第三节 扩散火焰与预混火焰
第四章 燃气燃烧方法
天然气和空气在多孔陶瓷板上 燃烧时的温度变化曲线
L0为小孔式火道长度
第三节 完全预混式燃烧
2、冷却法防止回火
•冷却火孔以降低火孔出口的火焰传播速度，从而防止回火。
第四节 燃烧过程的强化与完善
一、两个热强度
1. 面积热强度：指燃烧室(或火道)单位面积上在单位时间内
通常碳粒来不及在高温区烧完，随气流流入火焰尾部低温区,燃 烧由扩散区转为动力区(温度低造成)，此后，碳粒的燃烧可能完全中 断，未燃尽的碳粒冷却后便形成碳黑，沉积在加热表面或管壁上。
五、火焰辐射
◆ 燃气火焰辐射有两种情况：
①、不发光的透明火焰的辐射，主要为高温气体的辐射，如 CO2、H2O。
②、黄色、光亮而不透明的光焰辐射，其中火焰内的游离碳 粒子产生的固体辐射占很大比例。气体辐射仅在窄波段进 行，辐射能力弱，而发光固体颗粒辐射具有连续发射光谱 能力，辐射能力强。
四、紊流预混火焰的稳定
◆ 采用人工的稳焰方法，出发点仍为改变气流速度以及改 变传播速度。
◆常用方法：在喷口处设置一个点火源。
1. 连续作用的人工点火装置，如炽热物体，辅助火焰。如图 1 2.使炽热的燃烧产物流回火焰根部形成点火源，如采用火焰稳定器:圆棒、
V型棒、锥体、平盘、鼓形盘等。如图2
图1 用辅助火焰作点火源 1—燃烧器火孔；2—小孔；3—环形缝隙
② 火焰焰面为圆锥形，焰面以内为燃 气，焰面以外为空气，焰面处α=1，燃 烧产物浓度最大。 ③ 火焰长度与气流速度成正比，对同 一种燃气和同一燃烧器，气流速度越大， 火焰越长。 ④ 燃气流量一定时，火焰长度与气流 速度无关，仅与气体的扩散系数成反比。 扩散系数越大，火焰越短。(扩散系数即
chapte火焰传播理论
• 钝体稳焰的第二个原理：钝体后方，燃料与空气混合物射流 的主流区域中，存在从高速到负流速的分布区域，很容易形 成 w uce 的条件
39
三、其它稳焰方法
在流速较高的预混可燃主气流附 近放置一个流速较低的稳定的小 型点火焰（值班火焰）
第三章 火焰传播理论
3.1 火焰传播
•
在可燃混合物中借助于外加能源使其局部 着火，而后着火部分向未着火部分输送热 量及活性粒子，使之相继着火燃烧，此即 火焰传播问题。
火焰传播原理：火焰前锋内剧烈的燃烧化学反应使其在 边界上产生了很大的温度和浓度梯度，从而导致了强烈 的热质交换。热质交换又引起了邻近的混合气的化学反 应，由此形成了化学反应区在空间的移动，故火焰传播 是一个复杂的物理化学过程。
1
1
O
O
O
火焰稳定
脱火：各处均为 w ＞u
ce
回火：w很小， uce＞w，火 焰逆流传播，而成回火 25
1k 的大小对于火焰稳定与否有很 大影响
uce 在
略小于1时最大，但α≈1时火焰稳定区不
宽，尤其当α>1时更窄。
26
w
黄 色 火 焰 区
脱火区 稳定区
当 1K=0 ，纯扩散火焰，不 可能回火，因为管道中没有 氧气，火焰传播速度为0。 也不易脱火，因为，随着燃 料在环境中的扩散，与氧气 混合，火焰传播速度上升， 而流速却在扩散过程中不断 下降，很容易出现火焰稳定 点。 火焰极为稳定，但化学不完 全燃烧损失大。
21
脱火、回火的本质在于火焰传播速度 与气流速度之间平衡的问题。
uce＞w
Wn为
回火
uce＜w
w wm
脱火
w在法向分量：
uce＞wn uce＜wn
燃烧学期末复习资料
燃烧学期末复习资料1．阿仑尼乌斯定律：在化学反应的反应物浓度相等的条件下，化学反应速率常数随时间变化的关系。
2．质量作⽤定律：在⼀定温度下，基元反应在任何瞬间的反应速率与该瞬间参与反应的反应物浓度幂的乘积成正⽐。
3．盖斯定律：在条件不变的情况下，化学反应的热效应只与起始和终了状态有关，⽽与变化途径⽆关。
4．着⽕延迟期；在混合⽓体已达到着⽕条件下，由初始状态到温度聚升的瞬间所需的时间。
5．层流⽕焰传播速度：在层流预混可燃⽓体的燃烧过程中焰⾯沿其法线⽅向移动的速度称为层流⽕焰传播速度（⽕焰⾯移动速度：指当预混可燃⽓体在管中燃烧，产⽣的⽕焰不稳定时⽕焰⾯沿管轴线移动的速度。
⽕焰⾯移动速度反映了⽕焰不稳定时⽕焰⾯移动的快慢）6．折算薄膜：把边界层的传热传质近似看作通过球对称的边界层薄膜传热传质阻⼒。
7．淬熄距离：刚刚能够维持⽕焰传播的最⼩管道尺⼨。
8．绝热⽕焰温度：燃料和空⽓的初始状态⼀定，绝热过程燃烧产物能达到的温度。
9．雾化⾓：喷嘴出⼝到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹⾓，也称为喷雾锥⾓。
10．斯蒂芬流：在燃烧问题中，在相分界⾯处存在着法向的流动，多组分流体在⼀定的条件下在表⾯处将形成⼀定的浓度梯度，因⽽可能形成各组分法向的扩散物质流。
如果相分界⾯上有物理或化学过程存在，那么这种物理或化学过程也会产⽣或消耗⼀定的质量流。
于是，在物理或化学过程作⽤下，表⾯处⼜会产⽣⼀个与扩散物质流有关的法向总物质流，称为斯蒂芬流。
11．预混⽕焰和扩散⽕焰：预混⽕焰是燃料和氧化剂充分混合后的燃烧⽕焰。
