第4章扩散火焰
燃烧与爆炸学Chapter4
又由于1/ρP 1/ρ ;
1/ρP (1 )远比1小得多 1/ρ
2 2 KM远大于1， 若取K 1.4， 则M 1，
u a
二、正常火焰传播与爆轰 Ⅰ
Ⅱ 爆轰区
特点： （1）燃烧后气体的压力增大 （2）燃烧后气体的密度增大
（四）混气初始温度的影响
1200
1000 800
430 oC
310 oC 190 oC 20 oC
Sl(cm/s)
600
400 200 0 10 30 50 70 90
混气初温增大， Sl增大；
氢气-温度对Sl的影响
Sl
n n K(Tm Ti )K os ρ 2 f 1e E/RTm C P (Ti T )
第二节
层流预混气中正常火焰传播速度
三、物理化学参数对层流火焰传播速度的影响 （一）可燃气与空气比值的影响 （二）可燃气分子结构的影响 （三）初始压力的影响 （四）混气初始温度的影响 （五）火焰温度的影响 （六）惰性气体的影响 （七）混气性质的影响
第二节
层流预混气中正常火焰传播速度
一、传播机理
火焰前沿
5、实际火焰传播速度的测定
uin
Sli uin ui cosθi
r ui u10 (1 2 ) R
r=0.9R处
2
θi
u10
r
R
ui
Sli 接近真实的平均火焰传播 速度
第三节
可燃气体爆炸
爆炸：物质从一种状态迅速地转变为另一种状态 （或者物质性质和成分发生根本变化）时，在瞬 间放出大量的能量，同时产生声响的现象。 化学性爆炸：物质因为发生迅速的化学反应，产 生高温、高压而引起的爆炸现象。
燃烧理论第4章
第4章着火（自燃与引燃）本章内容：着火的概念谢苗诺夫的热着火理论（热）自燃的着火延迟链着火理论强制着火着火范围4.1 着火的概念燃烧过程一般可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，第二阶段为着火后的燃烧阶段。
在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分子，并没有形成火焰。
在第二阶段中，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。
与连续、稳定的燃烧阶段不同，着火是一个从不燃烧到燃烧的自身演变或外界引发的过渡过程，是可燃混合物的氧化反应逐渐加速、形成火焰或爆炸的过程。
在这个过渡过程中，反应物的消耗及产物的生成尚不明显，它们之间的相互扩散的量级不大，扩散速度对此过渡过程的化学反应影响极微。
因此，着火是一个化学动力学控制的过程。
火焰的熄火过程也是一个化学反应速度控制的过程。
但与着火过程相反，它是一个从极快的燃烧化学反应到反应速度极慢，以至不能维持火焰或几乎停止化学反应的过程。
4.1.1 两种着火类型有两种使可燃混合物着火的方式：自发着火及强制着火。
自发着火有时又叫自动着火或自燃(以后统称为自燃)。
它是依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐累积热量和活化分子，从而自行加速反应，最后导致燃烧。
自燃有两个条件：1）可燃混合物应有一定的能量储蓄过程。
2）在可燃混合物的温度不断升高，以及活化分子的数量不断积累后，从不显著的反应自动转变到剧烈的反应。
有许多燃料与氧化剂在高温下迅速混合并导致自燃的例子。
例如，柴油喷到高温的压缩空气中在极短的时间内，部分地蒸发并与空气混合，在经历一定的延迟后反应便进行得非常快而着火燃烧；在冲压式喷气发动机及涡轮喷气发动机中燃料喷雾在加力燃烧器中的着火；汽油机中的爆震等。
强制着火是靠外加的热源（外部点火源）向混合物中的局部地方加入能量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地方的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后火焰向可燃混合物的其他部分传播，导致全部可燃混合物燃烧。
热动燃烧学第06章 扩散火焰
