第八章 扩散燃烧
扩散火焰与预混火焰
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。
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。
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
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
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
火炮弹道学(第2版)第8章
８.１ 密闭爆发器及火药在密闭爆发器 内燃烧的气体状态方程
• ８.１.２ 火药气体的状态方程
• 气体状态方程是如下函数关系 • Ｆ＝Ｆ（ｐ，ρ，Ｔ）（８－３） • 它把状态参数彼此联系在一起。状态方程中一个参数的变化会导致其
他参数的变化，根据这一特性，方程（８－３）也可以写为下面的形 式 • ｐ＝Ｆ（ρ，Ｔ）（８－４） • 这些方程的具体数学表达式可能有不同的形式，这取决于是理想气体 还是非理想气体。所谓理想气体，指的是气体分子没有体积而且气体 分子间不存在相互作用力的一类气体。
• 热静力学环境产生于密闭爆发器中，也可以产生于弹丸开始运动前的 火炮药室中。密闭爆发器用于研究火药在定容情况下的燃烧过程以及 相应的火药燃烧规律。
• 在内弹道试验中使用的定容密闭容器称为密闭爆发器（图８－１）。
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８.１ 密闭爆发器及火药在密闭爆发器 内燃烧的气体状态方程
• 密闭爆发器的本体是用炮钢制成的圆筒１，在其两端开口的内表面上 制有螺纹。圆筒的一端旋入点火塞２，它依靠电流点燃火药３，从而 使火药４着火燃烧。火药燃烧产生的压力及其随时间变化的规律，则 由另一端旋入的测压传感器５及各种记录仪器记录。目前常用的是５ ０ｍＬ（内径２８ｍｍ）、１００ｍＬ（内径３６ｍｍ）和２００ｍ Ｌ（内径为４４ｍｍ）三种容积的密闭爆发器。
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８.２ 火药燃烧的物理化学过程与火药 的燃烧速度定律
• 因此，迄今为止所建立的各种燃烧模型都是在一定的试验观察基础上 提出一系列假设经简化得到的，仍属于半经验性质。
• 对均质（单基、双基）火药燃烧过程的研究证明，火药燃烧的最终产 物不是在瞬间一步生成的，而是从凝聚相到气相经过一系列中间化学 变化才生成的。现代理论认为，均质火药的燃烧过程是多阶段的，可 分为四个区域，如图８－３所示，分别是亚表面及表面反应区、嘶嘶 区、暗区和火焰区。在这四个区中，火药进行一系列连续的物理化学 变化，并且彼此相互影响，不能完全分开。
扩散燃烧的例子
扩散燃烧的例子
1. 火灾：当可燃物被点燃并形成火焰时，火焰会快速扩散燃烧并蔓延到其他可燃物上。
2. 野火：在干燥的天气条件下，野火可以通过火种或自然因素（如雷击）点燃植被，然后快速扩散燃烧，甚至可以蔓延到林地、森林或城市。
3. 爆炸：许多爆炸性物质，如炸药、天然气或汽油，一旦被引爆，就会以极高速度迅速扩散燃烧，并释放出大量的能量和火焰。
4. 燃烧的化学反应：一些化学反应在进行过程中会放出大量热量和火焰。
例如，一旦氢气与氧气发生反应，就会形成水并释放出大量的能量和火焰。
5. 发动机燃烧：汽车、飞机或火箭的发动机内燃烧反应会产生大量的热量和火焰，将燃料转化为动力以推动车辆或飞行器。
这些都是扩散燃烧的例子，它们表明了燃烧过程中热量和火焰快速蔓延的特点。
燃烧学8-第八章 燃烧科学技术发展中的几个科学问题
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2、燃料型NOx
燃烧型NOx是燃料中含有的氮化物在燃烧过程中氧化而生 成的，主要是在燃料燃烧的初始阶段生成。
煤中氮有机化合物的C－N结合键能比空气中氮分子N≡N 链能小很多，氧容易首先破坏C－N链并与其中的氮原子 生成NO，这种从燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应 而生成的NOx，称为燃料型NOx。
d[NO] dt 2K1[N2 ][O]
∴
d[NO] dt
2K
0
K1[N
2
][O2
]
1 2
如果认为O2的离解 反应处于平衡状态
1
[O] K0[O2 ]2
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9
按捷里多维奇的试验结果
K 2K0 K1 31014e54200/ RT
d[NO] dt
3
1014[N2
][O2
扩散燃烧时热力型NOx与的关系
推迟混合(即混合变差)，火焰温度水平下降，最高温度移向较大
的方向。因此，NOx生成量随之降低，最大浓度也移向大的方向。
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控制热力型NOx生成量的方法:
降低燃烧温度水平，并防止产生局部高温区。 降低氧浓度，在低过量空气条件下燃烧。 使燃烧在远离α =1的条件下进行。 缩短烟气在高温区的停留时间。 降低氮浓度。
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2、炉温对NOx生成的影响
以燃料型NOx为主
燃料型NOx的比例减小
当Tmax＞（2200～2300）K 时，燃料N对NOx已无影响。
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3、煤的性质对NOx生成的影响
扩散燃烧与全预混燃烧.
