5.1层流火焰传播机理和传播速度
燃烧理论第四讲火焰传播理论
其边界条件是
x ,T
T0
,
dT dx
0
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)
0 Sn Cp
Ti
T0
dT dx
I
反应区的能量方程为
d2 y dx2
wQ
0
其边界条件是
x 0,T Ti ;
dT x ,T Tm , dx 0
传播速度。
尚于缺几少乎完不全可符能合得到Sn定严义格的的测平定面方状法火。焰精面确。测量Sn的困难在 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
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。
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。
乘式
2
dT dx
d dx
dT dx
2
2
dT dx
d 2T dx2
后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）
dT dx
2
Tm wQdT
Ti
dT dx
I
dT dx
Sn
2 Tm wQdT Ti
02Cp2 Ti T0 2
Ti为未知，进一步变换可得
Sn
2 Tm wQdT T0
02Cp2 Tm T0 2
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
实验二-层流火焰传播速度的测定实验
实验二-层流火焰传播速度的测定实验实验二层流火焰传播速度的测定实验一、预备知识1、火焰传播和化学反应燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。
例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。
最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为CO2和H2O。
总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。
这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K以上）。
因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形以及中间产物的氧化是有必要的。
当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。
通过热传导把热量引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。
我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。
为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。
在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。
火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。
贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。
实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。
如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。
如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶段不能进行。
因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极限。
5.1层流火焰传播机理和传播速度
层流火焰介绍
《航空发动机燃烧学》
西北工业大学 航空发动机燃烧学课程组
CONTENTS
- 2 -
1 燃烧分类 2 层流预混火焰 3 一维层流预混火焰的基本机理 4 一维层流预混火焰的结构 5 层流预混火焰的传播速度
1
燃烧分类
预混燃烧
Premixed combustion
- 3 -
气体燃料 和氧化剂 是否预先 混合
mw f ,u ( hR ) mc p (Ti Tu ) w f ,u ( hR ) c p (Ti Tu ) 或 hR c（ p Ti Tu） w f ,u
- 15 -
火焰面控制体
1/ 2
2hR Su DT RR u c p (Ti Tu )
3
一维层流预混火焰的基本机理
层流预混火焰热理论
- 7 -
p r
预热区
一维层流预混火焰 反应区
4
一维层流预混火焰的结构