⽕焰温度很⾼，没有⿊烟，⽕焰短⽽强。
扩散⽕焰是燃料燃烧所需的空⽓全部由外界提供，靠可燃⽓体与空⽓中的氧相互扩散来完成燃烧过程的⽕焰。
燃烧过程较长，⽕焰温度低，燃料不易燃尽，⼀般有碳烟，⽕焰很长。
12．盖斯定律：化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，⽽与反应的途径⽆关13．缓燃与爆燃：缓燃（正常传播）：⽕焰锋⾯以导热和对流的⽅式下传热给可燃混合物引起的⽕焰传播，也可能有辐射（如煤粉燃烧时的⽕焰传播可能以辐射为主，也有可能为对流和辐射并重）。
第三节 扩散火焰与预混火焰
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
估算火焰升起高度的射 流熄火流量经验关联式 :
e S LLeabharlann max h e50S
ve
L ,max
e
1.5
式中 : h为火焰升起高度 , S L,max 为最大层流火焰传播速 度,
e为动力粘性系数
ve S L,max
e
1.5
0.017 Re H (1 3.5 10 6
Re H )
(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
扩散火焰
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
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
(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
大三下燃烧复习纲要i
一、层流预混火焰 概念1、火焰：火焰是一个以亚音速传播的、自维持的、局部的燃烧区域2、层流预混火焰：将燃料与氧化物充分混和后进行燃烧产生的火焰3、扩散火焰：燃料与氧化剂边混和边燃烧产生的火焰4、本生灯：一个层流预混火焰的例子。
试管底部的燃料射流使得空气也从大小可以调节的开口流入试管，而且当流过试管的时候，二者充分混合5、湍流火焰：雷诺数超过一定范围的燃烧火焰6、火焰速度：随火焰移动的观察者以一定的速度经过未燃的混合物，这个速度就是火焰速度7、火焰厚度：在距离δ上，温度从u T 变化到b T ，满足简单的线性变化，δ定义为火焰厚度8、火焰形状：燃烧时火焰的样子，取决于火焰的传播速度与在试管壁的热量损失 9、吹熄：当气流速度大于火焰速度的时候10、回火：火焰进入燃烧器管、口时，能传播出去而不熄灭的现象就是回火（简单化：当气流速度小于火焰速度的时候发生回火）11、可燃极限：可燃上限（允许火焰传播的燃料含量最高的混和气体1Φ>）可燃下限（允许火焰传播的燃料含量最低的混和气体1Φ<） 13、爆燃：以音速传播的不连续的燃烧波 14、爆炸：以超音速传播的燃烧波15、预热区：燃料与氧化剂混和的区域，在该区中几乎没有热量释放出来 16、反应区：燃料与氧化剂混合后发生反应的区域，有大量的化学能释放17、单位体积热量释放率： c F h m Q∆'''-=''' 18、Le 数：表示热扩散系数和质量扩散系数的比值，p DDkLe c αρ≡=19、熄火距离：火焰进入圆形管熄灭而不是传播过去的临界直径20、最小点燃能量：在电火花点火过程中，使临界体积内混合物温度升高至燃烧后温度所需的能量。
即电极之间距离为临界半径时点燃混合物所需的能量21、准则1：仅当足够多的能量加入到一个和稳态传播的层流火焰一样厚的板状区域内，使其中气体的温度升高到绝热火焰温度，才能点燃22、准则2：板形区域内化学反应的放热速率必需近似平衡于由于热传导从这个区域散热的速率23、抬升火焰：火焰和燃烧器管口并不接触，而是稳定在离管口一定距离的位置，这种现象则称之为火焰抬升24、Yellow Tip Zone ：燃烧过程中缺氧，产生烟灰，导致黑体的连续辐射，人眼的感光性使得我们看到的是亮黄色到暗桔色的发射光25、临界半径：对电火花点火来说，考虑一球形空间内的燃气，它能被点燃要求的最小半径为临界半径。
燃烧学讲义-第5章
化学反应放热
x
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
21
强燃的临界条件应为： T
dx
Tw=Tqr
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应）
n
=0
Tqr
化学反应放热
此时的壁面温度称为 强燃温度
T0
x
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
22
平壁强燃温度的求解：设一表面温度为Tqr的炽 平壁强燃温度的求解： 设一表面温度为 热平板置于静止或低速的可燃混合气中， 热平板置于静止或低速的可燃混合气中 ， 如下 图所示， 分析边界层内一微元体Sdx的能量守 图所示 ， 分析边界层内一微元体 的能量守 恒：
T dx Tq
r
RTqr2/E
T0
x
23
T Tq
r
