
参考文献：徐通模，《燃烧学》，第四章
火焰稳定的含义
层流火焰和湍流火焰的对比
层流火焰
火焰长度
长度较长
湍流火焰
长度较短
外观和火焰厚度 外观清晰，火焰层薄 外观模糊，火焰层厚
稳定性
噪声水平
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
湍流火焰的特点
湍流使火焰面变弯曲，
增大了反应面积 湍流加剧了热和活性 中心的输运速率，增 大了燃烧速率 湍流缩短了混合时间， 提高了燃烧速率
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
于 1 时，火焰进入此模式 此种模式在设备中很难实现 ' ， 0 很小，同时 vrms 很大， 即流道小而流速大，在这样 的装置中压力损失很大，因 此很不现实 如图所示，其中所有的湍流 尺度都在反应区内
漩涡内小火焰模式（Flamelets-ineddies regime）
特征：有中等大小的 Da 和很高
4V 8wcr du G0 3 d0 dr r r0 r0
.
5000
脱火区
边 界 速 度 梯 度 火焰稳定区
500
回火区
102
0.7 0.8 1.0 1.2
1.4
燃气相对浓度（1/α） 甲烷-空气混气火焰稳定特性
防止回火的办法（自己阅读）
基本原理
燃烧第九章
Q2 = α S (T T0 )
系统升温速率
dT Q Q2 = VρC 1 dt
dT Q Q2 = 1 dt VρC
21
《工程燃烧学》--第九章 工程燃烧学》--第九章
第二节 着火理论
4,放热曲线,散热曲线 ,放热曲线,
放热速率 散热速率
Q
Q = q Vk0C C e 1 Q2 = α S (T T0 )
T0' T0'' T0'''
T
相交工况:体系处于临界状态,体 系能着火.
温度较高:曲线相离,气体温度始终上升,相离工况:体系肯定能着火. 温度上升:曲线相切,临界状态,相切工况:体系处于能否着火的 23 临界状态.
《工程燃烧学》--第九章 工程燃烧学》--第九章
5.热自燃的着火条件 5.热自燃的着火条件
E RT A e C = B (TC T0 ) 2式相除,有 E A E e RTC = B RTC2 TC T0 = RTC 2 E E E 2 即,TC TC + T0 = 0, 为一元二次方程 R R
4 RT0 E E 求解有,TC = ± 1 2R 2R E
4 RT0 E E 1 取TC = 2R 2R E 25
3
前一章回顾
2)温度对化学反应速度的影响
注意:适于基元反应. 注意:适于基元反应.
阿伦尼乌斯定律的应用---阿伦尼乌斯定律的应用 热爆燃
4
前一章回顾
3)压力对反应速度的影响
气态物质参加的反应,压力升高,体积减少,浓度增加, 气态物质参加的反应,压力升高,体积减少,浓度增加,压 力对化学反应速度的影响与浓度相同. 力对化学反应速度的影响与浓度相同.
