燃烧学课件_第九章 非预混火焰
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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）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） 2）化学恰当燃料质量百分数
fs 1 ( A / F )s 1
3）喷管内流体密度与环境气体密度之比
远小于
过程），反应可以从分开燃料和氧化剂的
表面取一个薄层来模拟。 火焰面处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。 因为 所以燃料和氧化剂浓度在火焰面上为零。
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 处形 成火焰锋面。
在火焰锋面，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：
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
qm,CH 4 LHVCH 4 qm,C3H8 LHVC3H8（使用燃料的低热值）
q m ,CH q m ,C H LHV C H LHV CH
或者写成
两火焰长度比较
Байду номын сангаас
可见，甲烷射流火焰比丙烷射流火焰短大约
点评
甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因： 首先，出口动量对甲烷射流火焰长度的影响起主要作用， 这使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长。 但是，甲烷出口密度很小使得动量直径显著变小，这个
较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（虽
然甲烷的化学计量系数比丙烷要小，但是它的影响比动量 直径要小得多）。
利用Melghalchi和Keck火焰速度关系式可到最大层流火焰速度
计算雷诺数
吹熄速度
所以
1.1614 1.5 ve 439 0.3422 ( ) 74.5m / s 1.854
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
层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律
（1）层流火焰的外形只取决于分子扩散速度， 与化学反应无关 （2）在火焰锋面上α=1.0，
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）扩散火焰过度区：火焰高度（长度）随气流速度的 增大而减小，喷嘴附近，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）。
火焰高度
层流 H Q L 2Dm 体积流量
扩散系数
紊流
R 2v R 2v R 2v HT R Dt e Rv
根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致
可分为：
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，
当气流速度过大，扩散火焰将被吹熄。
第三节 层流扩散火焰的特点
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 燃烧量超过化学计量值（即燃料 过量），火焰向外壁蔓延
在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间 流动特征时间 火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定 （即扩散过程是最慢的，控制反应速度的
现在可求出Froude数
1. 5 66.0 0.06035 Frf 1.386 1.854 0.25 2267 300 ( ) [( ) 9.81 0.00617 ]0.5 1.1614 300
时，无量纲火焰长度
转成实际火焰长度。无量纲出口直径为
因此实际火焰长度为
例9.2 假设有一甲烷射流火焰，其释热速率与出口直径和例9.1 的丙烷射流火焰一样，出口处甲烷密度为0.6565kg/m3，试确定该
和混合方式等起决定性作用，而化学参数影响不大。
强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件。
第二节 扩散火焰的特点
扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散火焰容易产生碳氢化合物的热分解
人工煤气扩散火焰
人工煤气预混火焰
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火或吹熄），也不产生回火，
而始终悬挂在管口的情况。
本生灯：
一次空气消耗系数 二次空气消耗系数 总空气消耗系数： a. 燃烧所需空气全部由外界环境 ：从底部吸入的空气为一次空气量 ：由出口引射所得的空气为二次空气量
通过引射提供，属于扩散燃烧。
b. 从本生灯底部供入的空气充足，
燃烧过程完全由化学反应的快慢（化 学动力因素）所控制，属动力燃烧。 c. 燃烧既有一次空气混合物的预
3 8 3 4 8
4
3.66 10 3
46357 3.39 10 3 kg / s 50016
仿照例9.1 ，先求出下列各量
（查附表C.1）
（查附表B.1）
ve 172.7m / s
由Delichalsios关系式可得
Frf 4.154 L* 20.36 d* m j 0.0046 L f 1.71m
L
*
Lf fs
（9-12）
或
Lf fs dj
*
（9-13）
在浮力起主要作用区，无因次火焰长度的经验 公式为：
Frf 5时
L*
13.5Frf2 / 5 (1 0.07Frf2 )1/ 5
在动量起主要作用区，无因次火焰长度的经验 公式为：
Frf 5时
L* 23
例9.1已知：一丙烷射流火焰的出口直径为6.17mm，丙烷的 质量流量为 ，射流出口处的丙烷密度为
，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
由此可见，要求火焰长度，必须先求出Froude数
的表达式如下
由已知可得
1 1 fs 0.06035 ( A / F ) s 1 15.57 1 qm 3.66103 ve 66.0m / s 2 2 ed j / 4 1.854 0.00617 / 4
