燃烧理论第四讲火焰传播理论

火焰层结构及温度、浓度分布
在火焰锋面上取一单位微元，对于一维带化学反应的稳定层 流流动，其基本方程为： u 0u0 0 Sn m pup 连续方程 动量方程 p≈常数 能量方程（微元体本身热焓的变化等于传导的热量加上化学反应生成的 热量） dT d dT 0u0Cp wQ
本生火焰示意图
1—内锥面；2—外锥面


如气体出口速度分布均匀，则可假定内锥为一几何正锥体， 并认为内锥焰面上各点的Sn均相等。这样，便可测得层流 火焰传播速度的平均值，且具有足够的准确性。 当混合气出流稳定时，按连续方程有 0 F m 0n Ff 0 Sn Ff
0
式中 F0——燃烧器出口截面积； υm——燃气-空气混合物在燃烧器出口处的平均流速； Sn——平均层流火焰传播速度； Ff——火焰的内锥表面积。
d2 y 2 wQ 0 dx
其边界条件是
x 0, T Ti ; x , T Tm ,
2
dT 0 dx
dT 2 乘式 dx
2 d dT dT d T 2 2 dx dx d x dx
图2-22 火焰传播速度与管径 的关系
管子法测得的可见火焰传播速度与燃气空气混 合物成分的关系(d=25.4mm)
l—氢；2—水煤气；3—一氧化碳；4—乙烯；5—炼焦煤气；6—乙烷； 7—甲烷；8—高压富氧化煤气
2、皂泡法 将已知成分的可燃均匀混合气注入皂泡中，再在中心用电 点火化点燃中心部分的混合气，形成的火焰面能自由传播 (气体可自由膨胀)，在不同时间间隔出现半径不同的球状 焰面。用光学方法测Байду номын сангаас皂泡起始半径和膨胀后的半径，以 及相应焰面之间的时间间隔。即可计算得火焰传播速度。 这种方法的主要缺点是肥皂液蒸发对混合气湿度的影响。 某些碳氢燃料对皂泡膜的渗透性、皂泡球状焰面的曲率变 化以及湍流脉动等因素，都会给测定结果带来误差。 另一种类似的方法是球形炸弹法。球弹中可燃混合气点燃 后火焰扩散时其内部压力逐步升高。根据记录的压力变化 和球状焰面的尺寸，可算得火焰传播速度。
Sn
2 wQdT
02Cp2 Tm T0
T0
2
w 表示在Tm～T0之间反应速率的平均值

1.
2.
3.
4.
层流火焰传播速度可看作是可燃混合物的主要特性，从 中可以得出如下定性结论： 层流火焰传播速度与平均热导率的平方根成正比，与热 容的平方根成反比，因此层流火焰传播速度与气体混合 物的物理常数有关。 层流火焰传播速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，若 将气体预热到Ti，则层流火焰传播速度就会趋向于无穷 大。 可燃混合物的热效应及化学反应速率显著地影响着层流 火焰传播速度。 可燃混合物的过剩空气系数亦将影响其层流火焰传播速 度，当α>1或α<1时都会降低层流火焰传播速度。
后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）
2 Tm dT wQdT T i dx
dT dT d x d x I
Sn
2 wQdT
Tm
02Cp2 Ti T0
Tm
Ti
2
Ti为未知，进一步变换可得
2 2 Sn 2Qw 0 Cp Tm T0
静止均匀混合气体 中的火焰传播
流管中的火焰锋面




取一根水平管子，一端封住，另一端敞开，管内充满可燃 混合气。点火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移动， 由于管壁的摩擦和向外的热量损失、气体的粘性、热气体 产生的浮力，使其成为倾斜的弯曲焰面。 如果管子相当长，那么火焰锋面在移动了大约5～10倍管 径的距离之后，便明显开始加速，最后形成速度很高的 (达每秒几千米)高速波，这就是爆振波。 如果将可燃混合物臵于一个封闭的容器内，氧化反应释放 出的热量会导致容器内压力上升，反应速率越大，则压力 上升越快，压力上升又会进一步加快反应速率，导致压力 不断升高，如果容器不能承受其压力就会爆裂开来，这种 伴随着压力不断上升的燃烧现象称之为爆炸。 正常燃烧属于稳定态燃烧，可视为等压过程；而爆振和爆 炸属不稳定态燃烧，是靠气体的膨胀来局部压缩未燃气体 而形成的冲击波。在民用燃具和燃气工业炉中，燃气的燃 烧均属于正常燃烧。
Powling燃烧器
l—锥形火焰；2—平面火焰；3—Powling火焰
不同方法Sn测定值的比较
四、影响火焰传播速度的因素
通过分析火焰传播速度公式，可以定性地了解到可燃混合 气的初温、压力、燃气浓度及热值等物理化学参数对火焰 传播速度的影响 1. 混合气比例的影响 燃气-空气混合物中，火焰传播速度与混合物内的燃气含 量直接有关。燃气和空气的混合比例变化时，Sn 也随之变 化。由图可见，所有单一燃气或混合燃气的Sn值随混合物 中燃气含量变化的曲线均呈倒U形，中间最大，两侧变小 直至最小值，接近于最小值的含量即为混合物着火浓度的 上限和下限。当混合物中的燃气含量低于下限或高于上限 时，由于反应释放热量不足而使火焰传播停止。 实验观测表明，以空气作为氧化剂时， Sn最大值是在燃气 含量略高于化学计量比时出现的。其原因是当混合物中燃 气含量略高时，火焰中H、OH等自由基的浓度较大，链 反应的断链率较小所致。对于大多数火焰，当混合比接近 于化学计量比时，火焰燃烧速度最大，一般认为火焰温度 达到最高时，其传播速度也最大。

