第一节预混气中火焰的传播理论
4.4~6消防燃烧学
11.爆轰波的波速有多大？其压力一般在什么范围？ 12.防止可燃气爆炸的原则是什么？ 13.防止可燃气与空气形成爆炸性预混气的方法有哪些？ 14.采用惰气保护是一种常用的方法，其计算公式有那几个？ 15.切断爆炸传播途径的方法有哪些？ 16.应用安全水封和阻火器的应注意哪些问题？ 17.常用的泄压装置有哪些？各有什么什么特点？ 18.何谓湍流燃烧？湍流燃烧有何特点？为什么？ 19.湍流燃烧火焰传播速度受那些因素影响？ 20.何谓扩散燃烧？其火焰横向物质浓度、温度是如何分布的？ 21.火焰的高度与哪些因素有关？可燃气与氧的化学计量比及环 境中氧含量对火焰高度有何影响？
高温表面
2.防止形成爆炸性混合气体
• 管道、设备严格密封，设置监测装置 • 通风良好 • 惰气保护
V = 21 − O ⋅V O 21 − O Vx = ⋅V / O −O Vx 惰气需要量 O O/ 临界氧含量 惰气中的氧含量
对乙烷用氮气保护，氧含量临界值为11%，设备内原有空气100m3，求 1.纯氮气需要量？ 2.若加入氮气中含有6%的氧气，则需要该种氮气量为多少？
（三）扩散火焰横向物质浓度分布 （四）扩散火焰横向温度分布
• 4.1.3 层流扩散火焰与湍流扩散火焰 • 实际上，扩散火焰通常不能严格地符合由实验结果得出的简单图画 (图4.3)。因为气流内的涡团使火焰形状复杂化。而且当燃料喷入空气 中的速度足够高时，层流扩散火馅将转变为湍流扩散火焰。转变过 程如图4.4 所示。由图可以看出，在层流火焰区内，火焰高度随气流 速度的增大而增高，一直达到最高值。继续增加燃料的喷射速度， 在火焰顶部开始出现不稳定的湍流火焰。进一步提高气流速度，开 始转变为湍流火焰的位置(分裂点)迅速地降低，整个火焰的高度也降 低。再进一步增大气流速度．分裂点高度接近于一定值，而整个火 焰的高度也近似不变。
4火焰传播1
Raleigh图分析 Raleigh图分析
凡满足Raleigh方程的均为过点S的直线簇。 凡满足Raleigh方程的均为过点S的直线簇。 Raleigh方程的均为过点 由于Raleigh线的斜率< 0，所以过点S 由于Raleigh线的斜率< 0，所以过点S的 Raleigh线的斜率 直线在第一、 直线在第一、三象限不存在。
关键： 的计算 关键：P的计算
气体爆炸极限的应用 1. 评定气体和液体蒸气的火灾危险性 2. 评定气体生产、贮存火险类别，选择电器防爆类型 评定气体生产、贮存火险类别， 3. 确定建筑耐火等级、防火分区 确定建筑耐火等级、 4.确定安全生产措施 确定安全生产措施 a：密闭、防泄露 ：密闭、 b：防火安全措施 ： c；灭火措施确定 ； d：惰气保护 ：
2 C p (T f − T0 ) + ∆Η Pf = Ps + 1 1 ( + )
ρs
ρf
结论
• Hugoniot曲线是双曲线型。 Hugoniot曲线是双曲线型 曲线是双曲线型。 • 若无燃烧反应，Hugoniot曲线过S点。 若无燃烧反应，Hugoniot曲线过S 曲线过 • 若有燃烧反应，Hugoniot曲线位于S 若有燃烧反应，Hugoniot曲线位于 曲线位于S 点上方。 点上方。
2 f
ρ f ( Ps − Pf ) u = ρs ( ρs − ρ f )
2 s
得：
ρ s ρ f ( Ps − Pf ) 2 2 ρ s us = ( ρs − ρ f )
Ps − Pf ρ u =ρ u = 1 1 −
2 2 s s 2 2 f f
进一步有： 进一步有：
ρf
ρs
燃烧前后密度的平方与速度的平方的乘积为定值， 燃烧前后密度的平方与速度的平方的乘积为定值， 记做C 记做C ：
《消防燃烧学》教学大纲
《消防燃烧学》课程教学大纲课程名称：消防燃烧学英文名称：Combustion Fundamentals of Fire课程编号：04hzzyb507课程类别：专业技术基础课学时：总学时60，其中课堂讲授学时50，实验学时10适用专业：消防指挥普通本科说明部分一、课程性质《消防燃烧学》是一门主要讲授火灾发生、发展和熄灭基本规律的课程。
该课程是消防教育的重要专业技术基础课，是消防指挥普通本科专业的必修课和主干课。
