火焰传播与稳定理论打印版概要

用于简化近似分析的热理论
• 认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区 放热及其向新鲜混气的热传导。
如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止不动 则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度
反应区的温度分布
• 一元导热微分方程
d dx
(
dT dx
)
cP xux
dT dx
Qw
0
• 介质的连续性方程
dx
)x0
cP 0u0 (TB
T0 )
x
u0
cp 0
1
Tr TB TB T0
w u c0 0 假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。
u0
(Tr TB )w cp 0c0 TB T0
a (Tr TB )w c0 TB T0
u0
(Tr TB )w cp 0c0 TB T0
qw
0
预热区：ddx (
dT ) dx
cP 0u0
dT dx
(
dT dx
)b
cP 0u0 (Tb
T0 )
反应区：d
dx
(
dT dx
)
wq
0
( dT dx
)
b
2 Tr wqdT
Tb
uH
2 Tr wqdT Tb
02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
火焰正常传播的理论
• 用于简化近似分析的热理论 • 泽利多维奇等的分区近似解法
• 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
火焰传播的精确解法
• 利用数值计算方法直接对层流火焰基本 方程进行迭代求解。
坦福特等的扩散理论
• 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。
火焰正常传播的理论
• 用于简化近似分析的热理论
• 泽利多维奇等的分区近似解法
• 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
泽利多维奇等的分区近似解法
• 火焰分为两个区域：预热区和反应区。 • 对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。
d dx
(
dT dx
) cP 0u0
பைடு நூலகம்
dT dx
a (Tr TB )w c0 TB T0
• 火焰正常传播速度随着燃烧温度Tr的减小而减小，就说明燃烧 区放出的热量不足以加热未燃的可燃混合物。
• 可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传 播速度。
• 可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当可燃混 合物中的空气含量偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦 降低火焰正常传播速度。
方式向管外逸出，管内压力可认为是常数。由于火焰传 播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动的导热 方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿）传给与火焰 临近的低温未燃气体燃料，使未燃气体燃料着火燃烧。 燃烧的火焰一层层地传播。
➢ 爆燃：其火焰的传播速度超过了声速，一般可达1000～
4000m/s，爆燃主要是由于气体燃料受冲击波的绝热压缩 而引起的。
可燃气体的火焰正常传播
➢由于火焰是一层很狭窄的燃烧区域，燃料的化学 反应只在该区域内进行，在这种情况下，可近似地 把它当作一个数学表面。
➢这一表面把未燃的新鲜燃料和燃烧产物分 开，而所有的火焰传播即为此表面的传播。
火焰正常传播
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
uH
im n
• 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。
各种理论解法的比较
影响火焰正常传播速度的主要因素 -过量空气系数的影响
率是不同的。化学反应速率不仅与温度有关，还与可 燃物的浓度有关。
着火处附近，可燃物浓度最大，但温度较低。 燃烧区末端，温度虽然很高，但可燃物浓度最低。
➢ 反应速率最大的区域为略低于燃烧温度附近区域-----反应区。
近似假设在燃烧区域内的温度按直线规律升高
dT dx
x 0
Tr
TB
( dT
火焰传播与稳定理论
火焰传播与稳定理论
➢火焰传播的基本方式
➢可燃气体的火焰正常传播 ➢火焰正常传播的理论 ➢火焰正常传播速度 ➢可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧 ➢火焰稳定的基本原理和方法
➢不稳定的火焰传播：振荡传播 ➢稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃
➢ 正常火焰传播(小于30m/s)：燃烧产物以自由膨胀的
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
T T0 (TB T0 )e
燃烧区特征
➢ 将TB至Tr之间的区域称为燃烧区。 ➢ 在整个燃烧区域中，其可燃气体混合物的化学反应速
0
dn
d
uP uH wn
本生灯火焰移动速度
uP uH wn
uH
wn
w cos
w d
dS
wd
uH
S
dS
uH
qV SL
火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿 的表面上，其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。
本生灯火焰移动速度
uH
qV SL
r0
qV h2 r02
本生灯测量的局限性
uH
2 Tr wqdT T0
02c2p (Tr T0 )2
w
k0cne
E RT
uH
2n! ws0q (T0 )n exp[ E ( 1 1 )]
Bn1 0cp (Tr T0 ) Tr
R Tr T0
wS 0
w0
Tr T0
0cpq
此式对于 n 整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种
因素对火焰传播速度的影响，预测出火焰传播速度的变化趋势。
a (Tr TB )w c0 TB T0
• 火焰前沿移动的正常传播速度与气体混合物的物理常 数有关。
• 火焰正常传播速度随着差值（TB-T0）的减小而增加， 因此如果将气体预先加热后再送入燃烧室，则其火焰 正常传播速度就能得以提高。
u0
(Tr TB )w cp 0c0 TB T0
➢ 火焰前沿各处的速度并不一 致。
➢ 火焰前沿锥体离喷嘴出口有 一段距离，并且宽度略大， 火焰速度与喷嘴直径有关， 直径越小影响越大。
➢ 可燃气体混合物中的含氧量 影响火焰锥体的形状。
火焰正常传播的理论
• 用于简化近似分析的热理论
• 泽利多维奇等的分区近似解法 • 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论