ffluent燃烧（预混、非预混）
ffluent燃烧（预混、非预混）12.2.1通用有限速度模型该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。
反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius 速度表达式计算，从Magnussen 和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。
这些模型的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细内容请参阅第13章。
12.2.2 非预混和燃烧模型在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。
该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。
对于有限速度公式来说，这种方法有很多优点。
在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。
反映机理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或者化学平衡计算来处理反应系统。
具体请参阅第十四章。
层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。
12.2.3 预混和燃烧模型这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。
在这些问题中，完全的混合反应物和燃烧产物被火焰前缘分开。
我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。
湍流的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。
具体请参阅第15章。
12.2.4部分预混和燃烧模型顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃烧结合的系统。
在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确定组分浓度和火焰前缘位置。
具体请参阅第十六章。
12.3 反应模型的选择解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。
模型选取的大致方针如下：通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。
非预混火焰声学响应特性的直接数值模拟研究
非预混火焰声学响应特性的直接数值模拟研究燃烧声学研究的兴起,为火灾探测以及火场诊断提供了新的思路。
除热传递与热产物外,火焰自身产生的声信号同样可携带火场信息。
声学与燃烧学的结合,可以提高对火灾认识的全面性。
然而,受限于多学科耦合的复杂性,传统的实验手段对火焰中热声问题的研究比较困难。
相比之下,直接数值模拟可以提供详细的火场与声场数据。
非预混燃烧是火灾过程中的主要燃烧形式。
然而由于早期热声理论的限制,现有研究对非预混燃烧声场的认识尚未完善。
基于此,本文将利用直接数值模拟的方法对非预混火焰的声学特性进行详细研究。
本文的研究内容包括四个方面:(1)为非预混火焰中的热声问题研究构筑高精度数值模拟平台,并实现声场与火场的同步求解。
(2)探讨非预混火焰中的剪切层流动对燃烧声场的影响,确定燃烧声源的生成和演化机理。
(3)对非预混火焰中各类流动不稳定性对噪声过程的影响进行解耦研究,探讨在各类不稳定性的主导作用下燃烧声源的分布趋势。
(4)利用低阶模型的概念,构筑低阶声学模型并推导一维声压输运方程,以此研究非预混火焰的局部声学响应特性。
为使声场预测与火场模拟同步进行,本文在直接模拟程序中耦合了Lilley三阶声类比方程。
通过低阶量的引入,声方程可以被降为一阶,其中由流场扩张相关量构筑的源项被定义为燃烧声源。
由直接模拟结果实时计算声方程源项值,可以实现声场与火场数据的同步采集。
声方程求解算法的有效性验证将通过对比其预测声谱与直接模拟声谱完成。
在火焰中不稳定剪切流可自维持产生的基础上,通过普朗特数改变非预混火焰中的剪切效应,以此控制不稳定流动结构在火焰各处的生成能力,进而研究剪切效应影响燃烧噪声的详细过程。
计算结果表明,剪切层中的涡旋是产生燃烧噪声的主要因素。
其中,火焰上游的涡旋主要影响着低频声信号,火焰下游区域的涡旋会影响高频声信号。
结合涡量输运方程对声源瞬态结构的分析可知,非预混火焰中燃烧声源的生成受控于热浮力,声源的蔓延受控于斜压扭矩。
《非预混燃烧模拟》课件
1
1. 确定模拟目标
定义燃烧器类型、工况条件以及模拟
2. 设置边界条件
2
目标，如温度分布、燃烧效率等。
确定模拟区域的边界条件，如进口流
速、温度分布等。
3. 建立数值模型
基于燃烧动力学方程和流体力学方程，
4. 求解模拟方程
4
建立非预混燃烧模型。
使用数值方法，求解模拟方程，得到 燃烧过程的数值解。