作为一门独立的新兴边缘学科体系中的课程，其理论性、实践性和实用性都很强。
二、课程教学目的与任务通过这门课的教学，要达到如下目的，完成如下任务：（一）培养学员理论联系实际的能力，即运用所掌握的可燃性物质燃烧或爆炸基本规律、特性和防火、灭火基本原理等方面的知识，分析和解决实际火灾或爆炸事故及其预防和控制等方面问题的能力，包括将这些知识与其它相关课程的知识有机结合与融会贯通的能力，为以后的学习和工作打下良好的知识基础。
（二）培养学员观察、分析实验现象和动手操作的能力，这主要通过实验教学环节得以实现，即观察一些典型物质的闪燃、燃烧、爆炸、火焰传播、回火及阻火等基本实验现象，分析这些现象存在的根本原因，学会燃烧温度、自燃点、爆炸极限、闪点、氧指数及热分解温度等基本参数测定的基本操作，藉此初步培养学员辨证思维的能力和科学研究的能力，全面提高学员的综合素质。
（三）培养学员创新的意识、科学的态度和良好的学风，使学员成为适应新世纪要求的合格人才。
总之，通过本课程的学习，不仅要使学员学会并掌握一些燃烧或爆炸的基本理论来解决实际火灾或消防工作中存在的问题，更着眼于提高学员的实际能力和综合素质，从而使学员成为专业基础扎实、知识面宽、能力强、素质高，并富有创新精神的消防工作专门人才。
三、教学基本要求通过本课程的课堂教学，使学员对火灾燃烧现象的本质、重要可燃物质的物理化学性质、燃烧和爆炸的基本原理、着火和灭火的基本理论以及气态、液态和固态可燃物燃烧或爆炸基本规律等有全面的了解；初步掌握以燃烧理论为基础来分析火灾中的现象，建立能分析和解决实际问题的思维方法。
《消防燃烧学》课程考试大纲
《消防燃烧学》课程考试大纲课程名称：消防燃烧学英文名称：Combustion Fundamentals of Fire课程编号：04hzzyb506课程类别：专业技术基础课学 时：60适用专业：消防指挥(普通本科)考试总要求本课程的考试目标是考查学生对《消防燃烧学》基本概念、基本理论、基本方法和常用火灾预防与控制技能的掌握情况，检测学生分析问题、解决问题的能力。
为了便于考查，将概念和理论的考试分为“了解”和“理解”两个层次，对方法和技能的考试要求分为“会”、“掌握”和“熟练掌握”三个层次。
考试内容与要求要考查的《消防燃烧学》知识分为燃烧的化学基础、燃烧的物理基础、着火与灭火的基本理论、可燃气体的燃烧、可燃液体的燃烧和可燃固体的燃烧六部分。
一、燃烧的化学基础（一）燃烧本质和条件1．理解燃烧的本质；2．掌握燃烧的条件及其在消防中的应用。
（二）燃烧反应速度方程1．理解质量作用定律；2．理解阿累尼乌斯公式；3．掌握燃烧反应速度方程的推导。
（三）燃烧时空气需要量计算1．掌握固体和液体可燃物理论空气需要量的计算方法；2．掌握气体可燃物理论空气需要量的计算方法；3．掌握实际空气需要量的计算方法。
（四）燃烧产物及其计算1．了解燃烧产物的危害性；2. 了解燃烧产物的基本概念；3．了解燃烧产物的毒害作用；4．掌握有关燃烧产物的计算。
（五）燃烧热及燃烧温度计算1．了解燃烧温度的计算方法；2. 了解热容的基本概念及分类；3．掌握燃烧热和热值的计算方法。
二、燃烧的物理基础（一）热量传递概述1．了解热传递的基本概念，掌握其遵循的基本定律；2．了解热对流的基本概念，掌握其遵循的基本定律；3．了解热辐射的基本概念，掌握其遵循的基本定律。
（二）热传导1．了解非稳态导热的数值解法；2．了解一维稳态导热和非稳态导热微分方程的建立和求解过程；3．掌握导热微分方程式的理论推导及各种情况下的导热微分方程式的表达形式；4．掌握集总热容分析法及其应用条件。
6-湍流预混火焰讲解
湍流火焰的特点
均匀、各向同性的湍流流场，可以用两 个特征量表示湍流特征：湍流强度和湍 流尺度
湍流尺度：
（1）流动特征尺度（与管径、绕流物体尺度有关） （2）积分尺度（湍流宏观尺度，大涡尺度） （3）泰勒微尺度（与平均应变率有关） （4）柯尔莫戈洛夫尺度（最小尺度，与旋涡耗散有关）
湍流火焰的特点
小尺度湍流预混火焰传播速度确定
湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等 于二者传输率之比的平方根
ut un
T n
1/ 2