低NOX燃烧器
（3）烟气再循环
部分烟气循环与新鲜燃气混合，降低燃烧温 度，因而降低NO；同时利于着火。
全预混式燃烧
一、特点 1. 燃烧速度快，火焰很短甚至看不出 2. 容积热强度高 100-200×106kJ/m3· h （3-6×104kW/m3） 3. 空气过剩系数小（α=1.05-1.10）， 燃烧温度高 4. 燃气与空气全预混，火焰传播能力强， 但由于温度高，容易回火 5. 热效率高， 40%的燃烧热以辐射传热 二、燃烧器形式 陶瓷板红外线燃烧器 金属纤维全预混燃烧器 金属板式全预混燃烧器
低NOX燃烧器
三、控制温度型NO生成的方法
1. 降低燃烧温度水平； 2. 降低氧气浓度，在浓燃料下燃烧； 3. 缩短烟气在高温区内停留时间； 4. 使燃烧在远离 α=1的条件下进行。
低NOX燃烧器
（一）分段燃烧法
空气分段或燃料分段。降低火焰平均温度和峰值温度，降低NO。
空气分段燃烧器
（二）浓淡燃烧法
淡火焰为全预混，火焰较短；浓火焰空 气不足，火焰拉长；减缓发热速率，使总 的火焰温度下降。由于两侧空气的挤压作 用，使火焰向内侧倾斜，浓火焰会加热淡 火焰的烟气，使燃烧温度降低。
低NOX燃烧器
低NOX燃烧器
浓淡燃烧法热水器，常有2种方式，通过改变引射器 和火排形式来实现。
1. 第一种方式：浓淡火排交叉，奇数火排上进行浓燃烧， 偶数火排上进行淡燃烧，两者平行交替。称为浓淡火排。 2. 第二种方式集浓淡燃烧于单独一个火排上，即在一个火 排的某些火孔上进行浓燃烧，而另外一些火孔上进行淡 燃烧，浓、淡火孔交替分布。第二种技术比较复杂，第 二种方式为浓淡火孔。
低NOX燃烧与全预混燃烧
低NOX燃烧器
扩散燃烧
估计火焰面落在此
如CO在空气中燃烧，YOX , 0.232， BFO , f BFO ,0 Y OX , YOX , 0.289， BFO , f BFO ,0 0.289等值线上。
，
碳烟的形成和分解
，
扩散火焰的物理相似
利用相似理论可以得到描述浮力流动的重要无量纲准数 弗洛德数是描述惯性力和浮力之间相互关系的无量纲数
u2 Fr gl
Fr=1表示惯性力与浮力相平衡；较大的弗洛德数表明由燃烧器喷射的 可燃气具有较高的初始动量，即可燃气具有较大的射流速度，产生湍流 射流火焰；而较小的Fr表明由燃烧器喷射的可燃气具有较小的初始动量， 火焰上升的动力主要是通过燃烧产生的浮力，属于层流射流火焰或自然 扩散火焰。 Zukoski定义了一个描述浮力流动的无量纲热释放速率
扩散火焰的物理相似
zf
Heskestad等人
D 1.02 3.7Q*2/ 5
但是，Q*的值最早由Zukoski通过层 流扩散火焰羽流分析得到，后来 Heskestad给出了在较大范围内改变 环境温度条件下火焰高度的测量结 果。无量纲热释放速率Q*不能正确 解释所观察到的火焰高度变化（随 环境温度升高，火焰高度也相应升 高），而参数N则可以解释上述现象
无量纲火焰高度
c pT Q2 N 2 3 5 g ( H / r ) D c
c pT *2 N Q Hc / r
3
惯性力《浮力 惯性力<浮力(过度状态) 惯性力>浮力
扩散燃烧名词解释
扩散燃烧名词解释一一、扩散燃烧的定义扩散燃烧是指可燃气体与空气（或氧气）在扩散过程中进行混合并燃烧的过程。
在这个过程中，可燃气体与空气（或氧气）的混合是扩散过程，而燃烧则是化学反应过程。
扩散燃烧的速率通常较慢，但具有较高的燃烧稳定性。
二、扩散燃烧的原理扩散燃烧的原理主要包括两个方面：一是扩散混合，二是化学反应。
在扩散燃烧过程中，可燃气体与空气（或氧气）通过分子间的扩散作用进行混合，混合后的气体在达到一定温度和浓度时发生化学反应，产生火焰。
扩散混合主要取决于气体分子的热运动和浓度差。
当可燃气体与空气（或氧气）的浓度存在差异时，高浓度气体分子会向低浓度区域扩散，使得两种气体分子逐渐混合均匀。
