第三节 扩散火焰与预混火焰

火焰高度
Q 层流 : H l 2Dm Q : 体积流量 ; Dm : 扩散系数 湍流 : R v R v R v Ht R Dt e Rv
2 2 2
根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：
（1）自由射流湍流扩散火焰 （2）受限射流湍流扩散火焰
（3）同心射流湍流扩散火焰
（4）旋转射流湍流扩散火焰 （5）逆向射流湍流扩散火焰
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
本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环 境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制， 属于动力燃烧； （3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动 力-扩散燃烧。
燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr 燃料与空气混合时间τm流动特征时间 燃烧反应时间τr 化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化 学动力因素)，与混合过程关系不大
由于 Τchem<< τtransport(或τdiffusion) 故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0
层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界 面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在α=1处 形成火焰锋面 在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度 达到最大值，然后向两侧扩散
3.4
火焰的稳定燃烧-阻止回火
为防止火焰窜入设备、容器与管道内， 或阻止火焰在设备和管道内扩展，可 用(安全水封)和(阻火器)，以切断爆 炸传播途径。
防止回火的方法
防止回火的方法：主要是降低喷口处的火焰传播 速度和提高可燃气在喷口处的速度。具体措施有： (1)减小喷口直径，增加喷嘴数量。利用喷孔壁面的 冷却作用使火焰传播速度降低； (2)采用导热性差的材料制造喷嘴，减少喷嘴对燃气 的传热； (3)对大型喷嘴进行水冷或空冷； (4)减少一次空气量，增设二次空气，使燃料与一次 空气的混合气偏离化学当量比，使火焰传播速度 降低； (5)保持一定的可燃气压力，维持一定的出口流速。
(a) α1 >1，当管 中混气为贫油时 的动力火焰。此 时混气中有足够 氧气，不需要从 外界获取氧气， 故火焰光滑，随 着α1增大，火焰 变长
(b)α1 =1，化 学恰当比下 的动力火焰。 此时温度高， 火焰传播速 度快，故火 焰高度最短
(c)α1 <1，富油燃烧， 此时混气燃料多而 氧气少，故有剩余 燃料。此时出现两 个火焰锋面，内焰 大致相当于α1 =1的 动力型火焰，外焰 面为剩余燃料经扩 散获得外界氧气燃 烧而形成，称为扩 散火焰，内焰温度 较高，外焰则较低
预混火焰：形成短火焰，火焰温度高。预 混燃烧器尤其需要防止回火。
回火：火焰缩入到燃烧器喷口内，在喷 口内燃烧的现象。
防止回火的方法：主要是降低喷口处的火焰传播 速度和提高可燃气在喷口处的速度。具体措施有： (1)减小喷口直径，增加喷嘴数量。利用喷孔壁面的 冷却作用使火焰传播速度降低； (2)采用导热性差的材料制造喷嘴，减少喷嘴对燃气 的传热； (3)对大型喷嘴进行水冷或空冷； (4)减少一次空气量，增设二次空气，使燃料与一次 空气的混合气偏离化学当量比，使火焰传播速度 降低；
（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）扩散火焰过渡区：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 褶皱和噪音）
一 燃烧方式与火焰结构
2、部分预混和完全预混燃烧用数值表示： 一次空气系数：燃气混合的空气量与该燃 气燃烧的理论空气量之比，用a1 表示。 （1）0<a1 <1, 部分预混 （2）a1 ≥1，完全预混燃烧
三、扩散火焰和预混火焰的特点：
扩散燃烧缓慢，燃烧空间热强度低。 扩散火焰的稳定燃烧范围宽，操作控制 容易，没有回火的危险。
火焰弗卢德数定义如下 : T f e / gd j T 其中 : T f 为燃烧特征温度， ve为出口流速
1/ 4
Frf
Baidu Nhomakorabeave f 3 / 2
1/ 2
将喷管内流体密度与环 境密度之比 e / 与初始射流 直径d j 综合为一个参数 ,即动量直径 :
焰面外侧： 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
第四节 湍流扩散火焰
在增大射流速度，顶 部开始出现颤动、皱 折、破裂，表明端部 出现湍流，由于湍流 继续增加射流速度，火焰端部的 脉动，湍流扩散混合 湍流区长度增加，开始颤动、皱 加快，燃烧速度增加， 折、破裂的点（转变点）向喷口 使火焰高度缩短 方向移动，火焰的总高度则明显
缩短，直到破裂点靠近喷口。此 时火焰达到完全湍流状态，此后 破裂点位置不变（或与管口距离 略有缩短）、火焰高度趋于定值， 但噪音增加
在射流速度较低 时，火焰保持层 流状态，火焰前 沿面光滑、稳定、 明亮、清晰
随着射流速度增 加，火焰高度增 加，直到某一最 大值，此时火焰 仍然保持层流
扩散燃烧火焰长度的变化规律
3.4 火焰的稳定燃烧-阻止脱火
比较典型的火焰 稳定器有：用引 燃火焰稳定，用 阻挡块（或称钝 体）稳定及用逆 向射流稳定火焰 稳定。
防止脱火的方法 防止脱火的方法：利用特殊射流流场特性，或使 用稳焰器使高温烟气回流，利用高温烟气的热 量来提供点火能量。具体措施有： (1)利用旋转射流稳定火焰：当旋流强度大于0.6 以后，流场中出现回流区，卷吸高温烟气回流 形成稳定的点火源； (2)利用钝体稳定火焰：高速气流在流经钝体后 速度分布发生变化，在钝体后产生回流，卷吸 的高温烟气提高了点火所需能量；燃烧器中稳 定火焰的装置称为稳焰器；
在动量其主要作用区域 ，无因次火焰长度的经 验公式为 : Frf 5 L* 23
甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因： （1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得 甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长； （2）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（尽管甲烷 的化学计量系数比丙烷小，但它的影响比动量直径要小得多）


