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。
火焰层结构及温度、浓度分布
在火焰锋面上取一单位微元，对于一维带化学反应的稳定层 流流动，其基本方程为：
连续方程
动量方程
p≈常数
能量方程（微元体本身热焓的变化等于传导的热量加上化学反应生成的 热量）
对于绝热条件，火焰的边界条件为
为求定Sn(u0)，提出了一种分区近似解法，把火焰分成预热区
和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，在反应区中略 去能量方程中温度的一阶导数项。 预热区中的能量方程为
气体流量和火焰内锥高度，便可按下式求得层流火焰传播 速度
有关火焰中气流速度比较精确的测量方法简要介绍如下。
(1)颗粒示踪法 它是在可燃混合气中掺入一种既能闪光、又 不会引起化学反应的细小物质颗粒，并连续加以频闪照射 。对频闪照射的粒子进行拍摄，可据此确定气流的流线谱 。根据示踪间歇的距离和频闪速度，可以计算得颗粒在气 流中的运动速度。示踪颗粒运动是与气体质点运动同步的 ，颗粒速度即代表该处气流速度。
在湍流火焰中有许多大小不同的微团作不规则运动。如果 微团的平均尺寸小于层流火焰锋面的厚度，称为小尺度湍 流火焰；反之，则称为大尺度湍流火焰。当微团的脉动速
度大于层流火焰传播速度(u′>Sl)时，为大尺度强紊动火
焰，反之为大尺度弱紊动火焰。
关于大尺度强紊动的火焰传播机理，不同学者有不同的解 释，因而形成了湍流火焰的表面理论和容积理论。
1. 层流火焰传播速度与平均热导率的平方根成正比，与热 容的平方根成反比，因此层流火焰传播速度与气体混合 物的物理常数有关。
2. 层流火焰传播速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，若 将气体预热到Ti，则层流火焰传播速度就会趋向于无穷 大。
3. 可燃混合物的热效应及化学反应速率显著地影响着层流 火焰传播速度。
湍流火焰的传播速度比层 流时要大得多，其理由为
(1)湍流脉动使火焰变形，从 而使火焰表面积增加，但 是曲面上的传播速度仍保 持为层流火焰速度。
(2)湍流脉动增加了热量和 活化中心的传递速度，反 应速率加快，从而增大了 垂直火焰表面的实际燃烧 速度。
(3)湍流脉动加快了已燃气 和未燃气的混合，缩短混 合时间，提高燃烧速度。
正常燃烧属于稳定态燃烧，可视为等压过程；而爆振和爆 炸属不稳定态燃烧，是靠气体的膨胀来局部压缩未燃气体 而形成的冲击波。在民用燃具和燃气工业炉中，燃气的燃 烧均属于正常燃烧。
若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形
成一平整的火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播
速度相平衡，火焰面便驻定不动。这是流动可燃混合气 稳定燃烧的必要条件。
通过分析火焰传播速度公式，可以定性地了解到可燃混合 气的初温、压力、燃气浓度及热值等物理化学参数对火焰 传播速度的影响
1. 混合气比例的影响 燃气-空气混合物中，火焰传播速度与混合物内的燃气含
量化中直。燃接由气有图含关可量。见变燃，化气所的和有曲空单线气一均的燃呈混气倒合或U形比混，例合中变燃间化气最时 的大，Sn，值Sn两随也侧混随变合之小物变 直至最小值，接近于最小值的含量即为混合物着火浓度的 上限和下限。当混合物中的燃气含量低于下限或高于上限 时，由于反应释放热量不足而使火焰传播停止。 实含验量观略测高表于明化，学以计空量气比作时为出氧现化的剂。时其，原因Sn是最当大混值合是物在中燃燃气 气含量略高时，火焰中H、OH等自由基的浓度较大，链 反应的断链率较小所致。对于大多数火焰，当混合比接近 于化学计量比时，火焰燃烧速度最大，一般认为火焰温度 达到最高时，其传播速度也最大。
燃烧理论第四讲火焰传 播理论
2020年4月29日星期三
一、层流火焰传播机理
在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源 ，使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及 生成活性中心，使其相继着火燃烧。
