燃烧理论第5章-新解析
第五章气体燃烧
根据这几个准则数,可以导出β的公式: 当Le≈1时,即 a≈D时,就有 Pr = υ /a ≈ υ /D=Sc Nu=f(Re,Pr)≈f(Re,Sc)=Sh 即αL/ λ ≈ βL/D β≈ αD/ λ ≈ αa/ λ= α/ Cp ρ 这就是根据相似准则导出的α与β的关系式, 已知α可 由此准则关系数近似求出β。 这样就解决了用m=β(Cf-Cw)公式计算中的主要问题。 这是在α=D或Le=1的条件下导出的,既适用于层流,也 适用于湍流,当然,对Le≠1时,α与β之间存在着更为普遍 的关系式。
在传热学中，管内湍流换热的准则关系式是 Nu Pr2/3/Re Pr=0.038Re-1/4 或Nu=0.038Re3/4Pr1/3 质量交换的准则关系式是 Sh Sc2/3/ReSc=0.038Re-1/4 或Sh=0.038Re3/4Sc1/3 两个式子相比得:Nu/Sh=(Pr/Sc) 1/3 即(αL/ λ) / ( βL/D ) =[ ( υ /a ) / ( υ /D ) ]1/3 a = λ/Cp ρ 即α/ β= λ/D(D/ a) 1/3 = Cp ρ (a /D)(D/ a) 1/3 = Cp ρ (a /D ) 2/3 =CpρLe 2/3 即β= α/ CpρLe 2/3
二. 层流火焰传播速度
依据泽尔多维奇(Zeldovich)的热理论模型推导的解析式 为: Uce=[(α/ρCp) 2qVm/(Ty0-T0)2(RTy02/E)]1/2 此式的用途主要是定性分析各种参数对Uce的影响,用此 公式计算出Uce值尚有困难,且由于模型的近似, 使得具体 结果与实际测定相差较大。 Uce大多是用实验来测定,其方法主要是: (1)管子法 (2)皂泡法 (3)本生灯法──应用最普遍,测定较简单。 (4)颗粒示踪法
《消防燃烧学》第5章 燃烧温度
空气消耗系数n
在n>=1的情况下，n值越大，理论燃烧温度越 低。因此在保证完全燃烧的情况下，尽量减小n
21
影响理论燃烧温度的因素
空气（或煤气）的预热温度
预热空气可显著提高理论燃烧温度。如对高炉煤气、 发生炉煤气，预热空气升高200oC可提高理论燃烧温 度100oC，对重油、天然气等可提高150oC 对高发热量的煤气，预热空气比预热煤气效果更大， 因为发热量越高，L0越大，空气的物理热更多 预热是利用余热在低温下实现，非常利于节能 氧含量越高，燃烧产物生成量越减少。因为氮气少 在氧含量在小于约40％时，氧含量变化影响显著。 大于40％后，变化影响减缓。 氧含量对高热值燃料影响大，对低热值燃料影响小
产物的平均比热为各组分比热的加权和 c’=(CO2’.cCO2+H2O’.cH2O+N2’.cN2)/100
计算该温度下的i’=c’ . t’,使得i’<i 再假设一个温度t’’，使得i’’=c’’ . t’’>i 利用i与t的线性关系，根据几何相似性，即可求出 t热
t热t' ( t ' ' t ' ) (i i ' ) i ' ' i '
4
理论燃烧温度
t理 Q 低 Q空 Q 燃 Q分 V n c产
第五章火焰传播和火焰稳定性
W
a
0C P
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：u L, ref B M B2 ( M ) 2
T 350 K 时：u L u L, ref T / Tref P / Pref (1 2.1Ydil )
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
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
燃烧理论
在燃料着火区，可燃物浓度 比较高，而氧浓度比较低。 这主要是为了维持着火区的 燃料的活化能越小，反应能力 高温状态，使燃料进入炉内 就越强，反应速度随温度变化也较 后尽快着火。 小，在低温下也能燃烧。 活化能愈大的燃料，其反应能 力愈差，反应速度随温度的变化也 随着反应温度的升高，分子运动的 愈大，即在较高的温度下才能达到 平均动能增加，活化分子的数目大 较大的反应速度，这种燃料不仅着 大增加，有效碰撞频率和次数增多， 火困难，而且需要在较高的温度下 因而反应速度加快。对于活化能愈 经过较长的时间才能燃尽。 大的燃料，提高反应系统的温度， 也能提高反应速度。
