西工大燃烧学课件

自由射流湍流扩散火焰
受限射流湍流扩散火焰


同心射流湍流扩散火焰 旋流射流湍流扩散火焰
逆向流射流扩散火焰
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。下 面介绍一些估算火焰长度和半径的经验公式。 对于燃料自由射流所产生的垂直火焰取决于以下4 个因素：
1
(c) 1 1 的富油燃烧。 (a) 1 1 表示 (b) 1 1 表 由于混气燃料多而氧气 当管中混气为贫 示化学恰当 少，因此有剩余燃料。 油时的动力火焰。 比下的动力 此时出现两个火焰锋面， 由于混气已有足 火焰。因为 的 内焰大致相当于 1 1 够氧气，不需要 此时温度高， 动力型火焰，外焰面为 在从外界获取氧 火焰传播速 剩余燃料经扩散获得外 气，因而火焰光 度快，因此 界氧气称为扩散火焰。 滑。随着 1 的加 火焰高度最 内焰温度较高，外焰温 大，火焰变长。 短。 度较低。
第九章 非预混火焰
第一节 层流扩散火焰
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（燃料和空气混合物）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。
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，喷咀附近，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； • (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，但是火焰有折皱和噪音）。
0.6565kg m 3 ，试确定该甲烷射流长度，并和例9.1
中的计算结果进行比较。 解 只要求出了甲烷射流的质量流量，我们就可以用例
9.1 的方法来求该甲烷射流火焰长度。根据两射流火 焰的释热量相等可得
CH4 LHVCH4 m C3H8 LHVC3H8 （使用燃料的低热值） m
CH4 m C3 H 8 LHVC3 H 8 m LHVCH4 46357 3.66 10 50016
• 强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺 混条件。
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 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。 图 9.1 受限层流气体扩散火焰
chem 在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间 远小于 流动特征时间
1 2
a. 1 0 ，燃烧所需空气全部由外界环境 通过引射提供，属扩散燃烧。 b. 1 1 ，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全化学反应的快慢（化学 动力因素）所控制，属动力燃烧。
c. 0 1 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 动力－扩散燃烧。
火焰高度（火焰锋面与轴心线相交的位置）
层流
Q Hl 2 Dm
Q — 体积流量 D m — 扩散系数
层流火焰高度与燃料流动速度成正比，但与喷嘴尺寸无关
紊流
Ht
R j 2u f DT

R j 2u f R ju f
Rj
湍流火焰高度与喷嘴尺寸成正比，但与燃料流动速度无关
根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：
r , r , Da 1, 良搅拌区域——无形
混合过程进行很快 ,燃烧的快慢主要取决于 化学反应速度（或化学动力因素），而与混 合过程关系不大。 动力－扩散燃烧 : 燃烧的快慢既与化学动力因素有关， 也与混合过程有关 。
本生灯:
一次空气消耗系数 1 : 从底部吸入的空气称为一次空气量 二次空气消耗系数 2 : 由出口引射所得的二次空气量 总空气消耗系数:
质量流量为 3.66 10 3 kg / s ，射流出口处的丙烷密度 为 1.854kg / m 3 ，环境压力为1atm，温度300K。试估 算该射流火焰的长度。 采用 Delichatsios关系式来估算该射流火焰的长度， Delichatsios关系式具体表示如下
13.5Frf2 5 * L 1 0.07Frf2 23
Frf 5 时 ，无量纲火焰长度
L*
1 0.07 1.386
0.5
13.5 1.3860.4
2 1.5
15.0
转换成实际火焰长度。无量纲出口直径为
e d dj 0.0078m
* j
1.854 0.00617 1.1614
扩散火焰的稳燃问题—吹熄问题
湍流扩散火焰的稳定性： 火焰既不被吹跑 (或叫脱火，吹熄 )，也不产生回火， 而始终“悬挂”在管口的情况。
当气流速度过大，燃料过稀或过浓，扩散火焰将 被吹熄。
扩散火焰的特点