化学反应则是扩散燃烧过程中的核心环节。
在达到燃烧条件时，可燃气体与空气（或氧气）发生化学反应，产生大量的热和自由基。
这些自由基又会引发更多的化学反应，形成链式反应，最终导致火焰的形成。
三、扩散燃烧的影响因素扩散燃烧的影响因素主要包括以下几点：1.气流速度：气流速度越快，扩散燃烧的速率越快。
2.气体浓度：可燃气体与空气（或氧气）的浓度配比对扩散燃烧的速率和稳定性有很大影响。
3.温度：温度越高，分子热运动越剧烈，扩散混合和化学反应的速率越快。
4.压力：压力对扩散燃烧的影响较为复杂，有时会促进扩散混合和化学反应的速率，有时则会抑制。
5.燃料特性：不同燃料的物理化学性质对其扩散燃烧的特性有很大影响。
四、扩散燃烧的应用扩散燃烧被广泛应用于各种工业和民用领域。
例如，燃气轮机、内燃机等设备的运行过程中涉及到燃气与空气的扩散燃烧。
在工业加热领域，许多工业炉窑采用燃气作为燃料，利用扩散燃烧进行加热。
在家用燃气具中，扩散燃烧也被用于实现燃气的燃烧加热。
五、扩散燃烧与爆炸的关系扩散燃烧和爆炸之间存在密切的联系。
当可燃气体与空气（或氧气）混合后遇到火源时，会引发火焰并迅速传播，产生爆炸。
虽然扩散燃烧通常较为稳定，但如果条件不当或受到外界干扰时，可能会引发爆炸。
(完整)燃烧学总复习 题
燃烧1、着火是指：燃料和氧化剂混合后，由无化学反应、缓慢的化学反应向稳定的强烈放热状态的过渡过程，最终在某个瞬间、空间中某个部分出现火焰的现象。
2、热自燃孕育期即为着火延迟期:它的直观意义是指可燃物质由可以反应到燃烧出现的一段时间，更确切的是在可燃物质已达到着火条件下，由初始状态到温度骤升的瞬间所需时间。
3、火焰传播是指：当混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量将加热临近层的可燃混合气，使其温度升高至着火燃烧，这样一层一层的着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个可燃混合气的现象。
4、燃烧温度:燃料在炉内实际燃烧后烟气所达到的温度(有散热），它是在边燃烧边传热的情况下烟气达到的温度，在高度方向和炉膛截面的不同处，其燃烧温度是不相同的；此外还与燃烧完全程度及燃料是否热解有关。
5、理论燃烧温度(绝热燃烧温度):假定炉膛边界不传热（绝热系统)时，燃料完全燃烧(不完全燃烧热损失为零）时炉内烟气所能达到的最高温度(不等于1,燃料和空气均可预热）。
理论燃烧温度是燃料燃烧的一个重要指标,为某种燃料在某一燃烧条件下所能达到的最高温度，其对于炉内过程分析和热工计算都是一个极其重要的依据，对于燃料与燃烧条件的选择，温度水平的估计和炉内换热计算,都有实际意义。
6、理论发热温度:假定炉膛边界不传热(绝热系统）时，燃料完全燃烧（不完全燃烧热损失为零），燃料和空气均不预热时,空气消耗系数为1时，炉内烟气能达到的温度称为理论发热温度。
理论发热温度只和燃料性质有关，是从燃烧温度的角度评价燃料性质的一个指标。
7、均相燃烧：燃料和氧化剂的物态相同，如气体燃料在空气中的燃烧,燃料和氧化剂都是气体，属于同相燃烧。
8、异相燃烧:燃料和氧化的物态不同，如固体燃料在空气中的燃烧属于异相燃烧.9、动力燃烧：燃料与氧化剂混合时间远小于燃料与氧化剂的混合物为达到开始燃烧反应的温度时所需的加热时间和完成化学反应所需时间之和，扩散性能远远超过化学反应性能，燃烧速度取决于化学反应性能,而与扩散性能无关.此时，扩散性能很强，燃料表面有足够的氧气，阻碍燃烧的是不能迅速进行化学反应。
燃烧学整理内容
第二章燃料的燃烧计算完全燃烧与不完全燃烧燃料燃烧时所需空气量及烟气生成量烟气分析燃烧设备的热平衡计算中的简化微量的稀有气体所有气体都作为理想气体不考虑烟气的热分解和灰质的热分解产物略去空气中和CO2第一节燃料燃烧所需空气量计算一、燃料燃烧所需理论空气量理论空气量即根据化学反应式计算出来的燃料完全燃烧时所需空气量。