- 8 -
Le 1
拐点Ti
一维层流预混火焰结构
绝热管，传播速度n 火焰前锋为平面，与管轴线垂直 燃烧过程中，系统压力和物质的量、 混合物的定压比热容和导热系数保 持不变，且路易斯数 。 两个区域——预热区和反应区。在 预热区内忽略化学反应的影响，在 化学反应区忽略混气本身热焓的增 加（即认为着火温度与绝热火焰温 度近似相等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向 新鲜混气的热传导。
5
层流预混火焰的传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动基本方程为：
连续方程 动量方程 能量方程
- 9 -
uu u Su m
浙大高等燃烧学火焰传播与稳定_程乐鸣_2013_9
第三节 火焰正常传播
• 主要内容
–影响火焰正常传播速度的主要因素。 –火焰传播界限。 –火焰正常传播速度的测量。
影响火焰正常传播速度的主要因素
• • • • • • • • 过量空气系数 燃料化学结构 添加剂 混合可燃物初始温度T0 火焰温度 压力 惰性物质含量 热扩散系数和比热
基于理论公式分析，关注推导 过程中的假设等条件变化
Tr
T0
wdT
分区近似解是精确求解 法的一个一次逼近值
Tanford等的扩散理论
• 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。
化学反应速度与组分相关
结 果
2 T 2 sl wqdT 2 T 0 c p (Tb T0 ) 02 c 2 ( T T ) p b 0
r b
Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
Tr
uH
ws 0 q T0 n 2n! E 1 1 ( ) exp[ ( )] n 1 B 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
• 捷尔道维奇分区近似解法 • 火焰传播精确解法
• Tanford等的扩散理论
• 层流火焰数值求解
实验二 层流预混火焰传播速度测定
实验二 层流预混火焰传播速度的测定一、实验的理论基础许多工业设备都应用预混气燃烧作为热和能量的生成方式。
如火花点火发动机（汽油机），煤气炉内的燃烧，灾害性的火灾和爆炸都涉及到预混气的燃烧和火焰传播问题。
研究预混气燃烧的最重要参数是层流火焰传播速度。
火焰速度是预混气的基本特性，是研究火焰稳定性以及湍流预混气燃烧的基础。
层流火焰速度定义为给定可燃预混气的一维平面预混火焰在没有热损失时相对于未燃气的移动速度。
用S 0表示。
该定义给出的火焰速度是预混气的单一的固有特性，而与外界流动条件无关，在某些精心设计的实验设备，如相向流火焰设备上，采用激光多普勒速度仪，可以精确测定S 0。
普通的预混火焰设备很难完成满足上述定义中的所有条件。
如采用本生灯测定火焰速度，由于火焰面呈锥形，不是一维火焰，顶端和底部火焰有弯曲。
不可避免地有热损失。
因此测到的是被测点当地的火焰速度或称局部火焰速度，用S 表示。
S 除与可燃预混气的气/油比有关外，还受热损失，火焰拉伸等动力学因素影响。
用其它的实验方法，如平面火焰法，火焰推进法，肥皂泡法，球弹法和圆管法都是只能测定局部火焰速度。
层流火焰理论指出，预混火焰的稳定位置总是位于预混气在火焰面的法向速度分量与火焰速度（总与火焰面垂直）大小相等，方向相反的地方。
当这两个速度不相等时，火焰面就要移动，而扩散火焰总是驻定在燃料与氧化剂为化学计量值的位置上。
在这一位置，燃料与氧化剂混合最均匀，反应率最快。
偏离这一位置，不可能组织起燃烧，扩散火焰没有火焰传播速度的概念，这是预混火焰和扩散火焰最主要的区别之一。
二、实验原理实验采用本生灯测定（局部）火焰传播速度，实验设备与实验二相同。
设计良好的本生灯火焰呈锥形，除顶端和底部火焰弯曲外，中间有较长一段的平直火焰，假定预混气速度沿出口截面分布均匀，火焰前沿各处的气流法向速度相等，把驻定在管口的火焰面简化为正锥形，如图3-1所示。
预混气的速度为u 0，火焰面平直的上点P 的火焰速度为S 。
燃烧学-第五章
燃料/氧配比的影响（过量空气系数的影响）
混合气配比对火焰 传播速度影响很大。
除氢气和一氧化碳 外，最大火焰传播速度 处在λ=0.80～0.85范围内。
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
对每一种燃料—氧化剂的可燃混合气都存在 一定的可燃界限，其上限为混合气浓限，下 限为混合气稀限。这是维持火焰传播的一个 必要条件。
第五章 火焰传播与气体燃料燃烧
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
• 预混气体火焰
Premixed Flame （Bunsen Flame ）