二、炉膛内的火焰传播
1．正常的火焰传播（缓慢燃烧） 正常的火焰传播过程中，火焰传播速度比较 缓慢，约为 1～ 3m/s ，燃烧室内压力保持不变。 炉内煤粉气流稳定燃烧时的火焰传播就属于正常 的火焰传播。
2．反应速度失去控制的高速爆炸性燃烧 锅炉炉膛内出现爆炸性燃烧时，火焰传播速度极 快，达 1000 ～ 3000m/s ，温度极高，达 6000℃；压力 极大，达 2.0265ＭPa (20.67大气压)。 压力的急剧增大是由于高温烟气膨胀产生的压力 波，使未燃混合物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高， 以致产生爆炸性燃烧。
第五章 燃烧理论基础
本章主要讲述有关电站锅炉的燃烧理论，其 解决的主要问题是： (1) 判断各种燃料的着火性能，分析影响着火 过程的主要因素，保证燃烧过程顺利进行。 (2) 研究如何提高燃料的燃烧速度，提出加速 燃烧反应，提高燃烧效率的途径。 (3) 解决降低燃烧产物中污染物排放量的问题。
第五章 燃烧温度
内插法不受空气、富氧等条件限制。
• 习题： 根据烟煤 Cr=85.32,Hr=4.56,Or=4.07,Nr=1.8,Sr=4.25,
Ag=7.78,Wy=3 已知燃烧产物各成分的量： VCO2=1.43,VSO2=0.03,VH2O=0.5,VN2=6.25(m 3/kg) • 求燃烧发热温度(3种方法)
C 产=CCO2CO2’%+CH2OH2O’%+CN2N2’%
上式中 CCO2、CH2O、CN2 都是温度的函数，即
CCO2=fCO2(t 热)，CH2O=fH2O(t 热) ，CN2=fN2(t 热)
(1)联立求解方程 设Ci=A1i+A2it+A3it2 ，i=CO2，H2O，N2 V0C产=ΣViCi
达到的温度。
• 当不考虑Q传和Q不（即Q传=0，Q不=0） 时，有
•
t理=
QD
Q空 Q燃 Vn • c产
- Q分
• 称为理论燃烧温度（绝热完全燃烧火焰 温度）——表明某燃料在某条件下所达 到的最高温度。
量热计温度
• 理论燃烧温度计算过程中不考虑热分解 影响
• t量= QD Q空 Q燃 Vn • c产
QD+Q物Q分 t理= ——————————
VoC产+（n-1）LoC空
如果
| t理’ t理| (指定的误差) 则求得 t理；否则，再令
燃烧学导论第三版答案第五章
燃烧学导论第三版答案第五章
1.可燃物的着火方式可为：_________和_________两类。其中不需要外界加热，靠自身化学反应而发生着火的现象称为___；需将可燃物和氧化剂加热到某一温度时能发生自动着火称为 ___。 [填空题] *
空1答案：自燃
空2答案：引燃
空3答案：自热自燃
空4答案：受热自燃
2.热自燃理论认为，着火是_________与_________共同作用的结果。 [填空题] *空1答案：放热
空2答案：散热
3.链锁反应三步骤为_________、_________和___。 [填空题] *
空1答案：链引发
空2答案：链传递
空3答案：链终止
4.以下燃烧方式属于自燃的是（）。 [单选题] *
A.木材燃烧
B.油锅受热起火(正确答案)
C.汽油发动机的燃烧
D.液化气爆炸
5.黄磷暴露在空气中自行发生燃烧，属于（）着火方式。 [单选题] *
A.受热自燃
B.点燃
C.自热自燃(正确答案)
D.引燃
6.火柴摩擦而着火，属于（）着火方式。 [单选题] *
A.受热自燃(正确答案)
B.点燃
C.自热自燃
D.引燃
7.烟煤因堆积过高而自燃，属于（）着火方式。 [单选题] *
A.受热自燃
B.点燃
C.自热自燃(正确答案)
D.引燃
8.下列关于着火条件的说法，正确的是（）。 [单选题] *
A系统达到着火条件意味着系统已经处于着火的状态
B着火条件是指体系的着火点
