第五章 火焰传播和火焰稳定性
火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法
火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法【引言】火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法是一项在火焰研究和工程设计中广泛应用的技术。
通过对火焰燃烧过程的理论分析和实验验证，可以提供有关火焰自动轨迹和稳定性的关键信息。
本文将介绍火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法的基本原理和应用。
【主体】1. 火焰自动轨迹理论推演方法火焰自动轨迹是指火焰的运动路径，对于工程设计和火焰控制至关重要。
通过理论推演方法，可以预测和分析火焰燃烧过程中的运动路径，为火焰控制提供指导。
以下是火焰自动轨迹理论推演方法的基本原理：（1）流体动力学模拟：利用流体动力学的基本方程，如Navier-Stokes方程和连续方程，对燃料流动进行数值模拟。
通过对燃料流动的理论分析，可以得到火焰燃烧过程中的速度分布和流动行为。
（2）燃气特性分析：通过对燃料燃烧特性的研究，如燃烧速率、温度和浓度分布等，可以进一步分析火焰燃烧过程中的物理和化学过程。
这些特性是推演火焰自动轨迹的重要参数。
（3）数学建模：将流体动力学模拟和燃气特性分析的结果进行数学建模，建立火焰自动轨迹的数学模型。
例如，可以利用偏微分方程描述火焰的运动路径，并通过求解这些方程得到火焰自动轨迹。
2. 火焰稳定性曲线理论推演方法火焰稳定性是指火焰在不受外界干扰的情况下，能否保持稳定燃烧的能力。
火焰稳定性曲线是用于衡量和预测火焰稳定性的重要工具。
以下是火焰稳定性曲线理论推演方法的基本原理：（1）火焰传热机制研究：通过研究火焰传热机制，如火焰辐射传热、对流传热和传导传热等，可以确定火焰在不同条件下的传热效率。
传热效率是火焰稳定性的重要指标之一。
（2）火焰燃烧动力学分析：对火焰燃烧动力学进行分析，如燃料与氧气的反应速率、火焰的扩散速度等。
这些分析可以提供关于火焰稳定性的动力学特性，并进一步推演火焰稳定性曲线。
（3）稳定性指标定义：根据火焰传热机制和燃烧动力学分析的结果，定义火焰的稳定性指标。
例如，可以以火焰传热速度与火焰消耗速度的比值作为火焰稳定性的指标。
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
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。
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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
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。
5-燃烧学讲义
Sl e
E 2 RTr
Sl T
m 0
火焰温度的影响
• 图表示几种混合物的最大火焰速度与火焰 温度的关系。Tr对Sl的影响显然是很强的。 可以说Sl要取决于Tr。
压力的影响
• 增加压力一般都能提高燃烧强度，缩小 燃烧设备的体积；另外一些高空飞行器 的燃烧室又都在低压下工作。 • 因为火焰传播速度与化学反应速度有 关，而压力的改变会影响化学反应速度 的大小，因而亦就影响了Sl值。
火焰传播的精确解法
• 由董道义所建立的精确解法，是对层流火 焰基本方程直接进行精确求解。 • 层流火焰传播方程为：
dT d dT 0 Sl c p ( ) wq dx dx dx
Sl 2qs 02c 2 (Tr T0 ) 2 p
Tr
T0
wdT
Tanford等的扩散理论
u p SL un
感知速度up
其中up为火焰前沿法向移动的分速度；un为可燃混气 在火焰前沿法向移动的分速度。
如果火焰传播速度和可燃混气的流动速度方向一致， 取负号，反之，取正号。
火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在 其法线方向上的速度
火焰传播数学描述
• (1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘 性力和体积力，管壁为绝热； • (2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体， 定压比热为常数，摩尔质量保持不变； • (3)燃烧波（化学反应波）是驻定的,预混
• 原理： 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借 助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。 • 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散 速度，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
稳定火势与控制火灾传播
VS
社区消防宣传
利用社区宣传栏、活动中心等场所，定期 开展消防宣传活动，提高社区居民的消防 安全意识。
定期进行消防演习和培训
消防演习
定期组织消防演习，模拟火灾场景， 让公众亲身体验火灾的危害和掌握逃 生技能。