T n
/ 0cp / 0cp
1/ 2
λt表示湍流热传导系数 λl表示层流热传导系数 根据相似性原理，分子导温系数α= λn/(ρ0cp), 故 湍流导温系数αt= λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温 系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积，即
a）小尺度湍流火焰（2300<Re<6000） 条件： l<δL
现象：能够保持规则的火焰锋面，火焰前 沿仍然平滑，只是增加了厚度，火焰锋面 不发生皱折，湍流火焰面厚度δT> δn
特点：小尺度湍流只是由于湍流增强了物 质的输运特性，从而使热量和活性粒子的 传输增加，使湍流火焰传播速度比层流火 焰传播速度快，而在其它方面没有什么影 响
第一节预混气中火焰的传播理论-PPT文档资料
r U U ( 1 2) i 10 R U 管中心气流速度 (cm / s) 10 — R— 圆管半径 (cm ) U 半径为处的流速 i —
2
用余弦定理计算火焰传播速度
S U U li in icos i
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（三）火焰传播机理 1、热理论 火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量 传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速 的结果。
2、扩散理论 凡燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混气中传播是由于 火焰中的自由基向新鲜冷混气中扩散，使新鲜冷混气发 生链锁反应的结果。
二、层流火焰传播速度——马兰特简化分析
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4、惰性气体的影响 惰性气体加入量越多，火焰传播 速度越小。 5、混气性质的影响
S a l
12
C P
混气导热系数增加，火焰传播速度增加，热容增加，火焰 传播速度下降。 四、层流火焰传播速度的测定 1、理想火焰传播速度的测定 理想层流火焰面可以看作一正锥体。
U 1n A S l AV Sl V A V —混气容积流速 A—火焰表面积 U 气流速度在火焰法向上 的分量 1n —
E n 2 n 1 RT m K ( T T ) K f m i o s s e
C ( T T ) P i
三、火焰传播速度的影响因素 1、初温影响 混气初温增加，火焰传播速度越高。 2、压力的影响 对二级反应，压力与火焰传播速度关系不大。 3、可燃气体浓度的影响 混气中可燃气与空气比值不同， Sl不同。存在一最佳 比值，在此最佳比值条件下火焰传播速度最快；火焰 传播存在浓度极限，混气中可燃气太少或太多，火焰 均不能传播。
第一节 预混气中火焰的传播理论
第 4 章 可燃气体燃烧
缓燃（正常火焰传播） 爆震（爆轰）
缓燃（正常火焰传播）
火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进 入反应区而引起化学反应，导致火焰传播
传播速度一般不大于1～3m/s
爆震（爆轰）
火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的 压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使 燃烧波不断向未燃混合气中推进。
s
层流火焰传播速度 Sl 与导温系数 a 及化学反应速度 Ws 的平方根成正比
E
又：
Ws
Kos
n
f
n s
e RTm
a K
cp
所以： Sl
E
K
T Ti
K f e n2 n RTm os
cp Ti T
24
根据 P 关系可得：
结合声速公式：
c2
RT
p
1
M
2
pP p
1
/ 1
1/ 1/
P
12 其中 M 为马赫数。
（Ⅰ） p A′
A
休贡纽曲线
M
2
pP p
1
/ 1
1/ 1/
P
瑞利曲线
Q1