dx RTqr2/ E
dT ⋅S 导入热量 q = −λ 1 dx
dq1 dT d 2T dx = −λ( + 2 dx ⋅ S ） 导出热量 q2 = q + 1 dx dx dx
反应产热
T0 x
E q3 = k0 exp(− ) ⋅ Cn ⋅ Q⋅ S ⋅ dx = WQ⋅ S ⋅ dx c RT
T
可燃混合物实际的温 度分布（含化学反应） 化学反应放热
T0
可燃混合物的温度分 布（不含化学反应）
x
19
2. 如 Tw 升高 ， 则上图中实 T 升高， 线虚线均上升， 线虚线均上升，边界层的温 度分布达到下图所示： 度分布达到下图所示：此时 Tqr 边界层内， 边界层内，边界层内气体与 固壁间已无热交换， 固壁间已无热交换，可以想 象此时气体边界层会一点点 向混合气推进， 使混合气T 向混合气推进 ， 使混合气 T0 升高。 升高。这是主流着火的临界 条件。 条件。
燃气热水器大气式燃烧原理
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二、燃气的成分及性质
天然气成分
CH4
燃气容积成分（％）
98
C3H8 0.3
C4H10
C5H12
N2
0.3
0.4
1
分子量M 密度ρ（kg/m3）
16
44
58
72
28
0.7174 2.0102 2.7030 3.4537 1.2504
定压比热Cg （KJ/NM3·K）
条形火孔燃烧器图例
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（4）带稳焰孔的火孔。下图为带有稳焰孔的火孔，它由主火 孔1及辅助火孔2组成。辅助火孔起稳焰作用，又称稳焰孔。 当燃烧火焰传播速度快的燃气时，主火孔应不回火。辅助火 孔的阻力比主火孔大，当燃烧火焰传播速度小慢的燃气时， 辅助火孔不会脱火，同时所形成的辅助火焰加热了主火焰的 根部，提高了主火焰防止脱火的能力。
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以内变化时，μ值变化并不显著。为了便于加工，通常取 β=60°。 μ值随喷嘴直径的增加而增大，此外， μ值还和 喷嘴加工精度及喷嘴前是否有阀门等因素有关。一般 d=1~2.5mm时，这种喷嘴的μ=0.7~0.78；当d＞ 2.5mm时，μ=0.78~0.80。
固定喷嘴结构简单、阻力小，引射空气性能较好，但出口截 面积不能调节，因此，只能适应一种燃气。如果燃气性质改 变，就需要更换喷嘴。
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பைடு நூலகம் 扩散火焰与预混火焰
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第二节 大气式燃烧器的构造及工作原理
部分预混燃烧方法设计的燃烧器称为大气式燃烧器，其一次空 气系数0＜α1＜1.大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成， 如图所示。大气式燃烧器的工作原理是：燃气在一定压力下， 以一定流速从喷嘴喷出，进入吸气收缩段，燃气靠本身的能量 吸入一次空气，在引射器内进行混合，经头部流出，进行燃烧， 形成本生火焰。
《燃烧学》课程笔记
《燃烧学》课程笔记第一章燃料与燃烧概述一、燃烧学发展简史1. 古代时期- 早期人类通过摩擦、打击等方法产生火，火的使用标志着人类文明的开始。
- 古埃及、古希腊和古罗马时期，人们开始使用火进行冶炼、烹饪和取暖。
2. 中世纪时期- 炼金术的兴起，炼金术士们试图通过燃烧和其他化学反应来转化金属。
- 罗杰·培根（Roger Bacon）在13世纪对火进行了研究，提出了火的三要素理论：燃料、空气和热。
3. 17世纪- 法国化学家安托万·洛朗·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）通过实验证明了燃烧是物质与氧气的化学反应，推翻了燃素说。
- 拉瓦锡的氧化学说为现代燃烧理论奠定了基础。
4. 18世纪- 约瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）和卡尔·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）分别独立发现了氧气。
- 拉瓦锡和普利斯特里的实验揭示了氧气在燃烧过程中的作用。
5. 19世纪- 热力学第一定律和第二定律的发展，为理解燃烧过程中的能量转换提供了理论基础。
- 化学反应动力学的发展，科学家们开始研究燃烧反应的速率和机理。
6. 20世纪- 燃烧学作为一门独立学科得到发展，研究内容包括火焰结构、燃烧污染物生成与控制等。
- 计算流体力学（CFD）的应用，使得燃烧过程的模拟和优化成为可能。
- 环保意识的提高，促进了清洁燃烧技术和低污染燃烧技术的发展。