Nm3干空气/kg燃料，Nm3干空气/Nm3燃料，V0液体燃料与固体燃料燃烧所需理论空气量气体燃料燃烧所需理论空气量二、燃料燃烧时实际空气需要量空气系数实际空气需要量第二节完全燃烧时烟气的计算一、液体燃料与固体燃料烟气的计算理论烟气量的计算实际烟气量的计算烟气焓的计算燃料理论燃烧温度二、气体燃料烟气的计算理论烟气量的计算实际烟气量的计算第三节不完全燃烧时烟气量的计算一、液体燃料与固体燃料二、气体燃料三、燃料不完全燃烧烟气量与完全燃烧烟气量的关系第四节烟气分析计算一、成分的检验方法二、空气系数的检测计算三、燃料不完全燃烧损失计算四、奥氏烟气分析器第五节燃烧设备的热平衡第三章燃烧化学反应动力学基础化学反应动力学是研究化学反应机理和化学反应速度及其影响因素的一门学科一·基本概念单相系统与单相反应：在一个系统内各个组成都是同一物态，则称此系统为单相系统。
在此系统内进行的化学反应，则称单相反应。
多相系统与多相反应：在一个系统内各个组成不属同一物态，则称此系统为多相系统。
在多相系统内进行的化学反应，则称多相反应。
分子反应：单分子反应------化学反应时只有一个分子参与反应，I2=2I双分子反应------反应时有两个不同种类或相同种类的分子同时碰撞而发生的反应，CO2+H2 CO+H2O三分子反应------反应时有三个不同种类或相同种类的分子同时碰撞而发生的反应，2CO+O2=CO2简单反应与复杂反应：一个反应是由若干个单分子或双分子间或三分子反应相继实现，成为复杂反应；而组成复杂反应的各基本反应则称之为简单反应或基元反映级反应：一级反应、二级反应、三级反应，反应速度与反应物浓度的几次方成比例就是几级反应，或反应级数是几就是几级反应浓度：摩尔浓度、千克浓度、分子浓度、相对浓度等。
什么是扩散燃烧、预混燃烧、蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧？
⑴扩散燃烧是指可燃气体喷口（管口或容器泄露口）喷出，在喷口处与空气中的氧边扩散混合，边燃烧
的现象。
如天然气井口发生的井喷燃烧。
⑵预混燃烧是指可燃气体与氧在燃烧前混合，并形成一定浓度的可燃混合气体，被火源点燃所引起的
燃烧，也叫动力燃烧。
如气体爆炸。
⑶蒸发燃烧是指熔点较底的可燃固体，受热后熔融，然后像可燃液体一样蒸发成蒸气而燃烧。
如硫、
沥青、石蜡、高分子材料、萘和樟脑等。
⑷分解燃烧是指分子结构复杂的固体可燃物，在受热分解出其组成成分及加热温度相应的热分解产物，
在氧化燃烧。
如天然高分子材料中的木材、纸张、棉、麻、毛以及合成高分子纤维等。
⑸表面燃烧是指有些固体可燃物的蒸气压非常小或难于发生热分解，不能发生蒸发燃烧或分解燃烧，
当氧气包围物质的表层时，呈炽热状态发生无火焰燃烧，它属于非均相燃烧。
如木炭、焦碳、铁、钨等。
⑹阴燃是指某些固体可燃物在空气不流通，加热温度较低或可燃物含水份较多等条件下发生的只冒烟、
无火焰的燃烧现象。
有焰燃烧和阴燃要一定的条件下可以相互转化。
如成捆堆放的棉、麻、纸张及大量的堆放的煤、杂草、湿木材等。
扩散燃烧火焰的类型
扩散燃烧火焰的类型咱今儿个就来唠唠扩散燃烧火焰的类型，这事儿说起来可有意思了。
想当年，我家老头子是个老烟民，喜欢抽烟斗，烟雾缭绕的，家里像是开了个小型的烟雾工厂。
你说这烟雾，咋就冒得那么有规律呢？这不就是扩散燃烧的活生生例子吗？扩散燃烧火焰，顾名思义，就是燃料和空气混合后，通过扩散作用进行燃烧的火焰。
就像你把一根蜡烛点着了，蜡油慢慢地流下来，火焰就跟着扩散开来，热乎乎的，暖洋洋的。
这火焰就像个小精灵，跳来跳去，舞姿摇曳。
这扩散燃烧火焰又分好几种类型，头一个就是“预混合火焰”。
你还记得小时候过年放鞭炮吗？那鞭炮里面的火药和空气混合得恰到好处，一点就着，砰的一声，吓得你个小朋友哇哇叫。
这就是预混合火焰，燃料和空气在点火前已经混合好了，燃烧起来快得像火箭。