代入能量方程可得：
c pTP
u
2 P
2
Q
c pT
u2 2
6
连续方程： （质量平衡）
动量方程：
PuP u m 常数
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。
燃烧学—第4章1
h*
hP
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
6
《燃烧学》--第四章
连续方程： （质量平衡）
PuP u m 常数
P 2uP 2 2u 2 m2
PuP 2 u
2
m2
P
m2
动量方程：
2 2 pP PuP pu
1 1 1 c pTP c pT Q pP p 2 P 1 1 1 c p (TP T ) pP p Q 2 P
P
p P p m 2 1 1
马兰特简化分析的基本思想： 若由Ⅱ区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰就 能保持温度的传播
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
18
设反应区中温度分布为线性分布
《燃烧学》--第四章
热平衡方程式为 因为：
Gcp Ti T FK
dT Tm Ti dx c
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
2
《燃烧学》--第四章
可燃气体燃烧的形式
氧气
扩散燃烧
燃气
预混燃烧
燃气+ 空(氧)气
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
3
《燃烧学》--第四章
4.1预混气中火焰的传播理论
预混气中火焰的传播分为两种形式
缓燃(正常火焰传播） 爆震（爆轰）
缓燃(正常火焰传播）
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
16
4.2.2火焰焰锋结构
δ（火焰焰锋宽度） o 新 鲜 混 合 气 TC C→C0 SL δP δC a
《燃烧学》--第四章
消防燃烧学第四章
免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。
本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。
并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。
由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。
西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞 2012、5、28第四章1第四章 可燃气体的燃烧在石油化工企业生产中，会产生各种可燃气体，或使用可燃气体作原料。
可燃气体燃烧会引起爆炸，在特定条件下还会引起爆轰，对设备等造成严重破坏。
因此研究气体燃烧规律，对消防安全工作具有重要意义。
第一节预混气中火焰的传播理论火焰(即燃烧波)在预混气中传播，从气体动力学理论可以证明存在两种传播方式：正常火焰传播和爆轰。
一、物理模型与雨果尼特方程设有一圆管，管中充满静止可燃混气。
若管中某处有一火源，使混气着火，火焰就会在混气中传播。
假定火焰从右向左传播，如果混气不是静止的，而是自左向右流动，流速为∞u ，它刚好与火焰传播速度大小相等，方向相反，那么火焰相对于管壁就会驻定下来，为分析简单，只研究驻定情况，其物理模型见图4—1。
图中P 、ρ、T 、u 分别表示混气压力、密度、温度和速度。
下标“∞。
”表示是未燃混气参数；下标“P ”表示是已燃气体参数。
上述物理模型中气体各参数，在一定近似假定条件下，根据气体动力学理论，它们应满足以下方程式：q P P P P K K PP P P =----⨯-∞∞∞∞)11)((21)(1ρρρρ (4—1) 2222211P P P P u u m P P ρρρρ-=-=-=--∞∞∞∞ (4—2) 方程式(4—1)称雨果尼特方程，式中K 是热容比，它的物理意义是等压热容与等容热容之比，即VP C C K =，对于空气，K=1.4。