培训与考核
对消防人员进行专业培训和考核，提 高其专业素质和应对火灾的能力。
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稳定火势与控制火灾 传播
汇报人：可编辑 2024-01-04
目录
CONTENTS
• 火势稳定和控制的重要性 • 控制火源和燃烧物 • 灭火设备和技术的应用 • 火场逃生和救援 • 火灾预防和宣传教育
01 火势稳定和控制的重要性
保护生命安全
01
02
03
及时疏散
在火灾发生时，应迅速疏 散建筑物内的人员，确保 他们的安全。
02 控制火源和燃烧物
隔离火源
关闭火源附近的电器 和燃气设备，以防止 火势扩大。
使用灭火器、灭火器 材或水源等手段，迅 速扑灭初始火源。
将易燃物品移至安全 区域，远离火源，以 减少可燃物。
移除可燃物
清除火源周围的易燃物品，如纸张、布料、木材 等，以减少可燃物。
关闭门窗、通风管道等，以减少空气流通，减缓 火势蔓延。
和反应速度。
火场自救技巧
保持低姿行进
在火场中尽量保持低姿，用湿布捂住口鼻，以减少吸入烟雾。
关闭门窗
逃生过程中要关闭门窗，以减缓火势蔓延。
寻找避难所
在无法逃出火场时，寻找安全的避难所，如卫生间、楼梯间等，用 湿布塞住门缝等待救，首先要确保自身安全，避免盲目冒险 。
灭火器
干粉灭火器
利用干粉灭火剂瞬间释放大量的非活性气体来抑制火焰燃烧 。适用于扑灭固态物质、液体和气体火灾以及电气设备火灾 。
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。
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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。
燃烧器火焰的稳定性.doc
燃烧器火焰的稳定性对于预混式燃料气喷嘴，燃料气和空气的混合物从火孔喷出并被点燃后，不一定都能形成稳定的火焰。
当流速很低时，火焰可能逆流传播进火孔，使燃烧在喷嘴内进行。
这种现象称为回火。
当流速很高或 :;很大时，火焰将被吹离喷头，后面随之而流出的燃料气和空气混合物根本不能着火。
这种现象称为脱火或吹熄。
嫩料气和空气混合物自火孔喷出时，其射流截面上的流速分布是中心高，四周低。
而火焰传播速度都是均匀的 (只有在靠近壁面的淬熄距离内火焰传播速度为零 )，有些地方混合物的流速正好等于火焰传播速度，那里就形成一个固定的火焰锋面，即作为整个火焰策源的所谓点火环。
只有在这种情况下火焰才是稳定的。
当天然气和空气混合物以层流状态自火孔喷出时，其火焰特性如图7-5 所示。
从该图可以看出，α1≈1时，火焰稳定区域并不宽，尤其当。
α1>1 时，稳定区域更加狭窄。
当α1 略低于 0.75 时，火焰的稳定区域比较宽阔，运行比较可靠。
当αt=0 时，形成扩散火焰，它不可能回火，也不易脱火，火焰极为稳定。
管式炉上使用的气体燃烧器，燃料气和空气混合物在火孔出口处一般都处于流速很高的湍流状态，其流速远远超过上述层流状态的脱火区边界。
虽然湍流火焰传播速度比层流的高得多，但仍需采取适当措施来防止火焰脱火。
常用的措施有：（1）使燃烧在燃烧道内进行。
至少在火焰根部设置然烧道。
炽热的燃烧道耐火材料将连续地对可燃混合物进行强迫点燃。
(2)采用α1 较低的半预混燃烧器，可以得到较稳定的火焰。
(3)采用多火孔互相交叉喷射，各火孔火焰可互相强迫点燃，保证火焰的稳定性。
(4)缩短燃料气和空气的预混合段长度，有意使其浓度场不均匀，则有些地方燃料气浓度稍高，出现局部区域具有较低α1 的工况，可改善火焰稳定性。
(5)采用凹凸不平的燃烧道壁面或火焰附墙壁面，以便产生涡流和回流，使热烟气回流作为强迫点燃的热源。
(6)在靠近火孔处的燃烧道不采用平缓过渡而采用截面突然扩大的办法，造成死角，以便形成较大的死滞旋涡区，使热烟气回流。
第五章 着火 熄火及火焰稳定
• 一温度影响 • 系统温度升高，将使 可燃性边界拓宽 • 温度对可燃边界的影 响规律可接近图 • 温度对可燃边界的影 响通常要小于压力的 影响
• 二 压力影响 • 对于简单碳氢燃料， 富油可燃性边界几乎 随压力线性增加，且 燃料体积分数的增加 率约为每个大气压增 加0.13%
• 燃料 空气的运动速度 也会对其可燃边界带 来影响，基本规律如 图所示
• 燃烧能够发生的必要条件是：容器内均匀 混气的化学反应放热qr必须大于混合物向容 器外的散热ql • qr=ql • 燃烧发生的临界点是：容器内均匀混气的 化学反应放热qr曲线与混合物向容器外的散 热ql曲线的相切点 • qr=ql
着火边界
• 概念：是指燃烧系统初始参数相互组合， 使系统达到着火临界条件时，这些参数所 构成的曲线。 • 总结 • 系统初始温度越高，越容易着火； • 系统压力越高，也容易着火 • 系统初始浓度越接近当量比，这越容易着 火
• 强迫着火的临界条 件：
• 一 为点火源局部高温 能诱发附近可燃介质 燃烧 • 二 为燃烧火焰能传遍 整个燃烧系统
• 最小点火能量：
• 针对预混可燃气在静 止状态下用火花塞点 燃的问题。 • 系统压力升高，会减 小最小点火能量
可燃性边界
• 贫油可燃性边界：对于特定的环境和特定 的燃料，都存在某种浓度边界，当燃料浓 度小于该边界时，燃料不能被点燃。该边 界值就称为….. • 富油可燃性边界：对于特定的环境和特定 的燃料，也存在某种浓度边界，当燃料浓 度大于该边界时，燃料不能被点燃。该边 界值就称为…..