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
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
ch4 燃气燃烧的火焰传播
焰面的移动速度
气流的移动速度
可燃混合物的历程
➢冷态时——浓度为C0，温度为T0；
➢接近焰面时——被预热(温度逐渐升高)，但未发生
化学反应， C0近似不变。 ➢T0 Ti ——开始着火，经感应期后到达Ti ’，
进行剧烈燃烧，温度很快升高到Tth； 浓度从温度Ti时开始下降，燃烬时C=0。
第四章 燃气燃烧的火焰传播
(Flame Propagation)
第一节 火焰传播的理论基础 第二节 法向火焰传播速度的测定 第三节 影响火焰传播速度的因素 第四节 混合气体火焰传播速度的计算 第五节 紊流火焰传播 第六节 火焰传播浓度极限
意义：
火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性； 对火焰的稳定性、互换性有很大的影响；
Tm ;
y
0;
dT dx
0;
将火焰分为预热区和反应区，其交界处的温度为Ti
在预热区中忽略化学反应
0Sncp
dT dx
d
dx
dT dx
在反应区中忽略自身的能量变化 d dT Q 0
dx dx
从T0~Ti积分
从Ti~Tm积分
0Sncp
Ti
T0
dT dx
I
交界面上的热流量连
续
dT 2 Tm QdT
Sn
2
Tm QdT
T0
02C
2 p
Tm T0 2
为进一步简化；定义
Tm QdT T0
Q
Tm
dT
Q
Tm T0
T0 Tm T0
T0~Tm之间的平均反应速率
Sn
2Q
02C
2
第四章火焰传播与稳定的理论
qV uH SL
d u dS u
H S
通过本生灯管子断面 可燃混合物流量qv
H
SL
火焰前沿的 总表面积
火焰前沿移动的正常速度理解为在单位火焰前沿的表面上， 其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。
火焰形状简化为 锥形，喷嘴半径 为r0，高为h。
试验只需要测两 个参数：qv和h。
uH测量有误差，原因：
第四章火焰传播与稳定的理论
火焰传播的基本方式——正常火焰传播与爆燃
• 火焰传播的三种类型 • 正常火焰传播：管口处着火，火焰以低于30m/s 的速度均匀向内推进。 • 爆炸波的传播：经过管径10倍距离，产生火焰 振荡运动，或熄灭，或产生新的传播形式。 • 爆燃：火焰传播速度1000-4000m/s，性质非常 稳定的爆炸波现象。
结 果
uH
0c p (Tb T0 )
2
Tr
Tb
wqdT
Tr
2 02c 2 (Tb T0 ) 2 p
Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0
02 c 2 (Tr T0 ) 2 p
ws0 q
uH
2n ! B n 1
T0 n E 1 1 ( ) exp[ ( )] 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
同理可得从y和z方向净导入微元体的热流量分别为
t y dxdydz y y
t z dxdydz z z
于是, 在单位时间内净导入微元体的热流量为
单位时间内微元体内热源的生成热： V dxdydz 单位时间内微元内 dU c t dxdydz 导热微分 能的增加： 方程式
第 4 章 可燃气体燃烧
缓燃（正常火焰传播） 爆震（爆轰）
缓燃（正常火焰传播）
火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进 入反应区而引起化学反应，导致火焰传播
传播速度一般不大于1～3m/s
爆震（爆轰）
火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的 压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使 燃烧波不断向未燃混合气中推进。