燃烧理论基础-层流预混火焰
2021/4/25
40
组分守恒
传质（扩散和宏观流动）进入控制体的A的质量等于反应产生的A的质量）
• 组分守恒
dmi mi
dx • 或者，根据费克定律
7.9
d
mYi
D
dx
dYi dx
mi
7.8
2021/4/25
41
简化的总包反应
那么：
• 1kg 燃料+vkg 氧化剂(v+1)kg 产物
mF
（1）
（2） （3）
（4）
(1)浓度梯度引起的分子扩散； (2)由温度梯度引起的热扩散； (3)有压力梯度引起的压力扩散； (4)除重力外其他体力引起的强迫扩散；
作业： 8.6
一般情形下的火焰速度？
如果考虑：传热、传质、化学动力学、热力学
火焰速度计算将很复杂
简化分析(基于Spalding的理 论)
7.10
对稳定流动 mi mi i=1,2,......,N
1 d
r2 dr
r2mi mi
i 1, 2,......, N
球坐标
二维轴对称坐标
1 r
r
r
vrYA
1 r
x
r
vxYA
1 r
r
r
AB
YA r
mA
(3) 多组分扩散（不讲）
在对燃烧系统的建模和学习理解中，尤其是对层 流预混和非预混火焰结构的研究中，不能用二元混 合物来做简化。在这种情况下，组分的输运公式必 须同时考虑众多且性质差别很大的组分。例如，我 们可以推断，大燃料分子的扩散速度要小于氢原子 的扩散速度。
一般 vu vb ？
点燃
火焰锋面
南京工业大学燃烧与爆炸理论-第三章--物质的燃烧
鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向 新鲜冷混气中扩散,使新鲜冷混气发生链 锁反应的结果。
（二）层流火焰传播速度— —马兰特简化分析
1．物理模型
图 3-4 火焰前沿中的温度分布 （Ⅰ）预热区 （Ⅱ）反应区
1．物理模型
• 反应区中温度分布为线型分布
lg
P1
A
1 T1
B
lg
P2
A
1 T2
B
lgP2 Hv T2T1 P1 2.303R T2T1
2. 正常火焰传播
• （Ⅲ）区是正常火焰传播区。 • ① 燃烧后气体压力要减少或接近不变； • ② 燃烧后气体密度要减少； • ③ 燃烧波以亚音速（即小于音速）进行
传播。
二、层流预混气中正常火
焰传播速度
（一）传播机理
1．火焰前沿概念
若在一长管中充满均匀混气,当用电火花或其它火 源加热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并 形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输送 给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化 学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的 新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始 由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃 区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反 应发光区为火焰前沿。
瑞利方程
1Pp p P 1 m2 2U 2p 2Up 2
（一）物理模型与雨果尼特方程
KM 2 P P P1 11 1 P
M称 马赫数,其物理意义是混气速度（它等 于燃烧波速度，只是方向相反）与当地声 速之比。
（二）正常火焰传播与爆轰
1、爆轰区 • （Ⅰ）区是爆轰区。 • ① 燃烧后气体压力要增加。 • ② 燃烧后气体密度要增加。 • ③ 燃烧波以超音速进行传播
天然气烧嘴：预混气体中火焰传播和火焰稳定
天然气烧嘴：预混气体中火焰传播和火焰稳定预混气体，即在着火前将气态燃料和气态氧化剂以一定比例预先混合好的可燃混合气，它的燃烧过程实质上就是火焰在其中不断传播的过程。
一切可燃混合物的正常燃烧过程都是由着火和燃烧本身两个阶段所组成。