C着火条件是化学动力学参数和传热学参数的综合函数(正确答案) D着火条件是指体系着火时的临界环境温度
9.下列说法中错误的是（）。 [单选题] *
A.发热量越大，体系越容易自燃
燃烧理论5着火的理论基础
氢 (H2) 一氧化碳 (CO) 甲烷 (CH4) 乙烷 (C2H6) 丙烯 (C3H6) 乙炔 (C2H2) 硫化氢 (H2S) 氨 (NH3) 高炉煤气 焦炉煤气 发生炉煤气 生活用煤气 天然煤气
571 609 632 472 504 305 290 651 700~800 650~750 700~800 560~750 530
着火的临界压力与容器尺寸的关系
PV CVNa RT0
VQk0C v Ee RT0 e 1 RT02 S
T0及其余参数不变
E
E VQk0 P v Ee exp 1 v 1 v 2 v aSN a R T0 RT0
V P S 定值
v
球形容器，ν＝1
PD=定值
着火过程是一种典型的受化学动力学控制的燃 烧现象。
5.1 着火过程及方式
一、着火的方式与机理
自然界中燃料的着火方式
自燃着火 预混可燃气体由于自身温度的升高而导致化学反应
（自燃）
速率自行加速引起的着火称为自然—— 整体加热。
预混可燃气体由于外界能量的加入，如电火花等点 强迫着火 火源点致使预混可燃气体化学反应速度急剧加快引 （点燃或点火） 起的着火——局部加热。
E
——热自燃条件的表达式
系统的散热条件(α、S、V)和混合气的化学性能参 数(E、Q、k0、v)已知，则根据上式有： 若给定C T0 ； 若给定T0 着火时混合气的临界浓度值C。
第五章 火焰传播与火焰稳定
QK ( 0 y 0 ) exp( E / RT ) ul 2 2 0 C p (Tm T0 )
n
1/ 2 ( p 0n 2 ) / 2
四、影响层流火焰传播速度的因素
火焰前锋的厚度：
dT Tm T0 dx
dT u l 0 C p (Tm T0 ) dx
x , T T0 ,
dT 0 dx
0ul C p (T f T0 ) dT dx
2 Tm dT ＝ dx T f WQdT
三、层流火焰传播速度
ul
2 WQdT
Tf 2 2 0 C p (T f T0 ) 2
二、本生灯火焰的稳定
一维管流的火焰稳定条件：
一维管流的火焰 稳定条件：混气 速度等于火焰传 播速度
二、本生灯火焰的稳定
锥形火焰的稳定条件：
a a 为火焰锋面
法向稳定条件－余弦定律：
d q 常数 / ul p
淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比
四、影响层流火焰传播速度的因素
淬熄距离：
温度对淬熄距离的影响
压力对淬熄距离的影响
四、影响层流火焰传播速度的因素
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。
燃烧与爆炸理论第五章 可燃液体的燃烧与爆炸
举例：飞机油箱中燃油的爆炸温度极限的变化
9.6116 9.8443 10.3730 10.7647 10.9523 9.9586
-77～191 -28～31 17～173 -44～224 -31～242 -37～290
7
*克劳修斯—克拉佩龙方程仅适用于单一组分的纯液体。 拉乌尔定律(稀溶液) 0 ①理想溶液: PA PA X A 0分别为溶液中某组分 A溶剂和纯溶剂的蒸 式中:P ,P A A 气压。 X 为溶液中溶剂的摩尔分数。 A ②非理想溶液，拉乌尔定律应修正为:
LP L 100% Pf P 100 若已知爆炸下限L，即可求出Pf，根据克劳修斯一克拉 佩龙方程，求出该液体的闪点: Pf
LV lg Pf C' 2.303RTf
23
5.3.5 爆炸温度极限
（1） 爆炸温度极限
液面上方液体蒸气浓度达到爆炸浓度极限，混合 气体遇火源就会发生爆炸。 蒸气浓度与温度成一一对应关系。
5.2 液体蒸发
5.2.1 蒸发过程
蒸发 凝结 液体分子 → 蒸发分子 → 液体分子→动态平衡。
5.2.2 蒸汽压
①饱和蒸发压：一定温度 , 液体与其蒸气处于平衡态时 , 蒸 气所具有压力。 ②特点:与液体的种类和温度有关,与液体的数量和液面上空 间大小无关。