s
层流火焰传播速度 Sl 与导温系数 a 及化学反应速度 Ws 的平方根成正比
E
又：
Ws
Kos
n
f
n s
e RTm
a K
cp
所以： Sl
E
K
T Ti
K f e n2 n RTm os
cp Ti T
24
根据 P 关系可得：
结合声速公式：
c2
RT
p
1
M
2
pP p
1
/ 1
1/ 1/
P
12 其中 M 为马赫数。
（Ⅰ） p A′
A
休贡纽曲线
M
2
pP p
1
/ 1
1/ 1/
P
瑞利曲线
Q1
代入能量方程可得：
c pTP
u
2 P
2
Q
c pT
u2 2
6
连续方程： （质量平衡）
动量方程：
PuP u m 常数
工程燃烧学复习要点
绪论、第一章1、从正负两方面论述研究燃烧的意义。
（P5）①研究如何提高燃烧效率，保证燃烧过程的稳定性和安全性，节约能源，并充分利用新能源；②如何防止抑制火灾及矿井瓦斯或具有粉尘工厂存在的爆炸危险性，减少有用燃烧过程中的工业污染问题。
2、不同的学科研究燃烧学各有什么侧重点？（P5）实验研究：对于生产中提出的燃烧技术问题主要还只能通过实验来解决。
并发展出诊断燃烧学。
理论分析：主要为各种燃烧过程的基本现象建立和提供一般性的物理概念，从物理本质上对各种影响因素做出定性分析，从而对实验研究和数据处理指出合理、正确的方向。
3、从化学观点看，燃烧反应具有的特征是什么？（物质能量总体是下降的）（P6）氧化剂和燃料的分子间进行着激烈的快速化学反应，原来的分子结构被破坏，原子的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变化，最后生成最终燃烧产物。
这一过程，物质总的热量是降低的，降低的能量大都以热和光的形式释放而形成火焰。
4、燃烧过程的外部特征是什么？①剧烈的氧化还原反应②放出大量的热③发光5、化学爆炸与火灾的关系？（PPT）1）紧密联系，相伴发生2）某些物质的火灾和爆炸具有相同的本质，都是可燃物与氧化剂的化学反应。
3）主要区别：燃烧是稳定的和连续进行的，能量的释放比较缓慢，而爆炸是瞬时完成的，可在瞬间突然释放大量能量。
4）同一物质在一种条件下可以燃烧，在另一种条件下可以爆炸。
（煤块燃烧与煤粉爆炸）5）在存放有易燃易爆物品较多的场合和某些生产过程中，可发生火灾爆炸的连锁反应，先爆炸后燃烧、先燃烧后爆炸。
6、按化学反应和物理过程之间的关系，燃烧包括哪三种类型？（P5）1）动力燃烧（动力火焰）：主要受燃烧过程中的化学动力因素所控制，如着火、爆炸；2）扩散燃烧（扩散火焰）：主要受流动、扩散和物理混合等因素控制，如液体燃料滴、碳粒、蜡烛；3）预混燃烧（预混火焰）：此时化学动力因素和物理混合因素差不多起同样重要的作用，如汽油发动机、家用煤气炉。
第四章 燃气燃烧的火焰传播火焰的传播方式法向火焰传播速度的测
静力法
让可燃混合气体在管子里点燃。根据从 一端燃烧到另一端的长度及时间，可以计 算出燃烧速度。这种测量方法叫静力法。
❖ (一)管子法
静力法中最直观的方法是常用的管子法，所用仪 器如图所示
❖ 管中充满可燃混合物，一端封闭，另一端与装有惰 性气体的容器4相连。
❖ 测定Sn时，打开阀门2，并用火花点火器3点燃混合 物。
混合气体爆炸
❖ 可燃气体或蒸汽与空气按一定比例均匀 混合，而后点燃，因为气体扩散过程在燃烧 以前已经完成，燃烧速率将只取决于化学反 应速率。
爆燃
❖ 可燃气体与空气的混合物由火源点燃， 火焰立即从火源处以不断扩大的同心球的形 式自动扩展到混合物存在的全部空间，这种 以热传导方式自动在空间传播的燃烧现象称 为爆燃。
表4-1 燃气与空气混合物的最大燃烧速度
(二)皂泡法
❖ 将可燃混合气注入皂泡中，再点燃中心部分的 混合气，不同时间间隔出现半径不同的球状焰。 用光学方法测量皂泡起始半径R0和膨胀后的半径 RB，以及相应焰面之间的时间间隔，即可计算得 火焰传播速度。
（4－15）
(三)球形炸弹法