如果由于电火花或某一炽热物体使可燃混合气某一局部着火，形成一个薄层火焰面，则火焰面所产生的热量将加热邻近较冷的混合气层，使其温度升高着火燃烧。
这样一层一层地着火，把燃烧逐渐扩展到整个混合气，这种现象就称为火焰的传播。
实验证实，化学反应只在这薄薄的一层火焰面内进行，火焰将未燃气体与易燃气体分割开来。
因此，火焰传播的特征不是燃烧化学反应在整个混合气体内同时发生，而是集中在火焰面内并逐层进行。
预混气流的燃烧过程就是火焰的传播过程。
火焰在气流中以一定的速度向前传播，速度的大小取决于预混气体的物理化学性质与气流的流动状况、
根据气流流动状况，预混气流中的火焰传播可分为层流火焰传播（或称层流燃烧）和湍流火焰传播（或称湍流燃烧）。
讨论火焰传播现象产生、发展和传播条件以及影响传播速度的因素，将有助于工业上燃烧过程的强化和控制，并借以建立起关于燃烧过程的正确概念。
虽然在实际燃烧装置（如热力发动机的燃烧室和各种窑炉内），火焰都是在湍流气流中传播的，但是由于在层流气流中火焰传播的速度是可燃预混气体的基本物理化学特性参数，且与湍流中火焰传播速度密切相关，它是了解湍流中火焰传播的基础，也是探求燃烧过程机理的基础，因此有必要先讨论在层流中火焰的传播。
中威环保设备有限公司是一家经营燃气烧嘴、燃控系统及燃气窑炉设计、改造、新建工程项目公司。
我公司承接国内外大型燃气窑炉、回转窑、“煤改气” 工程项目。
1。
6-湍流预混火焰讲解
大尺度弱湍流传播速度确定——小 火焰模型（表面理论）
设薄层焰锋的传播速度仍然是un，那么单位时间内焰锋锋 面烧掉的混合气是Acun，它应与湍流火焰传播速度ut和湍 流焰锋的平均面积Ap的乘积相等，即：
Acun=Aput 或 ut=Acun/Ap 因为Ac>Ap,故ut>un, 若把湍流气团设想成凹凸不平的很多 小的焰锋，则ut>un, 等于这些小的椎体表面积和底面积之 比。 ——小火焰模型，亦称湍流火焰传播的表面理论
燃烧学
6-湍流预混火焰
湍流预混火焰传播 湍流预混火焰传播图域 湍流预混火焰传播速度确定 湍流火焰传播速度影响因素
第一节 湍流预混火焰传播
研究湍流火焰的目的
（1）工程中的燃烧装置多为湍流燃烧 （2）确定湍流特性对火焰传播的影响 雷诺数Re=ρvL/μ 直管段中： Re<2300时，层流； Re>3200时，湍流 此时火焰为湍流火焰
（5）混气浓度 化学恰当比或偏富时速度最大
St
m
Au
湍流预混火焰传播速度要比层流预混火焰传 播速度快
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）湍流加快了新鲜混合气和燃气之间的混合，缩短了混 合时间，提高了燃烧速度。 湍流火焰理论基于上述概念发展起来的。 湍流火焰传播理论主要有两种： （1）表面褶皱理论（邓克尔和谢尔金） （2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）
第二节 湍流预混火焰传播图域
湍流预混火焰的性质既依赖于预混层流火焰的特性（如SL和
第四章 预混气体的着火理论
图4-7 分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
• 当温度增加到某一数值时，却好使链的 分枝速度等于其中断速度，即 或 0
f g
，则此时活化中心浓度和反
应速度均以直线规律随时间增长 。
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
• 在这种情况下，反应是不会引起自燃的。 • 若稍微提高一些温度而使 f g 0 ，则反应 就会因活化中心的不断积累而致产生爆燃； • 但若温度稍低一些，则会因 f g 0 ，使反 应速度趋于一极限值而达到一稳态反应。 • 所以这一情况正好代表由稳态向自行加速的非稳 态过渡的临界条件。
或
感应期
• 这一结论已为实验所证实。如对一般可 燃混合气着火而言，就有
三、着火半岛现象
• 着火半岛的存在可以看作为链锁反应产生的明证。
• 在压力很低时，由于气体很稀薄，分子向四周的 扩散速度很高，而且是压力越低，扩散越快。
• 若此时容器的体积较小且压力又低，则活化中心 向器壁的扩散就变得十分容易，因而就大大增加 了与壁面碰撞失去活化的机会，这样就提高了链 锁中断的速度，而且压力越低，中断速度越大。