液体蒸发的决定因素
第五章 煤粉燃烧理
n
KL
式中 M——气流的切向旋转动量矩； K —— 气流的轴向旋转动量 ； L——燃烧器喷口的特征尺寸。
2、旋转射流流型 随着旋转强度的不同，旋转射流有三种不同的流动状态：封闭气流、
开放式旋转射流、形成全扩散式旋转射流 封闭气流没有 回流区，对着火不利；全扩散式旋转射流又叫做“飞边”。 飞边会使火焰贴墙，造成炉墙或水冷壁结渣。
。
（二）旋流煤粉燃烧器的型式 旋流煤粉燃烧器是利用旋流器使气流产生旋转运动。 旋流器的主要有：蜗壳型和叶片型两大类。 蜗壳型旋流燃烧器（蜗壳作旋流器）：现主要有直流（一次风）蜗壳（单蜗 壳）和旋流（一次风）蜗壳（双蜗壳）。 叶片型旋流燃烧器（叶片作旋流器）：现主要有轴向叶片及切向叶片等。
1、直流（一次风）蜗壳（单蜗壳）燃烧器
kJ/kg （2）强化着火的措施：理论上可以从加强放热和减少散热 两方面着手。在散热条件不变的情况下，可以增加可燃混合 物的浓度和压力，增加可燃混合物的初温，使放热加强；在 放热条件不变时，则可采用增加可燃混合物初温和减少气流 速度、燃烧室保温等减少放热措施来实现。 锅炉实际采取的措施：提高一次风温度（热风送粉）、 降低一次风量（率）和风速（无烟煤w1=20～25m/s）。
P n kn x ( ) RT
n A
4、催化反应：催化剂可影响化学反应速度，但化学反应却 不能影响催化剂本身。 5、连锁反应：连锁反应可以使化学反应自动连续加速进行。 二、煤的燃烧 燃烧一般是指燃料与氧化剂进行的发热与发光的高速化 学反应。燃烧是指燃料与氧的剧烈化学反应。燃料与氧化剂 可以是同一形态的，如气体燃料在空气中的燃烧，称为单相 （或均相）反应，燃料与氧化剂也可以是不同形态的，如固 体燃料在空气中的燃烧，称为多相（或异相）燃烧。 炭粒的燃烧速度是指炭粒单位表面上的实际反应速度。 炭粒表面按完全燃烧反应的化学反应速度，氧向炭粒表面的 扩散速度。当燃烧过程稳定时，氧的扩散速度与化学反应速 度应该相等，并都等于燃烧速度，即
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。
燃烧学 第五章 气体燃料的燃烧
图5-9 自燃条件下温度与压力的关系
临界压力——温度
一定压力下着火温度——成分
四、影响着火的因素
Q
• 增加释热量QI
– 增加燃料浓度 – 增加燃料压力 – 增加燃料发热量 – 增加燃料活性
释热率曲线左移，在相同温度下， 燃料放热量增加，着火温度降低， 着火温度降低，着火提前
QI’’
QI’
QII’’
Q o C n e V x E / k R o p c T S ( T c T o )c
R EC 2T Q0 V Cnk exp E/(R0C T )S
TcT0c RcT 2 E
三、非绝热条件下的自燃过程
1
Tc
E E14RT0c2 2R 2R E
按泰勒级数展开指数项
14R T 0c E1 212R E T 0c2 R E T 0c 2L
一、什么是点燃
• 工程上是燃料着火的方式通常为点燃 • 点燃定义
– 具有较高能量的外界热源接触可燃气体，依靠外界能 源使部分预混可燃气体首先发生剧烈反应而着火，然 后火焰传播到整个混合气中去，又称为强迫着火，强 燃
• 常用的外界热源
– 炽热物体（石英球、铂球） – 小火焰（具有一定的温度和火焰厚度） – 电火花，工程上常用，控制电极距离
T T0 C0 C
Q1
C p
T
T0
燃烧学讲义-第5章气体燃料燃烧幻灯片PPT
7
Q
Q1
Q2Ⅰ
产热：Q 1k0ex p (R E T)C nV Q
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
A T0Ⅰ
T0Ⅱ
B Tlj T0Ⅲ
散热： Q 2 S(T T 0)
T
8
① 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄 灭状态; C点，不稳定，脉动→燃烧 or 熄灭