• 低速气流火焰稳定的条件： • 1 对于锥形火焰面而言，火焰传播速度与流 体流动速度沿垂直焰峰表面的峰量相等 • 2 在焰峰根部或上游存在一个稳定的点货源 并有足够的能量高速流下火焰稳定Fra bibliotek型二类模型
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。
[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)
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。
05第五章 火焰传播与气体燃料燃烧
5、过量空气系数
其中马兰特、利-恰特利耶、丹尼尔和米海尔松等是 最早从事层流火掐传播速度研究的，初步得出了火 焰传播速度正比于化学反应速率的平方根以及导温 系数的平方根的结果。后来，谢苗诺夫、泽尔多维 奇、弗朗克-卡门涅茨基、赫特林等学者对火焰传播 理论作了进一步的研究，而冯· 卡门、董道义、斯帕 尔丁等学者完善了这一理论。本章将着重分析层流 火焰传播理论，然后将这些概念推广到更具有实际 意义的紊流火焰中去，最后简要介绍紊流火焰传播 的有关概念和特征。
它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界 线，我们称这薄薄的化学反应发光区为火焰 前沿（或称为火焰锋面）。事实上这一层的 厚度相对于系统的特性尺寸来说是极薄的， 因此可把它看成几何面。如图所示。
火焰传播，指当可燃混合物在某一区域被点 燃后，火焰从这个区域以一定速度往其他区 域传播开去的现象。该速度称为火焰传播速 度。 火焰传播速度，指燃料燃烧的火焰锋面在法 线方向上的移动速度。
许多实际火焰的数据都证明，H原于浓度的增 加对增大火焰传播速度的作用十分显著。例 如加水蒸气或加氢的CO/O2火焰的传播速度 要比一般的CO/O2火焰的传播速度快得多。 其原因就在于自由基H和OH扩散的结果。火 焰中自由内基浓度比同样温度下未反应的燃 料或氧化剂中的自由基浓度要高得多。图5-7 表示混合物中H原子浓度对各种可燃物火焰传 播速度的影响。
图5-4 初温对火焰传播速度的影响 焰传播速度的影响
图5-5初温对不同燃料火
4、理论燃烧温度
理论燃烧温度Tm升高，火焰传播速度会随温 度呈指数增大。如果在燃烧室中的燃烧温度 Tm越低，则火焰正常传播速度越小，这是由 于燃烧区内放出的热量不足以去加热未燃的 可燃混合物，Tm=Ti的条件下，火焰正常传播 速度等于0。
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在预热区：反应速度W近似为零
dT d dT 0u L C p dx dx dx dT 边界条件：x , T T0 , dx 0 x p , T Ti
积分后：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
正常火焰传播速度（缓焰波）
火焰前锋 预混气
燃烧产物
不正常火焰传播（爆震波） 多个火焰中心 爆震波火焰前锋
电 点 火
层流火焰传播理论
层流火焰传播理论分为：
热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区
向预热区的热量交换的传热过程。
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。
（1）参考状态：Tref 298K、Pref 1atm
（2）典型的电火化点火的条件，即：T 685K , P 18.38atm （3）条件与（2）相当，但有15％的废气回流量。
影响火焰传播速度的因素
燃料、氧化剂性质及其混合比 压力
初始温度
添加剂
燃料、氧化剂性质及其混合比影响
3 3
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
网格
驻定火焰测量法 使用专门的火焰烧嘴 火焰传播速度等于气 流速度 测量的结果准确 适用于火焰传播速度 较低的预混气体。
平面火焰
整流网
惰性气体
预混气
火焰抖动，呈毛刷状 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， 增大反应面积 • 湍流加剧了热和活性 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 火 焰 湍 流 火 焰
预混气火焰传播速度的实验结果
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～ 0.45 0.487 0.472 0.453 0.79 3.453.57 0.175 -0.19 1.0
燃料浓度的影响
邓克尔用本生灯湍流火焰实验证实了此式。
皱折表面理论模型
1）邓克尔实验
·Re<2300,
uT 1• 2300<Re<6000, •
uT Re 2 ，小尺度湍流火焰 uL
uT 6000<Re<18000, A Re0 B ，大尺度湍流火焰 uL
5
小尺度
4
大尺度
uT/uL
3
2 1
0
4
8
12
16
Re 20X100
Re对火焰传播速度的影响
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 (u L , Re 0 ) uT f (u L , 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