火焰分类
扩散火焰特点 层流扩散火焰结构 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 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）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 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应
在“快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间τchem远小于 流动特征时间 Τchem<< τtransport(或τdiffusion)
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、 控制反应速度的过程），火焰可 以从分开燃料和氧化剂的表面取 一个薄层来模拟。
火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比。

第四节 火焰稳定的原理和方法

对于燃烧装置来说，不仅要保证燃料能顺 利着火，而且还要求在着火后形成稳定火 焰，不出现离焰、吹熄、脱火、回火等问 题，从而具有稳定的燃烧过程。如果着火 后的燃烧火焰时断时续，那么该燃烧装置 就不具备实用价值。
一火焰稳定的基本条件
二 火焰稳定机理

对于预混可燃气体燃烧来说，气流喷出并 引燃后，在喷口处附近形成锥形火焰，其 锥角符合火焰稳定的余弦定律。如果气流 流速过高，火焰将会从根部开始吹脱；反 之，如果气流流速过低，火焰则会引向喷 口内。由此说明预混火焰在一定的流速范 围内存在一个稳定的点火源，否则火焰无 法维持稳定。
第二节 扩散火焰特点
扩散火焰不产生回火，但温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火， 而是始终“悬挂”在管口。
当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄
第三节 层流扩散火焰结构
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 的氧化剂过量）。火焰靠 近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值， （即燃料过量），火焰向 外壁蔓延
相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分 析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长 度和半径的经验公式 对于燃料自由射流产生的垂直火焰，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Frf （2）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1) （3）喷管内流体密度与环境气体密度之比ρe/ ρ∞ （4）初始射流直径di
1/ 2 d* d （ / ） j j e
无因次火焰长度经验公 式 : Lf fs * L d j ( e / )1/ 2 或 L
*
Lf fs d* j 13.5Frf2 / 5 (1 0.07Frf2 )1/ 5
在浮力起主要作用区域 ，无因次火焰长度的经 验公式为 : Frf 5 L*
例如： 使用气焊气割时，乙炔和氧气的混合。 本生灯。
本生灯
5、燃烧速度： 取决于可燃气体的浓度、初始温度、管 道直径。 过量空气系数，α ＝0.93；可以大大促进 化学反应速度。 6、预混火焰： 预混燃烧时所形成的火焰。
二、扩散火焰、预混火焰形状：
1、预混燃烧在燃烧前，燃料与氧气已经在 燃烧器内充分混合。它是相对于扩散燃 烧的另一种典型燃烧方式。 根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完 全燃烧，分为部分预混和完全预混燃烧 两类。
(d)α1 =0，管 中供应的为 纯油气。所 需氧气全部 从外界获得， 故为纯扩散 燃烧，火焰 最长
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
扩散火焰
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散形式实现
扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状 态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数 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
煤气泄露
井喷
2、燃烧速度： 取决于可燃气体扩散速度。 气体扩散的快，扩散燃烧速度就快，气 体扩散多少，扩散燃烧反应就燃烧多少。 3、扩散火焰： 扩散燃烧时所形成的火焰。
4、预混燃烧： 可燃气体和氧气（或空气）预先混合成 均匀的混合气，混合气在燃烧器内进行 着火、燃烧的过程称为预混燃烧。也称 动力燃烧，燃烧过程受可燃气体的浓度、 初始温度、管道直径等化学动力学因素 的影响。
二 火焰稳定机理
三高速气流中火焰的稳定
四 火焰稳定的主要方法

除了上节讨论的钝体稳焰器之外，火焰稳 定的主要方法还有：利用引燃火焰稳定、 利用旋转射流稳定、利用反吹射流稳定、 利用不对称射流稳定等。
四 火焰稳定的主要方法
3.4
火焰的稳定燃烧
可燃混合器供应速度的 速度梯度（在火焰 的稳定有很大的影 响）。如梯度太小 则火焰回火（或称 逆火），如太大则 发生脱火。实际的 测试表明，临界速 度梯度与燃料氧化 剂的比值密切相关。
第三节 扩散火焰与预混火焰
1、什么叫做扩散火焰和预混火焰？ 2、扩散火焰、预混火焰形状？ 3、扩散火焰和预混火焰有什么特点？
一、扩散火焰和预混火焰的定义：
1、扩散燃烧： 可燃气体从喷口喷出，在喷口处与空气 中的氧气边扩散混合、边燃烧的现象， 称为扩散燃烧。 例如： 管道、容器泄露口发生的燃烧，天然气井 口发生变得井喷。