② 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火 ③ 线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点
级数展开：
R E T qr (1 T q T r( T q T r)2) 1 (R T T qr2) E
27
因此如 T RTqr2 时，阿累尼乌斯因子下降R T q r 2
E
E
倍，e2 7.39时下降 e'2.78 倍，一般认为，温度下
降
后，阿因子已大大减小可忽略其后影响。
故可认为化学反应在0123区(域Tqr， 即RTEqr2 )
由该式可求得Tqr
m Tqr2 exp(E)
(TqrT0)2
RTqr
30
由
N u2 k 0 C 1 n Q RT q r2 e x p (E)
L
E (T q r T 0 )2
R T q r
可分析：
① L↓，Tqr↑ ② Nu（气流速度上升，η↑，散热增大）↑，Tqr↑ ③ P↑（C↑）, Tqr↓ ④ λ、E↑，Tqr↑ ⑤ Q↑, Tqr↓ 强燃温度明显高于自燃温度，通常要达到1000℃以上。
05第五章-火焰传播与气体燃料燃烧
一、紊流燃烧时均反应速率与混合分数模型
1、时均反应速率
如前所述，对于简单的一步化学反应，反应速 率可由阿累尼乌斯公式表示。此公式对于层流 火焰是适用的。然而，当流动变为紊流后，温 度、反应物浓度都将随时间和空间而脉动，此 时，阿累尼乌斯公式只是描述了反应速率的瞬 时值。
第55页，共78页。
第27页，共78页。
二、紊流火焰传播速度
第28页，共78页。
1、紊流火焰的表面理论
在2300≤Re≤6000范围内，紊流为小尺度的。
uL a
第29页，共78页。
u / u Re T L
S ' 4l / 2 l / 22 h2
S
l2
1 h 2 l/2
第30页，共78页。
对于大尺度弱湍动的火焰，w’＜uL
第12页，共78页。
第13页，共78页。
薄层有以下特点： （1）在火焰前沿厚度的很大一部分,化学反应速
率很小。化学反应主要集中在很窄的区域（Ⅱ） 中进行，厚度为lc，称为化学反应区。
第14页，共78页。
（2）由于火焰前沿的厚度很小，但温度和浓度 的变化却很大，因而在火焰前沿中出现了很大 的浓度梯度及温度梯度。
（2）化学反应时间尺度＜＜紊流时间尺度
这种类型的火焰在燃烧过程中是常见的，即称为快速反应。 从总体来说，化学反应是快的，是可以认为处于局部瞬态 平衡。在这类火焰中，紊流混合过程是控制反应速率的过 程。反应在反应物混合的瞬间即达到平衡。对于这些情况， 可以用守恒量或叫混合分数来判别某处的“混合程度”。 这种守恒量是局部瞬态当量比的一种度量，并且在瞬态守 恒量和瞬态化学性质之间（例如组分、温度和密度）存在 着唯一的函数关系。
燃烧学第五章着火与熄火
概述
影响着火与熄火的因素
化学动力学因素：燃料性质、混气成分、环境温度
流体力学因素：气流速度、燃烧室结构尺寸
§5-1 热自燃理论
一、着火条件
在一定的初始条件（闭口系统）或边界条件（开口系统） 下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空 间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么实现这个过 渡的初始条件或边界条件为“着火条件”。着火条件不是一 个简单的初温条件，而是化学动力参数和流体力学参数的综 合函数。 闭口系统：
§5-1 热自燃理论
三、稳态分析法
弗朗克－卡门涅茨斯提出稳定分析法：
容器内由于反应与热传导的结果形成稳定温度分布， 如果达到着火条件，则容器中就不可能存在稳定的温度 分布，在数学上表现为方程的解不存在。此方法着重于 数学求解。 着火过程的基本方程为：
div( gradT ) QS wS
二、非稳态分析法
着火临界点：
A点：稳定点，对应 于一个反应速率很小 的缓慢氧化工况。 C点：非稳定点，两 种发展方向，对热自 燃而言不可能出现的 工况。
B点：临界工况。
二、非稳态分析法
对流换热系数的影响：
二、非稳态分析法
着火温度：