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 δd 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
Sl＝u0
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。
(u p、u s反方向） (u p、u s同方向）
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 正 常 速 度 uH, m/s 1.6 0.30 0.28 1.0 0.5
《层流预混火焰传播》课件
能源领域
在石油、天然气等能源领域， 层流预混火焰传播技术有广泛 应用。
空气净化
通过层流预混火焰传播技术可 以有效净化大气中的有害气体。
总结
1 高效稳定
2 广泛应用
层流预混火焰传播是一 种高效稳定的燃烧方式。
在工业生产和能源领域 有广泛应用的技术。
3 重要作用
在空气净化方面发挥着 重要作用，改善生活环 境。
《层流预混火焰传播》 PPT课件
层流预混火焰传播的基本概念和工作原理。了解层流、预混、火焰传播，以 及该技术在工业、能源和空气净化领域的应用。
简介
层流
气体在流动中保持的高度 有序的状态，避免混合不 均匀。
预混
将燃料和氧气提前混合并 准备点火，提高燃烧效率。
火焰传播
燃烧过程中火焰的扩散和 推动气体流动。
参考资料
1. 燃烧工程课程教材 2. 层流预混燃烧器制造商的官方网站
工作原理
1
混合气体进入燃烧器
通过管道将燃料和氧气送入燃烧器内。
混合并准备点火
2
燃料和点火将混合气体燃烧
点火引燃混合气体，开始燃烧过程。
燃烧产生的热量推动气体流动
4
燃烧释放的热量推动气体流动，形成 层流环境。
应用
工业生产
层流预混火焰传播可提高燃烧 效率，应用于工业燃烧设备。
燃烧理论第四讲火焰传播理论
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
依值靠，实有验时方也法可测依得照单经一验燃公气式或和混实合验燃数气据在计一算定混条合件气下的的火焰Sn
传播速度。
尚于缺几少乎完不全可符能合得到Sn定严义格的的测平定面方状法火。焰精面确。测量Sn的困难在 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
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
播但速实度际上上升管，径并增趋大向时于焰极面限要值发生Sn。
皱曲。管径越大，焰面皱曲越烈
，升因。而Sv值随管径的增加而不断上
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。，临这界时直的径管在径工称程为上临是界有直意径义的dc
，可利用孔径小于临界直径值的 金属网制止火焰通过。
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。用光学方法测量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。
火焰传播速度
结果
sl
0cp (Tb
T0 )
2 Tr wqdT
Tb
2
Tr wqdT
02c
2 p
(Tb
T0
)2
Tb
sl
2 Tr wqdT T0
02c
2 p
(Tr
Tws0q (T0 )n 0cp (Tr T0 ) Tr
exp[
E R
1 ( Tr
1 )] T0
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：
0Slcp
dT dx
能量方程 扩散方程
d dx
(
dT dx
) cPu
dT dx
Qw
0
d (D dfs ) u dfs w 0
dx dx
dx
层流火焰传播方程
d dx
(
dT dx
) cPSl
dT dx
Qw
0
火焰正常扩张的理论
• 用于简化近似分析的热理论 • 捷尔道维奇等的分区近似解法 • 火焰传播的精确解法 • Tanford等的扩散理论 • 层流火焰问题的数值求解方法
气体
浓度下限%
氢 H2 一氧化碳 CO
甲烷 CH4 乙炔 C2H2 乙烯 C2H4
6.5 16.3 6.3 3.5 4.0
浓度上限%
65.2 70.9 11.9 52.3 14.0
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。
火焰传播与火灾蔓延机理
针对不同类型和规模的火灾场景 ，研究开发针对性的灭火技术和
装备，以满足实际灭火需求。
加强灭火技术的推广和应用，提 高消防队伍的灭火能力，确保在 火灾发生时能够迅速有效地控制
火势。
提高公众的火灾防范意识与应急能力
加强火灾防范宣传教育，提高公众对火灾危害的认识和预防意识，培养 良好的安全习惯。