非预混燃烧模拟案例分析
《非预混燃烧模拟》PPT 课件
本课件介绍了燃烧模拟的基本概念和非预混燃烧的基本原理，以及与传统燃 烧方式的区别和优缺点。
燃烧模拟介绍
燃烧模拟是使用计算机模型和数值方法，对燃烧过程进行模拟和分析的技术。通过模拟燃烧反应、燃烧 产物的生成和传输等过程，可以对燃烧装置的性能进行预测和优化。
非预混燃烧的基本原理
非预混燃烧是指燃料和氧化剂在燃烧之前不进行充分的混合，而是在燃烧区 域内同时喷射燃料和氧化剂。燃料和氧化剂在燃烧过程中发生混合，形成可 燃混合物，然后燃烧。
非预混燃烧与传统燃烧的区别
与传统燃烧方式相比，非预混燃烧具有以下特点：1）燃烧反应发生在燃烧区域内，不需要预先混合；2） 燃料和氧化剂的比例可以调整，以满足不同的燃烧需求；3）燃烧效率高，燃料的利用率提高。
非预混燃烧的优缺点
1 优点
2 缺点
1）适用范围广，可用于不同类型的燃烧 装置；2）燃烧效率高，能量利用率提高 ；3）减少了烟气的产生，对环境友好。
1）燃烧过程复杂，需要准确的参数计算 和模拟；2）燃烧区域内温度高，对材料 耐受性要求高；3）燃烧稳定性差，需要 对喷射条件和燃烧控制进行精确调节。
非预混燃烧模拟方法及步骤
燃烧器内的火焰分布
燃烧学9-非预混火焰
燃烧学
9-非预混火焰
与出口燃料质量分数
第二节 扩散火焰特点
扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火， 而是始终“悬挂”在管口。
当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄
第三节 层流扩散火焰结构
过通风火焰 氧化剂流量超过燃料燃烧 所需的化学恰当量（即总 的氧化剂过量）。火焰靠 近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值， （即燃料过量），火焰向 外壁蔓延
1/ 2 d* d （ / ） j j e
无因次火焰长度经验公 式 : Lf fs * L d j ( e / )1/ 2 或 L
*
Lf fs d* j 13.5Frf2 / 5 (1 0.07Frf2 )1/ 5
在浮力起主要作用区域 ，无因次火焰长度的经 验公式为 : Frf 5 L*
火焰分类
扩散火焰特点 层流扩散火焰结构 湍流扩散火焰
第一节 火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念
预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应
由于 Τchem<< τtransport(或τdiffusion) 故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0
第三节 扩散火焰与预混火焰
火焰分类 扩散火焰特点 层流扩散火焰结构 湍流扩散火焰
第一节 火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念 预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应
估算火焰升起高度的射 流熄火流量经验关联式 :
e S LLeabharlann max h e50S
ve
L ,max
e
1.5
式中 : h为火焰升起高度 , S L,max 为最大层流火焰传播速 度,
e为动力粘性系数
ve S L,max
e
1.5
0.017 Re H (1 3.5 10 6
Re H )
(d)α1 =0，管 中供应的为 纯油气。所 需氧气全部 从外界获得 ，故为纯扩 散燃烧，火 焰最长
扩散火焰
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散形式实现
扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状 态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数 影响不大
强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺 混条件
(a) α1 >1，当管 中混气为贫油时 的动力火焰。此 时混气中有足够 氧气，不需要从 外界获取氧气， 故火焰光滑，随 着α1增大，火焰 变长
(b)α1 =1，化 学恰当比下 的动力火焰 。此时温度 高，火焰传 播速度快， 故火焰高度 最短
(c)α1 <1，富油燃烧 ，此时混气燃料多 而氧气少，故有剩 余燃料。此时出现 两个火焰锋面，内 焰大致相当于α1 =1 的动力型火焰，外 焰面为剩余燃料经 扩散获得外界氧气 燃烧而形成，称为 扩散火焰，内焰温 度较高，外焰则较 低
高等燃烧学讲义第9章(郑洪涛2学时)
• 此外，由于只存在燃料和氧化剂两种组分，因此：
第九章 层流扩散火焰—— 9.1 无反应的恒定密度层流射流——边界条件