此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于
燃料经扩散获得外界氧气生成，为扩散火焰。内焰温度较高，外焰较低。 (d) 为管中供应纯油气的情况。
它所需的氧气全部从外界获得，为扩散燃烧，其火焰最长。
层流扩散火焰 质量扩散以分子扩散的方式实现
扩散火焰
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
混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于 动力——扩散燃烧
(a)
表示当管中混气为贫油时的动力火焰。由于混气已有足够氧气， 的增大，火焰变长。
不需要再从外界获取氧气，因而火焰光滑。随着 (b) 表示化学恰当比下的动力火焰。
因为此时温度高，火焰传播速度快，因此火焰高度最短。
(c) 的富油燃烧。由于混气燃料多而氧气少，因此有剩余燃料。 的动力火焰，外焰面为剩余
第九章 非预混火焰
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9.1 火焰分类
9.2 扩散火焰特点 9.3 层流扩散火焰结构
9.4 湍流扩散火焰
第一节
火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念
预混火焰 在发生化学反应前，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，直接进行燃烧反应。
4）初始射流直径
火焰弗卢德数定义如下：
ve f s3 / 2 Frf e T f ( )[ gdi ]1/ 2 T
式中： 是燃料特征温度，
9.10
是出口流速
将喷管内流体密度与环境气体密度之比
初始射流直径
与
综合为一个参数，即动量直径：
无因次火焰长度的经验公式：
L
*
d j ( e )1/ 2
时的火焰抬升高度。 解 利用Kalghatgi关系式计算火焰吹熄速度
由此可知，必须先求出雷诺数
和最大层流火焰速度
特征长度
w f ,e e H 4d j [ ( ) 5.8] f s 1 1.854 0.5 4 0.00617 [ ( ) 5.8] 0.3735 m 0.06035 1.1614 8.26106 ( N s) / m 2 (见附录B.3)
燃烧燃料所需的时间： 流动特征时间 燃烧反应时间
扩散燃烧： 化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于 混合速度，而与化学反应速度关系不大。 预混燃烧： 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
：燃料与空气混合时间 ：化学反应时间
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。
估算火焰升起高度和射流熄火流量经验关系式：
式中： 是火焰升起高度， 是动力粘性系数。
是最大层流火焰传播速度，
其中，
是沿喷管轴线燃料平均浓度下降到化学恰当比浓度的距离。
是沿喷管轴线燃料平均浓度下降到化学恰当比浓度的距离。
分别是化学恰当比燃料质量分数，出口燃料质量分数
例9.3
已知一丙烷射流火焰出口直径为6.17mm；环境压力和 温度分别是1atm，300K，射流出口温度为300K，密度 1.854 ，试确定丙烷射流火焰的吹熄速度和吹熄
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）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） 2）化学恰当燃料质量百分数
fs 1 ( A / F )s 1
3）喷管内流体密度与环境气体密度之比
远小于
过程），反应可以从分开燃料和氧化剂的
表面取一个薄层来模拟。 火焰面处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。 因为 所以燃料和氧化剂浓度在火焰面上为零。
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 处形 成火焰锋面。
在火焰锋面，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：
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
qm,CH 4 LHVCH 4 qm,C3H8 LHVC3H8（使用燃料的低热值）
q m ,CH q m ,C H LHV C H LHV CH
或者写成
两火焰长度比较
Байду номын сангаас
可见，甲烷射流火焰比丙烷射流火焰短大约
点评
甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因： 首先，出口动量对甲烷射流火焰长度的影响起主要作用， 这使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长。 但是，甲烷出口密度很小使得动量直径显著变小，这个
较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（虽
然甲烷的化学计量系数比丙烷要小，但是它的影响比动量 直径要小得多）。
利用Melghalchi和Keck火焰速度关系式可到最大层流火焰速度
计算雷诺数
吹熄速度
所以
1.1614 1.5 ve 439 0.3422 ( ) 74.5m / s 1.854
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
层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律
（1）层流火焰的外形只取决于分子扩散速度， 与化学反应无关 （2）在火焰锋面上α=1.0，
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）扩散火焰过度区：火焰高度（长度）随气流速度的 增大而减小，喷嘴附近，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）。
火焰高度
层流 H Q L 2Dm 体积流量
扩散系数
紊流
R 2v R 2v R 2v HT R Dt e Rv
根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致
可分为：
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，