抑制法
通过使用灭火剂，抑制火 焰燃烧过程中的化学反应 ，从而达到扑灭火灾的效 果。
冷却法
通过降低火焰温度，使火 焰熄灭。常见的方法是使 用水灭火器或灭火水枪。
火灾防控策略与措施
建立完善的消防安全管理制度
制定消防安全规定，明确各级消防安全责任，定期进行消防安全检查 和评估。
提高消防安全意识
开展消防安全宣传教育活动，提高员工和居民的消防安全意识和自救 能力。
开展火灾蔓延的数值模拟研究，通过建立更精确的数学模型和计算方法，提高对火 灾蔓延过程预测的准确性和可靠性。
针对不同环境和条件下的火灾蔓延特性进行实验研究，以揭示不同因素对火焰传播 和火灾蔓延的影响。
新型灭火技术的研发与应用
研发高效、环保、安全的灭火技 术，如新型气体灭火剂、细水雾 灭火系统等，以提高灭火效率并
火焰传播过程中，可燃物与氧气发生化学反应，释放出热量和
光亮，推动火焰向前传播。
火焰传播速度及其影响因素
火焰传播速度
火焰传播速度是指火焰前 1
锋在单位时间内移动的距 离。
抑制火焰传播
4
某些因素可以抑制火焰传 播，例如降低温度、增加 氧气浓度和稀释燃料等。
影响因素
火焰传播速度受到多种因
2
素的影响，包括燃料种类
、氧气浓度、温度、压力
试验五火焰传播速度测定试验
实验五火焰传播速度测定实验一、实验目的1. 理解火焰传播速度的概念，掌握静压法（管子法）测量火焰传播速度的原理和方法。
2. 测定液化石油气的层流火焰传播速度。
3. 掌握不同的气/燃比对火焰传播速度的影响，测定出不同燃料百分数下火焰传播速度的变化曲线。
二、实验原理层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。
正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上，火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。
在一定的气流量、浓度、温度、压力和管壁散热情况下，当点燃一部分燃气－空气混合物时，在着火处形成一层极薄的燃烧火焰面。
这层高温燃烧火焰面加热相邻的燃气－空气混合物，使其温度升高，当达到着火温度时，就开始着火形成新的焰面。
这样，焰面就不断向未燃气体方向移动，使每层气体都相继经历加热、着火和燃烧过程，即燃烧火焰锋面与新的可燃混合气及燃烧产物之间进行着热量交换和质量交换。
层流火焰传播速度的大小由可燃混合物的物理化学特性所决定，所以它是一个物理化学常数。
测量火焰传播速度的方法很多，如静压法（管子法）、本生灯法、定容球法、肥皂泡法和粒子示踪法等。
本试验装置是用静压法（管子法）进行测定。
二、实验设备图1 静压法（管子法）测定火焰传播速度装置图图2 实验设备零件四、实验步骤根据步骤操作：11.打开主开关(1)。
打开气体供应源。
12.打开空气控制阀(2)，确保空气流进燃烧混合元件（18）。
13.把脚放置在开关板上，打开气体控制阀（3）。
14.使用手动点火器（19），在燃烧器内点燃混合物。
注意：当操作者把脚从脚踏开关移开，燃气电磁阀会自动关闭，一者可以起到安全的作用，二者可以立即关闭气体进行火焰传播速度的测量。
15.当火焰产生后，调节控制元件来得到想要的空气/燃料比。
气体的流速可以通过流速计（5）或（6）测量。
16.当设置好比例后，等待5秒左右直到火焰稳定，然后完全关闭空气和气体控制阀，从脚踏开关移开脚。
同时按下点火按钮（在远程点火箱上）。
实验二-层流火焰传播速度的测定实验
实验二-层流火焰传播速度的测定实验实验二层流火焰传播速度的测定实验一、预备知识1、火焰传播和化学反应燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。
例如，CH4被连续地转化成CH3，CH2，CH。
最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H2，所有的中间产物将接着进一步氧化，再一次通过自由基的作用，而变为CO2和H2O。
总热量的一大部分释放都是发生在第二阶段。
这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下（如1500K以上）。
因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对燃料完全变形以及中间产物的氧化是有必要的。
当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。
通过热传导把热量引导到了未燃的相邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。
我们知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以及未燃混合物的热扩散性。