扩散火焰不产生回火，但温度低
湍流扩散燃烧是当前工业上广泛采用的燃烧方法之一， 常用一些人工稳焰方法来改善火焰的稳定性
1/ 2
（9-10）
ue 是出口流速 式中： T f 是燃烧特征温度，
将喷管内流体密度与环境气体密度之比 e 直径 d j 综合为一个参数，即动量直径：
/ 与初始射流
d d j (e / )
* j
1/ 2
（9-11）
无因次火焰长度的经验公式：
L
*
Lf fs d j ( e / )
3
3.39 103 kg s
仿照例 9.1，先求出下列各量
1.1614kg m 3
T f 2226K
f s 0.0552
ue 172.7 m s
由 Delichatsios关系式可得
（查附表 C.1）
（查附表 B.1）
Frf 4.154
L* 20.36
d 0.0046m
(6) 在火焰锋面上，=1.0。
1
1
火焰面
Cair
Cp
Cf Cp
Cair

0

第二节 湍流扩散火焰
1. 火焰顶点
2
随射流速度增加 ，火焰高度增加 ，直到某一最大 值，此时火焰仍 保持层流。 在射流速度较低 时，火焰保持层 再增大射流速度，火焰 流状态，火焰前 顶部开始出现颤动、皱 折、破裂，表明出现局 沿面光滑、稳定 部湍流。由于湍流影响 、明亮、清晰。
因为

chem
transport diffusion
所以燃料和氧化剂浓度在火焰面上为零
层流扩散火焰结构
空气
燃料
空气
图 9.3 理想层流扩散火焰组分分布
• 层流流动时，混合是以分子扩散的形式进行的，在两股对流 交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料射流扩散，在 =1.0 处形成火焰峰面。
1
（查附表 C.1） （查附表 B.1）
1 fs 0.06035 A F stoic 1 15.57 1
m 3.66 103 ue 66.0 m s 2 2 e d j / 4 1.854 0.00617 / 4
现在可求出Froude数 66.0 0.060351.5 Frf 0.5 0.25 1.854 2267 300 9.81 0.00617 300 1.1614 1.386
• 在火焰峰面，燃料浓度和O2浓度均为零，燃烧产物浓度达到 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 燃烧产物浓度最大
空气
燃料
空气
层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律
(1) 火焰中心(射流轴线上)，燃料浓度最大，沿径向逐渐减小， 在火焰锋面上，燃料浓度为零；
(d) 1 0 为管 中供应的为纯 油气的情况。 它所需的氧气 全部从外界获 得，因此为纯 扩散燃烧，其 火焰也最长。
层流扩散火焰
扩散火焰
质量扩散以分子扩散的方式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散的方式实现
• 扩散燃烧整个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。
(2) 氧气浓度在环境处最大，沿着轴向到火焰锋面逐渐减小， 在火焰峰面上浓度为零；
(3) 温度和燃烧产物浓度在锋面上达到最大值；火焰锋面是反 应中心（温度最高），为燃料的理论燃烧温度； (4) 火焰锋面对燃料和氧气都是不可渗透的，锋面的里面是燃 料，外面是氧气。 (5) 层流火焰的外形只取决于分子扩 散速度，与化学反应速度无关。
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（Froude number）Frf；
2 ）化学恰当比fs 3 ）喷管内流体密度与环境气体密度之比 e /
4 ）初始射流直径 d j
火焰弗卢德数定义如下：
Frf
ue f s3/ 2
e /
1/ 4
T f T gd j
人工煤气扩散火焰
人工煤气预混火焰

扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
碳氢化合物在高温和缺氧的环境中会分解成低分子化合 物，并产生游离的碳粒。如果这些碳粒来不及完全燃烧 而被燃烧产物带走，就会造成环境污染，并导致能量损 失。
扩散燃烧时，火焰的根部及火焰的内侧容易析碳，因此， 如何控制碳粒生成及防止冒烟乃是扩散燃烧中值得注意 的问题。