• 这时，活化中心浓度和反应速度却随着
时间而急剧地增长。
• 当时间趋于无限长时，两者都趋向于无 限大，故反应就会由于活化中心不断积 累而自行加速产生所谓“链锁自燃”现 象。
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
• 因为W1值很小，故感应期内反应很缓慢，
甚至观察不出；
• 而后由于活化中心迅速增殖导致速度猛 烈地增长形成爆燃； • 当然在活化中心不断积累，反应自行加 速的同时还伴随着自行加热。
南京工业大学燃烧爆炸理论重点2
第一章绪论1、现代化学表明，燃烧是可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常拌有火焰、发光和(或)发烟现象。
2、燃烧（定义）是可燃物质与助燃物质（氧或其他助燃物质）发生的一种发光发热的氧化反应。
4、爆炸是物质发生剧烈的物理、化学变化，在瞬间释放出大量能量并半由巨大声响的过程。
5、根据爆炸发生原因的不同，可将其分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三类。
6、化学爆炸的主要特点是：反应速度极快、放出大量热量、产生大量气体。
7、沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）：如果装有温度高于其在大气压下的沸点温度的液体的储罐破裂，就会发生BLEVE。
3、火灾和爆炸的主要区别是能量释放的速度。
8、冲击波是沿气体移动的不连贯的压力波，冲击波与风结合后称为爆炸波，其过程几乎是绝热的。
第二章燃烧及其灾害1、燃烧的定义是可燃物质与助燃物质（氧或其他助燃物质）发生的一种发光发热的氧化反应。
2、燃烧的本质因素（三要素）：燃料、氧化剂和引燃源。
是燃烧发生的必要条件，而不是充分条件。
3、通过稀释氧浓度而防火防爆的方法被称为可燃气体的惰化防爆。
4、最小引燃能MIE，该能量越小爆炸危险性越大；随压力增加而降低；随氧浓度降低而增加。
5、常见的引燃源：明火类、冲击或摩擦类、高温类和静电类。
6、燃烧四面体：可燃物、助燃物、游离基和点火源7、防火方法（燃烧三角形）：控制可燃物、隔绝空气、消除或控制点火源8、灭火方法（燃烧四面体）：隔离法、窒息法、冷却法、抑制法9、任何可燃物质的燃烧都经历氧化分解、着火、燃烧等阶段。
10、由理论上的自燃点T自到开始出现火焰的温度T’自间的时间间隔称为燃烧诱导期。
11、根据燃烧过程的不同可以把可燃气体的燃烧分为预混燃烧和扩散燃烧两种形式。
12、燃烧形式：均相燃烧和非均相燃烧；预混燃烧和扩散燃烧；蒸发燃烧、分解燃烧和表面燃烧。
13、可以把可燃固体的燃烧分为蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧和阴燃四种。
14、燃烧可以分为闪燃、着火、自燃和爆炸四个种类。
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2、存在强烈的导热和物质扩散。
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（三）火焰传播机理
1、热理论 火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反应放出的热量 传播到新鲜冷混气中，使冷混气温度升高，化学反应加速 的结果。
2、压力的影响 对二级反应，压力与火焰传播速度关系不大。
3、可燃气体浓度的影响
混气中可燃气与空气比值不同， Sl不同。存在一最佳 比值，在此最佳比值条件下火焰传播速度最快；火焰 传播存在浓度极限，混气中可燃气太少或太多，火焰 均不能传播。
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4、惰性气体的影响 惰性气体加入量越多，火焰传播 速度越小。
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dT Tm Ti
dX
c
2、热平衡方程
GC P (Ti