q1 q2 dq1 dq2 dT dT
T QS wS
2
QS
Ke
第五章火焰传播和火焰稳定性
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
T 350 K 时：uL uL,ref T / Tref P / Pref (1 2.1Ydil )
式中： 参考状态指： Tref 298 K、Pref 1atm
BM
、B2、
：由燃料类型确定的常数；
M
：当量比；
Ydil：稀释剂的浓度
2.18 0.8( 1)
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
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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)
22
s s s f f f
u 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。由式(5.1)、式（5.2）合并而得Rayleigh (瑞利)方程：
222
211s f s s f f f s p p u u ρρρρ-==
- (5.4)
并可分别地写成：
1
2
1
11
s f
f
f
f s
p p
u
ρ
ρρ
⎛⎫
⎪
-
⎪
=
⎪
-
⎪
⎝⎭(5.4a) 式(5.4)的左端实为介质在火焰前后的质量流量的平方，并为定值。设该值为C，则式(5.4)又可写成：
11
f s
s f
p p C C
ρρ
⎛⎫
=+-
⎪
⎝⎭(5.4b) 故Rayleigh方程在形式上又是p f与1/ρf(或v f)的线性关系式。在p~1/ρ(或v)图5-3a上，如燃烧前状态为（p s, 1/ρs ）,可在图上得到S点，满足连续方程及动量方程的关系是过S点的直线。
图5-3 Rayleigh图和Hugoniot曲线
（a）Rayleigh图（b）Hugoniot曲线当流量变化时，Rayleigh线是过S点的直线束。由于该直线的斜率为：
220
s s
C u
ρ
-=-〈，故Rayleigh线束在以S点为原点的第一、三限内不存在，如图5-3a 所示。当流量ρu=∞时，Rayleigh线为一条等容线，当ρu=0时，Rayleigh 线为一条等压线
将能量方程式(5.3)改写成:
2222
22
111111
22
s s
s s
f s
s f s f s f
u u
h h
ρρ
ρρρρρρ
⎛⎫⎛⎫⎛⎫
-=-=-+
⎪ ⎪⎪
⎪ ⎪⎪
⎝⎭⎝⎭⎝⎭
（5.5）与式（5.4）的Rayleigh方程合并后可得:
112f s f s f s p p h h ρρ⎛⎫--=+ ⎪ ⎪⎝⎭ (5.5a)
此式为Hugoniot 方程式。因为
s ps s fs
f pf f ff h c T h h c T h =+=+
所以
0ff fs h h H -=∆
式中：0
ff h ，0
fs
h 为产物及反应物的生成焓；H ∆为燃烧焓（热） 再利用1p c R
γγ=-，且ps sf c c ≈及气体状态方程后，Hugoniot 又可写成
()11112f s f s f s f s p p p p H γγρρρρ⎛⎫⎛⎫-=-+-∆ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭
（5.6） 这方程是p f ～1/ρf 的双曲线型。如流动过程中没有燃烧反应，则
0H ∆=,Hugoniot 曲线是过S 点的; 如果有燃烧反应则Hugoniot 曲线在S 点的上方，离开S 点距离与反应的发热量成正比，如图5-3b 所示。
有燃烧时，火焰锋面后方的流动参数及热力学参数应同时满足Rayleigh 方程及Hugoniot 方程的要求。因此，火焰后方的状态参数在p ～1/ρ 图上是 Rayleigh 线与Hugoniot 线的交点。
将Rayleigh 线与Hugoniot 线的重叠在一张p ～1/ρ图上后就便于研究有流动的燃烧参数变化情况，如图5-4所示。