当气流速度过大，扩散火焰将被吹熄。
第三节 层流扩散火焰的特点
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 燃烧量超过化学计量值（即燃料 过量），火焰向外壁蔓延
在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间 流动特征时间 火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定 （即扩散过程是最慢的，控制反应速度的
现在可求出Froude数
1. 5 66.0 0.06035 Frf 1.386 1.854 0.25 2267 300 ( ) [( ) 9.81 0.00617 ]0.5 1.1614 300
时，无量纲火焰长度
转成实际火焰长度。无量纲出口直径为
因此实际火焰长度为
例9.2 假设有一甲烷射流火焰，其释热速率与出口直径和例9.1 的丙烷射流火焰一样，出口处甲烷密度为0.6565kg/m3，试确定该
和混合方式等起决定性作用，而化学参数影响不大。
强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺混条件。
第二节 扩散火焰的特点
扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散火焰容易产生碳氢化合物的热分解
人工煤气扩散火焰
人工煤气预混火焰
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火或吹熄），也不产生回火，
而始终悬挂在管口的情况。
本生灯：
一次空气消耗系数 二次空气消耗系数 总空气消耗系数： a. 燃烧所需空气全部由外界环境 ：从底部吸入的空气为一次空气量 ：由出口引射所得的空气为二次空气量
通过引射提供，属于扩散燃烧。
b. 从本生灯底部供入的空气充足，
燃烧过程完全由化学反应的快慢（化 学动力因素）所控制，属动力燃烧。 c. 燃烧既有一次空气混合物的预
3 8 3 4 8
4
3.66 10 3
46357 3.39 10 3 kg / s 50016
仿照例9.1 ，先求出下列各量
（查附表C.1）
（查附表B.1）
ve 172.7m / s
由Delichalsios关系式可得
Frf 4.154 L* 20.36 d* m j 0.0046 L f 1.71m
L
*
Lf fs
（9-12）
或
Lf fs dj
*
（9-13）
在浮力起主要作用区，无因次火焰长度的经验 公式为：
Frf 5时
L*
13.5Frf2 / 5 (1 0.07Frf2 )1/ 5
在动量起主要作用区，无因次火焰长度的经验 公式为：
Frf 5时
L* 23
例9.1已知：一丙烷射流火焰的出口直径为6.17mm，丙烷的 质量流量为 ，射流出口处的丙烷密度为
，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
由此可见，要求火焰长度，必须先求出Froude数
的表达式如下
由已知可得
1 1 fs 0.06035 ( A / F ) s 1 15.57 1 qm 3.66103 ve 66.0m / s 2 2 ed j / 4 1.854 0.00617 / 4
此时出现两个火焰锋面，内焰大致相当于
燃料经扩散获得外界氧气生成，为扩散火焰。内焰温度较高，外焰较低。 (d) 为管中供应纯油气的情况。
它所需的氧气全部从外界获得，为扩散燃烧，其火焰最长。
层流扩散火焰 质量扩散以分子扩散的方式实现
扩散火焰
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
混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于 动力——扩散燃烧
(a)
表示当管中混气为贫油时的动力火焰。由于混气已有足够氧气， 的增大，火焰变长。
不需要再从外界获取氧气，因而火焰光滑。随着 (b) 表示化学恰当比下的动力火焰。
因为此时温度高，火焰传播速度快，因此火焰高度最短。
(c) 的富油燃烧。由于混气燃料多而氧气少，因此有剩余燃料。 的动力火焰，外焰面为剩余
第九章 非预混火焰
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9.1 火焰分类
9.2 扩散火焰特点 9.3 层流扩散火焰结构
9.4 湍流扩散火焰
第一节
火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念
预混火焰 在发生化学反应前，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，直接进行燃烧反应。
4）初始射流直径
火焰弗卢德数定义如下：
ve f s3 / 2 Frf e T f ( )[ gdi ]1/ 2 T
式中： 是燃料特征温度，
9.10
是出口流速
将喷管内流体密度与环境气体密度之比
初始射流直径
与
综合为一个参数，即动量直径：
无因次火焰长度的经验公式：
L
*
d j ( e )1/ 2
时的火焰抬升高度。 解 利用Kalghatgi关系式计算火焰吹熄速度
由此可知，必须先求出雷诺数
和最大层流火焰速度
特征长度
w f ,e e H 4d j [ ( ) 5.8] f s 1 1.854 0.5 4 0.00617 [ ( ) 5.8] 0.3735 m 0.06035 1.1614 8.26106 ( N s) / m 2 (见附录B.3)
燃烧燃料所需的时间： 流动特征时间 燃烧反应时间
扩散燃烧： 化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于 混合速度，而与化学反应速度关系不大。 预混燃烧： 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
：燃料与空气混合时间 ：化学反应时间
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。
估算火焰升起高度和射流熄火流量经验关系式：
式中： 是火焰升起高度， 是动力粘性系数。
是最大层流火焰传播速度，
其中，
是沿喷管轴线燃料平均浓度下降到化学恰当比浓度的距离。
是沿喷管轴线燃料平均浓度下降到化学恰当比浓度的距离。
分别是化学恰当比燃料质量分数，出口燃料质量分数
例9.3
已知一丙烷射流火焰出口直径为6.17mm；环境压力和 温度分别是1atm，300K，射流出口温度为300K，密度 1.854 ，试确定丙烷射流火焰的吹熄速度和吹熄