在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而 形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活 性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、 燃烧，形成一层新的火焰。反应依次往外扩张，形成瞬时 的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为层流火焰传播速
，并认为内锥焰面上各点的Sn均相等。这样，便可测得层
流火焰传播速度的平均值，且具有足够的准确性。
当混合气出流稳定时，按连续方程有
式中 F0——燃烧器出口截面积； υm——燃气-空气混合物在燃烧器出口处的平均流速； Sn——平均层流火焰传播速度； Ff——火焰的内锥表面积。
再设内锥为一底半径是r高度为h的正锥体，只要准确测得
层流火焰传播理论 第一是热理论，它认为控制火焰传播 的主要是从反应区向未燃气体的热传导。第二是扩散理 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。第三是综合理论，即认为热传导和 活性中心的扩散对火焰的传播可能同等重要。大多数火 焰中，由于存在温度梯度和浓度梯度，因此传热和传质 现象交错地存在着，很难分清主次。下面介绍由泽尔多 维奇等人提出的热理论。
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ຫໍສະໝຸດ 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。
4. 可燃混合物的过剩空气系数亦将影响其层流火焰传播速
度，当α>1或α<1时都会降低层流火焰传播速度。
二、湍流火焰传播
在湍流流动时，火焰面变得混乱和曲折，形成火焰的湍流 传播。在研究湍流火焰传播时，把焰面视为一束燃气与已 燃气之间的宏观整体分界面，也称为火焰锋面。湍流火焰
传播速度也是对这个几何面来定义的，用St表示。
这种情况下，底片上留下的是倾斜的迹印，根据倾斜角可 以确定任何瞬间的火焰传播速度。
用静力法(管子法)测定Sn的仪器
1—玻璃管；2—阀门；3—火花点火器；4—装有惰性气体的容器
由于燃烧时气流的紊动，焰面通常不是一个垂直于
管子轴线的平面，而是一个曲面。设F为火焰表面 积，f为管子截面积，可得 Svf=SnF Sv>Sn。管径越大，紊动越强烈，焰面弯曲度越大， Sv与Sn的差值也越大。
其边界条件是
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)
反应区的能量方程为 其边界条件是
乘式
后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）
Ti为未知，进一步变换可得 表示在Tm～T0之间反应速率的平均值
层流火焰传播速度可看作是可燃混合物的主要特性，从 中可以得出如下定性结论：
碳氢燃料的结构对火焰传播速度也有不同的影响。由图中 曲火但在缓线焰对n慢c<可传不，4见播饱并的，速和逐范对度烃步围于几燃趋内饱乎料向，和与，于Sn烃分则一下类子火极降中焰限(很C的速值H快4度。n，除c无随这但外关些n当)，c，的结n如c约增>果C4为多，2时H7而可，60、减用c则mC小反/S3snH，左应又8并等右活下且，。化降 能不同(含碳多者活化能大)或者反应中离子(如H、O、 OH等)的扩散速度不同来解释。实验结果还表明，随着燃 料分子量的增大，火焰传播范围也越来越小。因为燃料分 子量增大，混合气总分子量也变大，使得混合气密度增大 ，由原理上分析得出的火焰传播极限值减小。
(2)激光测速法 激光测速的基本原理是利用光学多普勒效应 。当一束激光照射到流体中跟随一起运动的微粒上时，激 光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光的频率 相比较，就会产生一个与微粒运动速度成正比的频率偏移 。
通过火焰内锥的流线分布情况
层流火焰传播速度沿燃烧器截面 的分布
2、平面火焰法
Powling燃烧器和Mache-Hebra喷嘴可提供平面和盘状火 焰，此类火焰的面积比较容易精确测量。可燃均匀混合气 进入直径较大的圆管，通过装在管口的多孔板或蜂窝格及 整流网等，形成出口平面处速度的均匀分布。点燃混合气 ，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用 惰性气体将火焰包围，用以限定火焰面的大小。只要准确 测得火焰平面的面积和混合气流量，即可求得层流火焰传