“扩散火焰”又是个啥玩意儿呢？就像我家那老头子抽烟斗，烟草在烟斗里慢慢燃烧，烟雾慢慢扩散开来，悠悠然地飘散在空气中。
这时候，燃料和空气是在燃烧过程中才混合的，火苗悠闲自在，像个老头子在打太极拳。
这还不算完，还有个“层流扩散火焰”，你可以想象成一根细细的蜡烛。
蜡油慢慢流下来，火焰就像个小小的瀑布，平稳地流淌着，层层叠叠，美得像一幅水墨画。
这火焰烧得那么有条理，简直就是个小艺术家。
再来说说“湍流扩散火焰”，这玩意儿就有点像厨房里做菜的火候了。
你看大厨炒菜，那火苗跳得比兔子还快，忽高忽低，火星四溅。
这时候，燃料和空气的混合是紊乱的，火焰就像个调皮的孩子，左蹦右跳，热闹非凡。
你要问我这些火焰有啥区别？我给你打个比方吧。
预混合火焰就像个快递小哥，送货送得又快又准；扩散火焰则像个老邮递员，慢悠悠地送信；层流扩散火焰像个书法家，写字写得一丝不苟；而湍流扩散火焰则像个街头艺人，表演得让人眼花缭乱。
这扩散燃烧火焰的类型，不光是看着好玩，它们在现实生活中可是大有用处。
你看，汽车发动机的燃烧室里，燃料和空气的混合就是扩散燃烧的过程。
汽车跑得快不快，就看这扩散燃烧火焰的本事了。
7-扩散火焰
(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
燃烧学
7-扩散火焰
火焰分类 扩散火焰特点 层流扩散火焰 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
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层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响
在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考 虑了。浮力的存在在加快气体流动的同时，也使火焰变窄 。
由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变
得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF / dr的增加，也
增强了扩散作用。
2020/10/22
Underventilated flame （欠通风火焰）
Burke-Schumann Flame (BSF)是一种受限的层流 气体非预混火焰！
术语：Confined Jet
2020/10/22
BSF实验台from Prof. J.Y. Chen UC Berkeley
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(1)Burke-Schumann非预混火焰的两种情况
过通风火焰 欠通风火焰 过通风火焰 过通风火焰
扩散燃烧的例子
扩散燃烧的例子有很多，以下列举几个典型的例子：
气体燃烧：例如，天然气在室内的燃烧。
天然气在供应过程中，由于管道破损或者阀门失控，导致天然气泄漏。
当室内空气中的天然气浓度达到一定程度时，遇到火源就会发生燃烧。
液体燃烧：例如，石油泄漏后的燃烧。
在石油运输或储存过程中，可能会发生泄漏现象。
当石油泄漏到空气中时，与空气接触并被点燃，就会发生扩散燃烧。
固体燃烧：例如，森林火灾。
当干枯的树枝和树叶被点燃时，火势会迅速扩散并烧毁更多的树木。
爆炸：许多爆炸性物质，如炸药、天然气或汽油，一旦被引爆，就会以极高速度燃烧并扩散到周围环境中。
扩散燃烧通常需要满足一定的条件才能发生，如可燃物与空气接触、达到着火点等。
在生产、生活和科学实验中，应尽可能采取措施预防扩散燃烧的发生，以保障安全。
扩散燃烧的例子
扩散燃烧的例子
【原创版】
目录
1.扩散燃烧的定义与特点
2.扩散燃烧的例子
3.扩散燃烧的影响因素
4.扩散燃烧的实际应用