二、常见的燃烧设备1. 炉子- 锅炉：用于发电和工业生产中的蒸汽供应。
- 炉灶：家用烹饪设备，使用天然气、液化石油气等作为燃料。
- 热水器：利用燃料燃烧产生的热量加热水。
2. 发动机- 内燃机：汽车、摩托车等交通工具的动力来源。
- 燃气轮机：用于飞机、发电厂等，具有较高的热效率。
3. 焚烧炉- 医疗废物焚烧炉：用于医院废物的无害化处理。
- 城市生活垃圾焚烧炉：用于垃圾减量和资源回收。
第05章 燃气燃烧方法
第二节 部分预混式燃烧
三、部分预混紊流火焰
• 紊流火焰的特点：火焰长度短，顶部圆，焰 面皱曲，火焰厚度增加，表面积增加。 • 紊流火焰结构： ¾ 焰核：燃气空气混合物尚未点着的冷区 ¾ 焰面：着火与燃烧区 ¾ 燃尽区：此区边界看不见，通过气体分析确 定。
25
第二节 部分预混式燃烧
四、紊流预混火焰的稳定 • 紊流火焰工作的稳定区变得很窄，常常全 部消失，只有人工办法稳焰。 • 要想稳焰，就要想办法在局部地区保持气 流速度和火焰传播速度之间的平衡。 ¾ 从气流速度着手→流体动力学方法 ¾ 从改变火焰传播速度着手→热力学和化学 方法
二、部分预混层流火焰的确定
• 离焰：当燃烧强度不断加大，气流速度v↑， 使得v=S的点更加靠近管口，点火环变窄，最 后使之消失，火焰脱离燃烧器出口，在一定 距离以外燃烧。 • 脱火：若气流速度再增大，火焰被吹熄。 • 回火：若进入燃烧器的燃气流量不断减小， 即气流速度v↓，兰色锥体高度↓，最后由于 气流v小于Sn，火焰缩进燃烧口，熄灭。
16
第二节 部分预混式燃烧
• 分析根部：在火焰根部气速度降为0，但 火焰不会传到燃烧器里去。 •在1-1环上，S<v→推离 •在2-2环上，S>v→回燃 •必存在3-3环，该环上 S=v，该环没有切向分 速，φ=0→水平焰面→点 火源→又称点火环，使层 流火焰根部得到稳定。
17
第二节 部分预混式燃烧
28
第三节 完全预混式燃烧
• 在部分预混式燃烧的基础上发展起来的， 技术合理。广泛应用。 • 在下列条件下进行的燃烧，称为完全预混 式燃烧，又称无焰燃烧 • 进行完全预混的条件： ¾ 燃气和空气在着火前预先按大于等于化学 计量比混合均匀（即α’≥1）； ¾ 设置专门的火道，使燃烧区保持稳定的高 温。
燃烧理论基础-层流预混火焰
7.10
对稳定流动 mi mi i=1,2,......,N
1 d
r2 dr
r2mi mi
i 1, 2,......, N
球坐标
二维轴对称坐标
1 r
r
r
vrYA
1 r
x
r
vxYA
1 r
r
r
AB
YA r
mA
(3) 多组分扩散（不讲）
在对燃烧系统的建模和学习理解中，尤其是对层 流预混和非预混火焰结构的研究中，不能用二元混 合物来做简化。在这种情况下，组分的输运公式必 须同时考虑众多且性质差别很大的组分。例如，我 们可以推断，大燃料分子的扩散速度要小于氢原子 的扩散速度。
另外，火焰中典型的大温度梯度，形成了浓度梯 度之外另一个推动传质过程的作用力。这种作用 被称为热扩散或者Soret效应，它使得较轻的分子 从低温处扩散到高温处，相对的，令较重的分子 从高温处扩散到低温处。
多组分扩散的通用性方程
mi,diff mi,diff , mi,diff ,T mi,diff ,P mi,diff , f
2021/4/25
43
能量守恒
Shvab-Zeldovich能量方程
7.63
mc p
dT dx
d dx
( Dcp )
dT dx
h0f ,imi
单位体积内对 流（平流）引 起的显焓变化 速率
单位体积内扩 散引起的显焓 变化速率
单位体积内化 学反应引起的 显焓变化速率
比较
组分A质量守恒
m A
d dx
混合气轴向速度与水平坐标的关系
2021/4/25
14
求解 SL vu sin 8.2
lecture8射流扩散火焰
2015.06.18
1
预混与扩散火焰比较 (premixed flame v.s. diffusion flame)
预混火焰
未完全燃烧 的CO, H2与 外界O2反应 形成焰后氧 化区
稳定预混火焰锥
扩散火焰
• 空气通过对流和扩散进入火焰面，燃 料和空气边燃烧边混合。燃烧远比扩
柴油发动机(非预混)
• Large combustion devices such as
furnace, operate under non-premixed
conditions.
汽油发动机 (预混)
柴油发动机将燃油液滴喷射入高温压缩气室中。液 滴迅速挥发与空气混合，在局部预混的条件下发生 自点火。然后在大部非预混的条件下完成燃烧； Diesel engines inject the fuel spray into the compressed hot air chamber. It rapidly evaporates and mixes with air and then auto-ignition occurs under partly premixed conditions. The final stage of combustion occurs at non-premixed condition.