T )
FK
Tm Ti
C
3、火焰传播速度
G F U F Sl
(
F
Sl
)CP
(Ti
T )
FK
Tm Ti c
Sl
CP
(Ti
T )
K
Tm Ti c
Sl
K (Tm Ti )
CP (Ti T ) c
令a
K CP
Sl
a
（一）爆轰区
1、爆轰：主要依靠冲击波（激波）的高压使未燃气受到 近似绝热压缩的作用而升温着火，从而使燃烧波在未燃 区中传播的现象。
2、爆轰区的特点 （1）燃烧后气体压力要增加 （2）燃烧后气体密度要增加 （3）燃烧波以超音速传播
（二）正常火焰传播区
1、正常火焰传播：主要依靠导热的作用，将火焰中产生 的热量传给未燃混气，使之升温并着火，从而使燃烧波在 未燃气中传播的现象。
2、扩散理论 凡燃烧都是链式反应，火焰能在新鲜混气中传播是由于 火焰中的自由基向新鲜冷混气中扩散，使新鲜冷混气发 生链锁反应的结果。
二、层流火焰传播速度——马兰特简化分析
1、物理模型 如图，分为（Ⅰ）预热区（Ⅱ）反应区若区导出的热量能 使未燃混气温度上升到某个着火温度Ti,火焰就能保持稳定 传播，该反应区内的温度分布为线型分布
f
sn1e
E RTm
C P (Ti T )
P
Sl
n2
P n2
Pn 2
1
❖结论：对于二级反应，火焰传播速度与压力无关
局限性：当Ti=T时，火焰传播速度为无限大，错误。
Sl
K
(Tm
Ti
)
K
os
n2
f sn1e
E RTm
C P (Ti T )
三、火焰传播速度的影响因素 1、初温影响 混气初温增加，火焰传播速度越高。
2、实际火焰传播速度
Ui
U10(1
) r2
R2
UR1—0 —圆管管中半心径气(cm流) 速度(cm / s)
Ui — 半径为处的流速
用余弦定理计算火焰传播速度
Sli Uin Ui cos i
第一节 预混气中火焰的传播理论
一、物理模型和基本方程
（一）物理模型 1、一圆管中充满静止可燃混气，管中某处有一火源， 使混气着火。 2、假定火焰从右向左传播，混气自左向右流动，流速 均为u∞，那么火焰相对于管壁就会驻定下来。
根据气体动力学理论，上述各参数应满足以下方程 （二）基本方程
（1）雨果尼特方程
K ( PP
K 1 P
P
)
1 2
(
PP
P
)(
1
1
P
) q （4 - 1）
（2）瑞利方程
1
PP
P
P
1
m2
2u2
P 2uP 2
(4 - 2)
（3）判断方程
KM2
( PP P
1)
[1 1 P ] 1
(4 - 3)
如果给定混气的初始状态，则终态必须同时满足雨果尼特方程 和瑞利方程
(Tm Ti )
(Ti T ) c
（1）又
c
Sl
c
Sl
fs Ws
S a (Tm Ti ) Ws
l
(Ti T ) fs
❖结论：层流火焰传播速度与导温系数 a及化学反应速度WS的 平方根成正比。
（2） 又
Ws Kos
f e n
n
E RTm
s
a K CP
Sl
K
(Tm
Ti
)
K os n2
2、特点： （1）燃烧后气体压力要减小或接近不变。 （2）燃烧后气体密度要减小。 （3）燃烧波以亚音速进行传播。
作业：P10:26、27、28、29题 第四章1题
第二节 层流预混气中正常火焰传播速度
一、火焰前沿的结构、特点及火焰传播机理
（一）火焰前沿：火焰在预混气中传播时，区分已燃区和 未燃区的一层薄薄的化学反应发光区。 （二） 火焰前沿的结构、特点
公式（4-2）变形
声速
两式相除
u [ ] 2
1
PP P
2 1 P 1
a2
K
R MS
T
KP
(
1
)
u2
1
2
[
1
PP P
P 1
]
a2
KP
(
1
)
令 u a
Ms
M 2Leabharlann 12 [1
PP P
P 1
]
s
KP
(
1
)
返回
{
(
PP P
1) /[1
1 1
P
]}
/
K
二、正常火焰传播和爆轰
5、混气性质的影响
Sl a1 2
CP
混气导热系数增加，火焰传播速度增加，热容增加，火焰 传播速度下降。
四、层流火焰传播速度的测定
1、理想火焰传播速度的测定 理想层流火焰面可以看作一正锥体。
U1n A Sl A V
V
S—l 混VA气
容
积
流
速
A —火焰表面积
U1n — 气流速度在火焰法向上的分量