为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。
在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。
火焰传播速度只依赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。
贫油(Φ<1)和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因为偏离化学恰当比时多余的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。
实际上，温度最大值出现在当量比比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。
如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传播变得不可能。
如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶段不能进行。
因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极限。
燃烧理论第四讲火焰传播理论
目 录
• 火焰传播概述 • 火焰传播的基本理论 • 火焰传播的实验研究 • 火焰传播在燃烧科学中的应用 • 总结与展望
01
火焰传播概述
火焰传播的定义
火焰传播
火焰在可燃气体中传播蔓延的过程， 是燃烧学中的重要概念。
火焰传播速度
火焰传播的物理化学过程
火焰传播的本质是化学反应释放的热 量推动可燃气体加热和膨胀，形成火 焰前锋，并不断向未燃区域传播。
火焰传播理论在燃烧科学中的重要性
火焰传播是燃烧过程中的核心现象，对燃烧效率和污染物排放有重要影响。
火焰传播理论为燃烧设备的优化设计和控制提供了理论基础，有助于提高 燃烧效率并降低污染物排放。
火焰传播理论对于燃烧科学的发展具有重要意义，是燃烧科学领域的重要 研究方向之一。
未来火焰传播理论的研究方向与挑战
燃烧科学中的火焰传播研究展望
火焰传播研究的重要性和挑战
火焰传播是燃烧过程中的关键环节，对燃烧效率和污染物排放具有重要影响。然而，火 焰传播机制和影响因素的复杂性给研究带来了一定的挑战。未来研究需要进一步深入探 讨火焰传播的微观机制和多尺度相互作用，为燃烧科学的发展提供更深入的理论基础。
火焰传播研究的发展趋势
火焰传播的热力学基础
1 2 3
燃烧热与热力学第一定律
火焰传播过程中伴随着能量的转化与传递，燃烧 热是燃烧反应释放的能量，热力学第一定律用于 描述能量守恒。
热力学第二定律与熵增原理
火焰传播过程中熵增原理表明反应自发向熵增加 的方向进行，热力学第二定律用于判断反应是否 自发进行。
燃烧温度与热力学平衡态
随着实验技术和数值模拟方法的不断进步，未来火焰传播研究将更加注重多学科交叉和 跨尺度研究。同时，随着环保意识的提高，研究将更加关注清洁燃烧和低排放燃烧技术， 探索更高效的燃烧方式和污染物控制策略。此外，新兴技术的应用也为火焰传播研究提
解释用本生灯法测试层流火焰传播速度的机理
解释用本生灯法测试层流火焰传播速度的机理本生灯法是一种常用于测试层流火焰传播速度的实验方法。
其基本原理是通过观察火焰在可燃气体中的传播速度，来确定可燃气体的燃烧特性。
在本生灯法中，可燃气体通过本生灯的喷嘴喷出，形成一个层流火焰。
火焰的传播速度可以通过测量火焰前锋在可燃气体中的移动速度来确定。
具体来说，本生灯法通常包括以下步骤：
1. 准备可燃气体和本生灯：选择需要测试的可燃气体，并将其装入实验装置中。
本生灯通常由一个喷嘴和一个储气罐组成，可以通过调节储气罐的压力来控制可燃气体的流量。
2. 点燃本生灯：将本生灯的喷嘴对准可燃气体，点燃本生灯，形成一个层流火焰。
3. 观察火焰传播速度：通过观察火焰前锋在可燃气体中的移动速度，可以确定火焰的传播速度。
在本生灯法中，火焰的传播速度取决于可燃气体的性质、压力、温度和流量等因素。
通过改变这些因素，可以研究不同条件下火焰传播速度的变化规律，从而深入了解可燃气体的燃烧特性。
本生灯法是一种实验室方法，需要在安全的条件下进行操作。
在实验过程中，应该遵循相关的安全规定，确保实验人员的安全。
层流火焰传递速度测定
某些碳氢燃料与空气形成的混合气在层流状态下的 火焰传播速度： 燃料品种 可达到的最高火焰传播速度，cm／s 氢 315 乙炔 170 甲烷 33.8 乙烯 68.3 丙烯 43.8 苯 40.7
试验目的
用本生灯法在不同一次空气系数下测量天然气空气混和物的层 流火焰传播速度值。
空气系数
• 在我国及前苏联等国，通过的可燃混合器成分指标是过量空气系 数，常用符号α表示。 • α=燃烧1kg 燃料所实际供给的空气质量/完全燃烧1kg 燃料所需 的理论空气质量 • α＞１,空气过剩；α<1，燃烧不充分。
层流火焰传递速度测定