湍流火焰模型
(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流； (d)容积湍流燃烧
1—燃烧产物；2—新鲜混气；3—部分燃尽气体
三、层流火焰传播速度的测定
层流火焰传播速度不能用精确的理论公式来计算。通常是 依靠实验方法测得单一燃气或混合燃气在一定条件下的Sn 值，有时也可依照经验公式和实验数据计算混合气的火焰 传播速度。 尚缺少完全符合Sn定义的测定方法。精确测量Sn的困难在 于几乎不可能得到严格的平面状火焰面。 测定Sn的实验方法，一般可归纳为静力法和动力法两类。 （一）、静力法测定Sn 1、管子法 静力法中最直观的方法是常用的管子法，测定时，用电影 摄影机摄下火焰面移动的照片，已知胶片走动的速度和影 与实物的转换的比例，就可算出可见火焰传播速度Sv。在 这种情况下，底片上留下的是倾斜的迹印，根据倾斜角可 以确定任何瞬间的火焰传播速度。

dx
dx
dx
对于绝热条件，火焰的边界条件为
dT x , T T0 ; y y0 ; 0 dx dT x , T Tm ; y 0; 0 dx
为求定Sn(u0)，提出了一种分区近似解法，把火焰分成预热区 和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，在反应区中略 去能量方程中温度的一阶导数项。 预热区中的能量方程为 dT d dT 0 Sn Cp
（二）、动力法测定Sn 1、本生火焰法图 本生火焰由内锥和外锥两层焰面 组成，内锥面由燃气与预先混合 的空气进行燃烧反应而形成的， 静止的内锥焰面说明了内锥表面 上各点的Sn(指向锥体内部)与该点 气流的法向分速度υn是平衡的。 内锥面上每一点的速度存在以下 关系。
Sn cos n

通过火焰内锥的流线分布情况
层流火焰传播速度沿燃烧器截面 的分布
2、平面火焰法 Powling燃烧器和Mache-Hebra喷嘴可提供平面和盘状火 焰，此类火焰的面积比较容易精确测量。可燃均匀混合气 进入直径较大的圆管，通过装在管口的多孔板或蜂窝格及 整流网等，形成出口平面处速度的均匀分布。点燃混合气， 即可在管口下游一定位臵形成一平面火焰。管口四周用惰 性气体将火焰包围，用以限定火焰面的大小。只要准确测 得火焰平面的面积和混合气流量，即可求得层流火焰传播 速度(Sn=Lmix／Ff)。 此法的优点是火焰的发光区、浓度梯度最大处等都重叠在 同一平面上，因而用不同方法测量结果是一致的。气流速 度(即火焰传播速度)也可用颗粒跟踪方法或激光测速法测 定。


若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形 成一平整的火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播 速度相平衡，火焰面便驻定不动。这是流动可燃混合气 稳定燃烧的必要条件。 层流火焰传播理论 第一是热理论，它认为控制火焰传播 的主要是从反应区向未燃气体的热传导。第二是扩散理 论，认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火 焰传播的主要因素。第三是综合理论，即认为热传导和 活性中心的扩散对火焰的传播可能同等重要。大多数火 焰中，由于存在温度梯度和浓度梯度，因此传热和传质 现象交错地存在着，很难分清主次。下面介绍由泽尔多 维奇等人提出的热理论。


管径越大，管壁散热对火焰传播 速度的影响越小，如焰面不发生 皱曲，则随着管径的增大火焰传 播速度上升，并趋向于极限值Sn。 但实际上管径增大时焰面要发生 皱曲。管径越大，焰面皱曲越烈， 因而Sv值随管径的增加而不断上升。 当管径小到某一极限值时，向管 壁的散热大到火焰无法传播的程 度，这时的管径称为临界直径dc。 临界直径在工程上是有意义的， 可利用孔径小于临界直径值的金 属网制止火焰通过。
dx dx dx
其边界条件是
dT x , T T0 , 0 dx
假定Ti是预热区和反应区交界处(温度曲线曲率变化点)的温度， 从T0到Ti进行积分， (下标“I”表示预热区) dT 0 Sn Cp Ti T0
dx I

反应区的能量方程为
第四章
火焰传播理论
一、层流火焰传播机理


在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源， 使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及生 成活性中心，使其相继着火燃烧。 在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而 形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活 性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、 燃烧，形成一层新的火焰。反应依次往外扩张，形成瞬时 的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为层流火焰传播速 度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速度)，简 称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界面即为 火焰锋面，或称火焰面。