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 .24 0.18d 0.26 Re 0 0 uL 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
•火焰传播只发生在一定 浓度界限内,燃料气过贫 或过富，火焰都无法传播。 在火焰传播浓度界限之外， 传播速度等于零。 • 两者都在化学恰当比浓 度XFS附近达到最大火焰 传播速度。 •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。
280 240 200 160 120 80 40
H2/空气
则求得传播速度为：
uL
C Ti T0
2 0 2 P
2 WQdT
Ti
Tm
2
因为预热区反应速度很小
层流火焰传播速度uL表达式（3）
Ti T0
WdT 0
Tm
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
Ti
WdT WdT
T0
Tm
Tm
Ti
积分后： dT
WQdT Ti dx C
2
Tm
层流火焰传播速度uL表达式（2）
拐点处：
dT dT dx P dx C
uL dT 0C p Ti T0 dx p
2 Tm dT WQdT Ti dx C
Tm WQdT WdT Q QW T0 Ti T0 Tm T0
火焰传播速度为：
uL
2QW 2 Tm T0 02C P
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 uL
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
Tm T0 QD L / A
(m/s)
32.1%CO2 0 0.8 1.4
当量比 加入N2对甲烷uL的影响
当量比 加入CO2对甲烷uL的影响
催化剂的影响
CO/空气反应中加入水蒸汽： 干CO/空气：
uL 20 ~ 40m/s
潮湿CO/空气：uL 106m/s
活性中心 (H, OH)浓度 ，W ，uL
层流火焰传播速度的测量方法
t Q A
获得热焓量 Qh uL A0CP (Tm T 0) 火焰传播速度
uL a W
Q mCp t
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：uL,ref BM B2 ( M )
本生灯法
• 驻定火焰测定法 平均的层流火焰 传播速度：
H
L R
uL u sin
或者
uL V
u
R H 2 R 2
湍流火焰传播
不同燃烧速率时湍流火焰表面
窄缝燃烧湍流火焰表面
层流火焰和湍流火焰的不同
层流火焰 外观清晰，火焰层薄 长度较长 湍流火焰 外观模糊，火焰层厚 长度较短
火焰稳定，表面光滑 燃烧时较安静
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 焰 前 沿
已 燃 气
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线 •特征尺寸极薄，可看 成几何面
火焰的传播速度
火焰的传播速度： 火焰前锋沿其 法线方向相对于新 鲜混合气移动的速 度。
未燃气
n
已燃气
dn
平面火焰的传播方式
活性添加剂
250
H2 CO
100 0
60
uL
uL
% CH4 100 0
0 100
0 0 0 40 80 0
CO
Xf
0
%
40
100
Xf
70
加入H2对CO预混气uL的影响
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
50%N2
uL
25%CO2
(m/s)
58.8%N2 0 0.8 1.4
第五章 火焰传播和火焰稳定性
刘雪玲 天大热能工程系
研究的问题
层流火焰传播速度 湍流火焰传播速度 影响火焰传播的因素 火焰稳定性问题。
火焰分类
基本概念
按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰
移
预混合火焰锥体
移动火焰
按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰
层流火焰——火焰面通过热 传导和分子扩散把热量和活 性中心提供给临近尚未燃烧 的预混气体薄层，使火焰传 播下去。 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。
测定方法分类
• 移动火焰测定法 • 驻定火焰测定法
测定方法：
肥皂泡法
球弹法
平面火焰法
本生灯法
肥皂泡法
实际火焰传播速度公式：
1 dr uL a d
其中
缺点： •并非所有混气适用 •受水分影响
0 D a f d
3
•实现困难
移动火焰测量法
球弹法
火焰传播速度
dr R r dp uL d 3 pr 2 k d
燃料 甲醇 丙烷 异辛烷 RMFD-303
M
1.1 1.08 1.13 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
下的层流火焰速度进行比较：
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
dT d dT 0u L C p WQ dx dx dx
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
dT x , T T0 , 0 dx dT x , T Tm , 0 dx