5.扩散燃烧的安全措施
正文
1.扩散燃烧的定义与特点
扩散燃烧是指在燃料和氧气的混合气体中，由于燃料和氧气的扩散作用而发生的燃烧现象。
扩散燃烧的特点是燃烧速度较慢，火焰不稳定，燃烧产物中氧气浓度较低。
2.扩散燃烧的例子
在日常生活中，扩散燃烧的例子有很多，例如：蜡烛燃烧、煤球燃烧、炭火燃烧等。
这些燃烧过程中，燃料和氧气通过扩散作用结合，形成火焰并释放热量。
3.扩散燃烧的影响因素
扩散燃烧的影响因素主要包括燃料类型、燃料浓度、氧气浓度、温度和压力等。
燃料类型决定了燃烧的特性，如气体燃料燃烧速度较快，固体燃料燃烧速度较慢；燃料浓度和氧气浓度影响了燃烧的剧烈程度；温度和压力则影响了燃料和氧气的扩散速度。
4.扩散燃烧的实际应用
扩散燃烧在生产和生活中有广泛应用，如燃气热水器、煤炉、炭火等。
此外，扩散燃烧还用于工业生产，如钢铁冶炼、化肥生产等。
5.扩散燃烧的安全措施
由于扩散燃烧的特点是燃烧速度较慢，火焰不稳定，因此需要采取一定的安全措施。
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扩散燃烧的例子
扩散燃烧的例子
摘要：
一、扩散燃烧的概念
二、扩散燃烧的例子
1.蜡烛的燃烧
2.煤炭的燃烧
3.石油的燃烧
正文：
扩散燃烧是一种燃烧方式，它是指燃料和氧气在空气中自由扩散，并在燃料表面发生燃烧的过程。
在这个过程中，燃料和氧气之间不需要额外的能量激发，就可以发生燃烧反应。
首先，我们来看蜡烛的燃烧。
蜡烛的主要成分是石蜡，当石蜡受热时，它会融化并蒸发成石蜡蒸气。
这些石蜡蒸气会与空气中的氧气发生扩散燃烧，产生二氧化碳和水。
这就是蜡烛燃烧的原因。
其次，我们来看煤炭的燃烧。
煤炭的燃烧过程比较复杂，主要包括两个阶段：干燥和燃烧。
在干燥阶段，煤炭中的水分会蒸发，而在燃烧阶段，煤炭中的碳、氢、氧等元素会与空气中的氧气发生扩散燃烧，产生二氧化碳、水和热量。
最后，我们来看石油的燃烧。
石油的燃烧过程也包括两个阶段：蒸发和燃烧。
在蒸发阶段，石油中的碳氢化合物会受热蒸发，而在燃烧阶段，这些碳氢化合物会与空气中的氧气发生扩散燃烧，产生二氧化碳和水。
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8.2
高温壁面处
油滴的着火和燃烧
液滴和壁面碰撞，可能会出现两种情况：
壁温较低时，湿壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上 壁温较高时，比湿润碰撞，超过了雷登弗罗斯特温度，出现闪瞬蒸发， 液滴脱离壁面 此外，若液滴接触壁面时有一定的速度，则根据韦伯数的不同来定义， 它代表惯性力和表面张力之比。 l du2
火焰面内R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一对应的关系，因此T (1 R r ) c ( T T ) Q [( B 1 ) 1] 可有bOT推出 g 8-25b W 火焰面外rc<r<r∞,根据bFT的定义和火焰外没有燃料的特性， 即wF=0,推出 cg (Tc TW ) [Q H (wFW wFB )][(B 1)(1R r ) 1] HwFW 8-27 火焰面上，r=rc, cg (T TW） fwO (H Q wFR ) 8-28 cg (Tc TW ) 1 fwO wFR 成立的假设：
轴对称的空气雾化喷嘴上进行的 喷雾燃烧表明，整个火焰可大致 分为三个区域
最外侧的稳定火焰，可观察到火焰 群在闪光、熄灭 最内侧的A区有液滴存在 中间的B区几乎不存在液滴，只是 由A区供给的可燃气（主要是CO） 来燃烧 详细参数研究表明，并不是滴群中 每个油滴都被火焰包围，二是在接 近单纯蒸发的状态下汽化，燃料蒸 汽作为一个整体进行扩散燃烧，形 成喷雾火焰