层流火焰传递速度测定
火焰传播速度：指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混 合气的推进速度。火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋 在空间的移动速度，是研究火焰稳定性的重要数据之一。其值高 低取决于可燃混合气本身的性质、压力、温度、过量空气系数、 可燃混合气流动状况(层流或湍流)以及周围散热条件等。当压力 和温度升高、过量空气系数接近于1，或流动状况为湍流时，都有 助于提高火焰传播速度。火焰传播速度实质上表示了单位时间内 在火焰前锋单位面积上所烧掉的可燃混合气数量。为了提高燃烧 设备的燃烧热强度(以减小燃烧设备的尺寸)，必须尽可能提高火 焰传播速度。
转子流量计
天然气
湿式流量计
混合气 本生灯 垂高仪
风机
调节阀 湿式流量计
稳压箱
实验步骤与结果记录
1. 启动风机，调节风量，使本生灯出口流量约为 0.6m/s。并读出空气流量。 2. 由以上空气流量粗略估算出空气系数为0.8、0.9、 1.0、1.1、1.2的天然气流量。 3. 开启天然气阀，按上述5种情况调整天然气流量。 4. 待每一工况稳定后，有湿式流量计计测出天燃气、 空气的体积流量（空气5升，天然气1升的时间）， 由垂高仪测出火焰内锥高度。 5. 记录室温，计算Sn。 6. 结果记录，P67。
火焰传播速度的通俗讲解
火焰传播速度的通俗讲解一、火焰传播速度1. 定义：火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度。
火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋在空间的移动速度（360百科）的燃烧速度。
2. 解释：其实将火焰传播速度，限定在未燃可燃混合气太局限了，把其定义为火焰在燃烧物表面移动速度（定义2），就容易理解的多。
如图：现在换一种物质很明显燃烧物不同，火焰的的传播速度不同，同样草坪的干湿、荗密程度也会影响到火焰的传播速度，有哪些因素影响火焰传播速度，有关这些我们留待后面再谈，我们现在的着重点是准确的理解火焰传播速度这个概念，我们讨论了处于静态的可燃物的火焰传播速度，现在我们看下处于运动中的可燃物的火焰传播速度：如图，有一股流动着燃气流（也可是我们的煤粉流）m，我们先假设它相对静止，注意仅仅是假设，当我们在这股气流的端点用明火点燃，燃气流m1经过2秒达到B处，如果AB距离是3米，我们就说火焰传播速度是1.5米/秒，燃汽流m2经过2秒到达C处，如AC间的距离是4.80米，我们就说它的火焰传播速度是2.4米/秒。
很明显，因为燃气流总是流动的，而且流速是可变的多样的，我们的燃汽流不动只是为使这个概念更加直观，那么处在流动中的燃汽又有什么变化？我们假设燃汽流以2米/秒同样的速度向前移动，当燃烧经过2秒，燃气流m1的B点的介质实际上到达了B1的位置，而且燃气流m2的c点只到达c1点的位置，B1和C1是火焰的实际位置。
很明显m1燃气流经过2秒的燃烧，火焰前锋从A处，进到了B1处，前移了1米，而m2燃气流的火焰前锋则落到C1处，落后了0.8米，这就是说如果燃料的流动速度高于将使火焰不断前移，最后的结果是熄火；如果燃料的流动速度低于火焰传播速度，将形成回火。
【品味一下气割的割枪和气体打火机的的现象】，【燃烧稳定的条件是：火焰的传播速度等于燃料的流动速度】，有关进一步的原因，我们后面再说，现在我们的主要任务是通过一个动静结合的演示，进步牢固在燃料速度与火焰传播速度不一致时，火焰确实会出现向前或向后移动。
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层流预混火焰
2
层流预混火焰
层流预混火焰的三种理论
热理论：认为火焰传播取决于反应区放 热及其向新鲜混气的热传导 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 综合理论：认为热的传导和活性粒子的 扩散对火焰传播可能有同等 重要的影响
- 6 -
层流火焰传播机 理的三种理论
5
层流预混火焰的传播速度
在x=xi处，
- 13 -
(dT / dx) xi uu c p (Ti Tu )
(dT / dx )
Tb
xi
2H R RRdT Ti
Tb
1/ 2
1/ 2 u Su c p (Ti Tu ) [2hR RRdT ]
(dT / dx) xi uu c p (Ti Tu )
5
层流预混火焰的传播速度
在反应区，能量的对流通量(源自温差)比扩散通量小，因而可以忽略对流项
0 nC p
- 12 -
dT dx
d ( dx
dT ) dx
RR(
hR )
忽略对流项
d ( dT / dx ) / dx RR( H R )
5
层流预混火焰的传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动基本方程为：