• 由上述方程组求解vx(r, x)、vr(r, x)、YF(r, x)，一共需要7 个 边界条件，其中关于vx和YF的各有三个(两个是在给定r 下的 x 的函数，一个是给定x 下的r 的函数)，还有一个是关于vr 的(给定r下x的函数)，如下所示: • 沿着中心线(r=0) 有
• 式中：
• 则 • 要找到中心线上的燃料质量分数为化学当量值的轴向位置， 可以在式(9.18)中令YF, 0=YF, stoic，解出x，得 • 分别对两个工况进行计算得:
• 可见，低速射流的燃料浓度衰减到与高速射流相同的值时， 其轴向距离只是高速射流时的1/10 。
第九章 层流扩散火焰—— 9.1 无反应的恒定密度层流射流——求解
第九章 层流扩散火焰—— 9.2 射流火焰的物理描述
• 在碳氢化合物的燃烧火焰中，常有碳烟存在，火焰就可能 呈现为橙色或黄色。 • 如果有充分的时间，碳烟就会在反应区的燃料侧形成，并 在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗。 • 图9. 5 表明了简单射流火焰焰舌处的碳烟形成区和消耗区。 由于燃料和火焰 停留时间不同， 在燃料侧形成的 碳烟在向高温区 移动中可能不能 被完全氧化，冲 出火焰形成碳烟 的 " 翼 " ，这部分 从火焰中出来的 碳烟通常称为烟。
第九章 层流扩散火焰—— 9.1 无反应的恒定密度层流射流——求解
• 求解速度场可以通过相似理论来实现，相似性是指速度的 内在分布在流场内的各处都相同。 • 对于现在讨论的情况来说，这就意味着vx(r, x)的径向分布 用局部中心线上的速度vx(0, x)无量纲化后，得到的无量纲 速度仅仅是相似变量r/x的通用函数。 • 轴向速度和径向速度的解为
西工大燃烧学各章总结+重点问答题
前沿：燃烧强烈放热和发光的快速氧化反应过程。
按化学反应传播分类：强烈热分解、缓燃、爆震。
燃烧现象是流动、传热、传质和化学反应同时发生又相互作用的复杂的物理化学现象。
第一章：燃烧热力学化学恰当反应：所有参加化学反应的反应物都按化学反应方程规定的比例完全燃烧的反应。
特点：反应物完全消耗，燃烧强度最高。
空气-燃料化学恰当比（空—燃比）：化学恰当反应时消耗的空气—燃料质量比。
当量比：实际燃油量所需的理论空气量与实际空气量之比或实际燃油量与理论燃油量之比。
余气系数：实际空气量所需的理论燃油量与实际燃油量之比或实际空气量与理论空气量之比。
热效应：温度不变，对外界只做容积功，所交换的热量。
反应热：化学反应过程中系统与外界交换的热量，统称为反应热。
反应焓：等温、等压条件下，反应物形成生成物时吸收或放出的热量（热效应）热效应：能够表征物质的属性而且是在特定条件下进行的化学反应的反应热，则称为热效应。
绝对焓：某一参考温度下该组分的生成焓和从某一参考温度开始的显焓变化之和。
标准反应热: 标准状态下的反应热。
燃烧焓：当1 mol的燃料与化学当量的空气混合物以一定的标准参考状态（比如1atm，25℃）进入稳定流动的反应器，且生成物（假定为CO2，H2O，N2）也以同样的标准参考状态离开该反应器，此反应释放出来的热量。
燃料的发热量：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料（在标准状态下）与空气完全燃烧时所能释放出的最大热量。
是衡量燃料作为能源的一个很重要的指标。
燃料热值：1kg燃料在标准状态下与空气完全燃烧所放出的热值。
高热值HHV（凝聚相），低热值LHV（汽态）。
绝热燃烧（火焰）温度（Tad）：当燃料和空气的初始状态，即燃料/空气比及温度一定时，绝热过程燃烧产物所能达到的温度。
分类：等容燃烧和等压燃烧。
热离解：燃烧产物的分子在高温下吸收热量而裂变为简单分子或原子的现象。
标准生成吉布斯自由能：在标准状态（压力）下，由稳定单质（包括纯的理想气体，纯的固体或液体）生成1mol化合物时吉布斯自由能的变化值，称为该化合物的标准生成吉布斯自由能。
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(a) α1 >1，当管 中混气为贫油时 的动力火焰。此 时混气中有足够 氧气，不需要从 外界获取氧气， 故火焰光滑，随 着α1增大，火焰 变长
(b)α1 =1，化 (c)α1 <1，富油燃烧， 学恰当比下 此时混气燃料多而 的动力火焰。 氧气少，故有剩余 此时温度高， 燃料。此时出现两 火焰传播速 个火焰锋面，内焰 度快，故火 大致相当于α1 =1的 焰高度最短 动力型火焰，外焰
根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：
（1）自由射流湍流扩散火焰 （2）受限射流湍流扩散火焰 （3）同心射流湍流扩散火焰 （4）旋转射流湍流扩散火焰 （5）逆向射流湍流扩散火焰
相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分 析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长 度和半径的经验公式
d
* j
在浮力起主要作用区域
，无因次火焰长度的经
F rf 5
L*
13
.