设圆柱形自由射流的坐标如图所示，忽略体积力，假设物性 是常量且为定常流动的情况下，圆柱坐标系下的质量守恒方 程为： ru rv 0 x r
动量守恒方程： ru
u v u rv ( ) (r ) x r r r
组分守恒方程：ru wF rv wF ( DF D ) (r wF )
气体比热容与温度和组分无关 燃烧焓与温度无关 路易斯数为1
与第一章提出的绝热火焰温度对比一下，设有fwO ∞ 克的燃料与单位质量的空气组合并反应，其最终的 火焰温度可用能量平衡求得如下： fwO ∞克的燃料释放的能量为△H fwO ∞J，能量用于 如下三个方面：
提高单位质量的空气的温度 提高燃料蒸汽的温度 将液体燃料变成界面上的燃料蒸汽
d 2 db FT 2 db FT g Dg r - W R 0 dr dr dr
bFT cg (T T ) H ( wF wF ) Q H ( wFW wFR )
8-10
边界条件：
气液分界面上的能量平衡方程和表示组分守恒的方程，不论是否发生 燃烧，都会成立
R 2 W w
燃烧速度大时，即B大，火焰离燃烧表面较远。 fw B O 液体燃料的火焰永远不能达到液体表面。
wFR
对于烃类燃料，若其中不包含气体，则wFR=1，f=0.32，则 火焰壳半径：
rC 14 ln( B 1) R
压力增加使火焰壳半径稍有降低，但使燃烧速度稍有增加
温度分布
半宽度 转捩截面 射流核心 初始段，基本段，极点
射流中无量纲速度 u/u0等值线在基本 段形成喷焰形状
无量纲速度u/um等 值线则是一簇通过 极点的直线
这表明u/um的值知识比值y/x的函数 这意味着如果用无量纲值u/um和y/b描述射流场，则个截面 的速度分布应有相同的形状。
阿伯拉莫维奇得出的射流横断面上的速度分布为：
燃料质量分数分布8-31 氧质量分数分布8-32
液滴燃烧时间
燃烧速度计算时，传质数B B l cl (TB TR ) 按照无燃烧时的推导，液滴直径随时间的变化规 2 律： d 2 d0 bt
燃烧时间t：
tb
2 d0
HfwO cg (T TB )
b
燃烧常数的数量级一般为10-2cm2/s,燃料化学结 构所发生的很大变化，对燃烧常数并不构成系统 的影响。
db FT W W g g dr
W
8-11
同理，可以得出组分守恒方程和其边界条件，通式如下：
d 2 db 2 db g D g r - W R 0 dr dr dr
db g g WW dr
W
上式中的b可以为bFT，bOT，bPT 经过泽尔多维奇变换后，有燃烧时变量b的守恒方程及其 边界条件均与无燃烧时一致，因此可以 用无燃烧时的情 况下求出b。
l cl (TB TR )
提高燃烧速度的方法：减小d，提高介质温度，富氧，提 高燃料温度
火焰位臵
假设在火焰处，燃料和氧化剂的浓度为化学计量比
wFC fwOC
将其带入8-14求解，得火焰壳半径 rC ln(B 1) 或
R ln( fwO 1) wFR
1 rC g g ln(1 fwC wFR )
在采用压力雾化喷嘴进行的试验中，发现其燃烧速 度比气体火焰速度快 这种现象的一种解释为，液滴在穿过高温介质时边 蒸发，边运动与介质混合，在气流中留下了与液滴 直径一样粗细的流线，其均匀混合速度较快，因此 燃烧速度也高，在气流的紊流程度很小，油滴和气 体的相对速度很大时，这种效果更加明显
8.4
紊流射流的
油滴的燃烧
油滴的着火过程就是油滴边蒸发、边燃烧的过程 假设火焰面内只有燃料而没有氧，在火焰外部只有氧而没 有燃料。即火焰面是位于混合气化学当量比出，而且化学 反应可在瞬间完成。 假设火焰位臵是稳定的，因此燃烧速度和蒸发速度相等， 而对燃烧速度的研究，就转化成对液滴在火焰包围下蒸发 速度的研究。
球坐标下的守恒方程
气有浩然，学无止境
内燃机燃烧学基础
主讲人: 李国祥 教授 博导 白书战 副教授 博士
2014年12月17日
求真务实，开放拓新
第八章 扩散燃烧