散混合快得多，因此扩散是制约扩散 火焰燃烧速度的关键步！
• Fuel is mixed with the surrounding air
by convection and diffusion during
combustion. Since combustion is much
7-扩散火焰解析
第二节 扩散火焰特点
扩散火焰温度低 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（推举和吹熄）
推举：气流速度足够大时，射流火焰会被从管 口推举起来，火焰根部与管口距离为推举高度，增 大流速，推举高度增加，直至吹熄
(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 (c)α1 <1，富油燃烧， 学恰当比下 此时混气燃料多而 的动力火焰。 氧气少，故有剩余 此时温度高， 燃料。此时出现两 火焰传播速 个火焰锋面，内焰 度快，故火 大致相当于α1 =1的 焰高度最短 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
18
层流非预混火焰(特征四)：碳烟Soot的产生
在碳氢化合物的燃烧火焰中，由于经常会有碳黑存 在，火焰就可能呈现为橙色或黄色。
2018/10/14
19
2018/10/14
20
如果有充分的时间
碳烟就会在反应区的燃料侧生成
并在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗 由于燃料和火焰停留时间的不同，在燃料侧形成 的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被 完全氧化 在这种情况下，soot就会冲出火焰而形成碳黑的 “翼”，这部分从火焰中出来的碳黑就是我们通 常说的说的烟。
燃料一边沿着轴向流 动一边快速向外扩散， 同时氧化剂（如空气） 迅速向内扩散。在流 场中，燃料和氧化剂 之比为化学当量比的 点就构成了火焰表面。
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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）
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。
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
ve 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 :
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。
(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
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。
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
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*
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
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。
（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）
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；
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。
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
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
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
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
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。
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
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