连续方程 动量方程 能量方程
- 9 -
uu u Su m
p constant
dT d dT unC p ( ) RR( H R ) dx dx dx
混气本身热焓的 变化——对流项
传导的热流 ——扩散项
3
一维层流预混火焰的基本机理
层流预混火焰热理论
- 7 -
p r
预热区
一维层流预混火焰 反应区
4
一维层流预混火焰的结构
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Le 1
拐点Ti
一维层流预混火焰结构
绝热管，传播速度n 火焰前锋为平面，与管轴线垂直 燃烧过程中，系统压力和物质的量、 混合物的定压比热容和导热系数保 持不变，且路易斯数 。 两个区域——预热区和反应区。在 预热区内忽略化学反应的影响，在 化学反应区忽略混气本身热焓的增 加（即认为着火温度与绝热火焰温 度近似相等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向 新鲜混气的热传导。
- 1 -
层流火焰介绍
《航空发动机燃烧学》
西北工业大学 航空发动机燃烧学课程组
CONTENTS
- 2 -
1 燃烧分类 2 层流预混火焰 3 一维层流预混火焰的基本机理 4 一维层流预混火焰的结构 5 层流预混火焰的传播速度
1
燃烧分类
预混燃烧
Premixed combustion
- 3 -
气体燃料 和氧化剂 是否预先 混合
5
层流预混火焰的传播速度
- 14 -
对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol，Ti略小于Tb ，于是
1 2hR Su DT u c p (Ti Tu ) Ti Tu
1 Ti Tu
Tb
Tb
RRdT Ti
- 11 -
dTቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdx
d ( dx
dT ) dx
RR(
hR )
假设RR=0
uu c p (dT / dx) d (dT / dx) / dx 0
c p c p cons tan t
物理解释：来自已燃气体的导 热通量对预热区未燃气体混合 物进行“预热”，将其温度从Tu 提高到Ti。 从冷边界到xi积分 气体冷边界条件: T Tu 以及 dT / dx 0
1/ 2
Ti
RRdT RR
可以看成是反应区中平均反应速率
2hR Su DT RR u c p (Ti Tu )
1/ 2
5
层流预混火焰的传播速度
由图中火焰面前后总的能量平衡关系，得 m f ( hR ) mc p (Ti Tu )
1/2
DT Su 2( ) RR w f,u u
- 16 -
Thank you
化学反应 生热量
5
层流预混火焰的传播速度
能量方程中的边界条件如下：
- 10 -
x （未燃气体）
T Tu ,
dT / dx 0 dT / dx 0
x （平衡时已燃气体） T Tb ,
根据分区近似解法 把火焰分成预热区和反应区。
5
层流预混火焰的传播速度
在预热区，
0 nC p
mw f ,u ( hR ) mc p (Ti Tu ) w f ,u ( hR ) c p (Ti Tu ) 或 hR c（ p Ti Tu） w f ,u
- 15 -
火焰面控制体
1/ 2
2hR Su DT RR u c p (Ti Tu )
从x xi (式中T Ti；dT / dx dT / dx
xi
)
到x (式中T Ti ; dT / dx 0)积分
(dT / dx )
xi
2H R RRdT Ti
Tb
1/ 2
物理解释：在反应区流出的，经热传导
进入预热区的能量扩散通量等于化学反 应释放的热量。
燃烧的快慢主要取决于化学动力因素， 而与混合扩散过程关系不大
m r , m r
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
2
层流预混火焰
层流预混火焰特点
- 5 -
火焰锋面
• 火焰面是一个厚度在0.01～ 0.1毫米左右的狭窄区域； • 此区域内，可燃混合气的温度 和成分都有急剧地变化(极大的 浓度和温度梯度)； 层流火焰压力变化很小，可 以认为是等压流动燃烧过程； 层流火焰传播速度很低，通 常在1m/s以下。
可求出层流火焰传播速度 S u
Ti
1 2hR Su ( ) c u c p (Ti Tu ) Ti Tu u p
Tb
RRdT Ti
1/ 2
令 / c p DT =热扩散系数，假设当 T Ti， RR 0
扩散燃烧
Diffusion combustion
燃料和氧化剂 的混合时间
燃烧时间
燃料燃烧所需的时间
m r
1
燃烧分类
m r , m
扩散燃烧
燃烧的快慢主要取决于混合扩散速 度，而与化学反应速度关系不大。
- 4 -
燃烧分类
m r , r
动力燃烧