5
F
2 rf
/
5
(1
0 .07
F
2 rf
)1 / 5
在动量其主要作用区域 ，无因次火焰长度的经
F rf 5
L* 23
验公式为 : 验公式为 :
甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：
（1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得 甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；
本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环 境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制， 属于动力燃烧； （3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动 力-扩散燃烧。
面为剩余燃料经扩
散获得外界氧气燃
烧而形成，称为扩
散火焰，内焰温度 较高，外焰则较低
(d)α1 =0，管 中供应的为 纯油气。所 需氧气全部 从外界获得， 故为纯扩散 燃烧，火焰 最长
扩散火焰
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散形式实现
扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状 态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数 影响不大
（3）湍流火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷 口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增 加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有 褶皱和噪音）
火焰高度
层流 :
Hl
Q
2D m
Q : 体积流量 ; Dm : 扩散系数
湍流 :
R 2v R 2v R 2v
H t Dt e Rv R
强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺 混条件
第二节 扩散火焰特点
扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火， 而是始终“悬挂”在管口。
当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄
第三节 层流扩散火焰结构
过通风火焰 氧化剂流量超过燃料燃烧 所需的化学恰当量（即总 的氧化剂过量）。火焰靠 近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值， （即燃料过量），火焰向 外壁蔓延
层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界 面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在α=1处 形成火焰锋面
在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度 达到最大值，然后向两侧扩散
焰面外侧： 空气+燃烧产物 焰面内侧： 燃料+燃烧产物 焰面： 燃料与空气的理论浓度为零
层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律
在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间τchem远小于 流动特征时间 Τchem<< τtransport(或τdiffusion)
火焰结构由反应物和能量的分子 扩散决定（即扩散过程是最慢的、 控制反应速度的过程），火焰可 以从分开燃料和氧化剂的表面取 一个薄层来模拟。
火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。 由于 Τchem<< τtransport(或τdiffusion) 故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0
（2）甲烷出口密度很小，使得动量直径显著变小，这个较小 的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（尽管甲烷 的化学计量系数比丙烷小，但它的影响比动量直径要小得多）
对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：
（1）初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗 卢德数Frf （2）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1) （3）喷管内流体密度与环境气体密度之比ρe/ ρ∞ （4）初始射流直径di
火焰弗卢德数定义如下 :
Frf
ve
f
3
/
2
e
缩短，直到破裂点靠近喷口。此 时火焰达到完全湍流状态，此后 破裂点位置不变（或与管口距离 略有缩短）、火焰高度趋于定值， 但噪音增加
扩散燃烧火焰长度的变化规律
（1）层流扩散火焰区：火焰高度（长度）与气流速度成正 比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火 焰长度增加）；
（2）扩散火焰过渡区：火焰高度（长度）随气流速度的增 大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流 速度越大，层流状火焰长度越短；
第四节 湍流扩散火焰
在射流速度较低 时，火焰保持层 流状态，火焰前 沿面光滑、稳定、 明亮、清晰
随着射流速度增 加，火焰高度增 加，直到某一最 大值，此时火焰 仍然保持层流
在增大射流速度，顶 部开始出现颤动、皱 折、破裂，表明端部 出现湍流，继由续于增湍加流射流速度，火焰端部的 脉动，湍流湍扩流散区混长合度增加，开始颤动、皱 加快，燃烧折速、度破增裂加的，点（转变点）向喷口 使火焰高度方缩向短移动，火焰的总高度则明显
/
1/ 4 T f
T
1/ 2 gd j
其中: Tf 为燃烧特征温度，ve为出口流速
将喷管内流体密度与环境密度之比直径 :
d
* j
d（j e
/
）1/ 2
无因次火焰长度经验公 式 :
L*
d
Lf fs j ( e / )1/2
或
L*
Lf fs