柴油机的燃烧属于扩散燃烧，燃油边蒸发，边燃烧。
液滴蒸发是燃烧的前提，本章首先介绍单个液滴的燃烧，然 后是气相燃料射流的燃烧。
8.1
空间油滴的着火和燃烧
高温中的油滴，一方面从周围介质中吸收热量，一方 面汽化。 在油滴附近的燃料浓度场、温度场都是变化的
y 2 u [1 ] um RL
1.5
射流中心速度沿x轴方向变化为： 射流外边界直线方程可表示为：
um R0 0.96 u0 x1 R0 L x1
上述经验公式描述了一些基本计算方法，但研究燃 烧时 ，需要微分方程及其求解方式才能解决
紊流射流的基本方程及求解
传质速度的表达式
g g WW ln(B 1) R
8-11
以上推导的中心思想是把能量方程和组分守恒该方程，通过 变换消去化学反应中的源项，得到综合参数的方程，使其在 形式上与无化学反应时完全相同。在燃烧学文献中，这种变 换成为泽尔多维奇变换。
燃烧速度：
扩散燃烧室边蒸发边燃烧，蒸发速度决定了燃烧速度，因 此燃烧速度就是蒸发速度 g g WW ln(B 1) 传质的速度表达式 8-16 R 若求出驱动力（传质数）B，就可求得传质表达式，也就 知道了燃烧速度 B的算法：利用BFO=BOT和饱和蒸汽压方程仿照无燃烧时 的方法求B；也可以用近似的方法求B HfwO cg (T TB ) 8-20 B
燃料浓度在液滴表面处最大，逐渐向外扩散与空气混合而变 小 温度则在油滴表面处最低逐渐随远离油滴而提高 与浓度和温度相对应，着火温度也有相应的变化。在温度和 浓度匹配最恰当处，着火温度应有最小值。
TA为环境温度 TB为油滴温度 TAB为扩散层温度 pB为油蒸汽分压 TZ为着火温度 某时刻，混合气焰前反 应产生热量，使周围温 度上升的比单纯靠传热 快，超过Tz处，发生着 火，着火形成的火焰面 与油滴表面有一定的距 离，这个距离与燃料挥 发性等因素有关。
Um随x的变化表达式： 射流宽度：
um x (1 24C ) 1 u0 do
2 x 1 24C u0 do
速度分布： u (1 24C x ) 1[1 2r (1 24C x ) 1 ]
油雾的燃烧特征是与包括燃烧设备工作状态在内的各种因素 有关的
实验研究发现，可以 观察到连续蓝色背景 和黄色光道 曝光时间越短，黄色 光道越短
若降低空气预热温度，则黄 色光道部分所占比重较大， 蓝色背景变得不连续 当空气燃料比足够大，空气 预热温度很低且雾滴较大时， 只剩下蓝色光道。
Hale Waihona Puke 蓝色背景可认为是由于已蒸 发的燃料蒸汽和空气在燃烧 前已混合好而形成的预混合 火焰， 黄色光道则是液滴群扩散燃 烧形成的 二者的比例与燃烧条件有关
x r r r
（T T） （T T） 能量守恒方程：ru （T T） rv ( D ) (r ) x r r r
假设：Pr=Sc=Le 这样以上守恒方程就都具有同样的形式，并且边界条件也是 相同的
由于各守恒方程具有同样的形式和边界条件，则具 有同样的解
能量方程 组分守恒方程
燃料
氧 产物
kg d 2 dT d 2 0 r Cg (W r )T r 2 q dr dr dr
d 2 dWF d 2 0 r (W r ) WF r 2 W F dr dr dr
g DF
扩散项
g DO
对流项
We
ρ 为流体密度 ( kg/m^3 )，v为特征流速 ( m/s )， l为特征长度 ( m )， σ为流体的表面张力系数 ( N/m ) 不湿润碰撞下，若韦伯数小于15，液滴在表面张力控制下仍可保持球 形，若韦伯数大于150，将出现液滴破碎。
液滴寿命与壁温的关系
液膜蒸发区 沸腾蒸发区 过渡区 球形蒸发区
基本性质和计算
射流对于内燃机的燃烧问题有重要的参考价值
有些喷雾模型就是以气体射流理论为基础的
在讨论喷雾燃烧时，喷雾火焰和气体扩散火焰在物质成分 和温度的分布上很相似。 因此研究气体扩散火焰对解决喷雾火焰的问题有重要意义