❖ 球弹中可燃混合气点燃后火焰扩散时其内部压力 逐步升高。根据记录的压力变化和球状焰面的尺寸， 可算得火焰传播速度。
第四章 燃气燃烧的火焰传播
火焰的传播方式 法向火焰传播速度的测定 法向火焰传播速度的影响因素 火焰传播浓度极限概念和影响因素 紊流火焰的传播特点
火焰的传播的概念
❖ 焰面不断向未燃气体方向移动，使每层气体都相继 经历加热、着火和燃烧的过程，从而把燃烧扩展到 整个混合气体中去，这种现象称为火焰的传播。
（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。如果测得频率偏移，就可换算成 速度。因为微粒速度与流体速度相同，所以即可得 到流场中某一测点的流速。
4-第四章 扩散燃烧
第四章 扩散燃烧许多实际燃烧设备中，常常由于燃料性质限制而不容易形成预混合气。
此时，通常是将燃料和氧气(或空气)分别供入燃烧空间内，燃料和氧气的混合过程和化学反应过程是同时进行的。
在通常燃烧室高温环境下，化学反应过程进行很快，而燃料和氧的混合过程要慢得多。
因此控制燃烧速率的是混合过程的快慢，这就是扩散燃烧的基本性质。
随使用燃料的形态不同有气体扩散燃烧和液体喷雾燃烧之分。
气体扩散燃烧时，随喷入燃烧宝内燃料气体的流动状态不同而分为层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧两种形式，两者的燃烧形态及机理不相同。
液体喷雾燃烧时，要把液体燃料向燃烧室内喷散雾化成细小液滴，并尽可能分布在较大的空间范围内；液滴再吸热蒸发和燃烧。
了解燃料喷射雾化，液滴的蒸发和燃烧的基本规律是掌握扩散燃烧的基础。
对于复杂的、实际的喷雾燃烧和湍流扩散燃烧现象，要按具体条件做近似分析。
§1 气体扩散燃烧1.1 基本概念一般说来，凡是燃料和氧化剂未预先混合的燃烧过程，可称为扩散燃烧，或称扩散火焰。
在这种火焰中，化学反应速率比由扩散引起的质量输运速率和由热传导产生的能量输运速率快得多。
它的显著特点是火焰面内化学反应速率很高、燃烧区厚度很薄的面，可以当做数学中的表面处理。
燃烧面的一侧为燃料气体，另一侧为氧气剂气体。
按照混合气流动的性质可将扩散火焰分为层流扩散火焰与湍流扩散火焰。
蜡烛、火柴在空气中的燃烧，单个燃料液滴在含氧介质内的燃烧等属于层流扩散火焰；工业用炉灶（燃烧气体或液体燃料的各种加热炉）、涡轮喷气发动机和在某些类型的液体火箭发动饥和内燃机燃烧室中的燃烧过程，则存在湍流扩散火焰。
层流扩散火焰的古典例子是同心圆管内的扩散火焰（参看图4-1）。
气体燃料和空气各在直径为和d d′的圆管内流动，流动的线速度是相等的。
这种燃烧的火焰形状可以分为两类。
如果供给的空气中的氧气超过燃料完全燃烧的需要量，便产生富氧扩散火焰，火焰的表面逐渐收缩到圆管的轴线上，成为圆锥形火焰。
燃烧学—第4章1
h*
hP
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
6
《燃烧学》--第四章
连续方程： （质量平衡）
PuP u m 常数
P 2uP 2 2u 2 m2
PuP 2 u
2
m2
P
m2
动量方程：
2 2 pP PuP pu
1 1 1 c pTP c pT Q pP p 2 P 1 1 1 c p (TP T ) pP p Q 2 P
P
p P p m 2 1 1
马兰特简化分析的基本思想： 若由Ⅱ区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，则火焰就 能保持温度的传播
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
18
设反应区中温度分布为线性分布
《燃烧学》--第四章
热平衡方程式为 因为：
Gcp Ti T FK
dT Tm Ti dx c
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
2
《燃烧学》--第四章
可燃气体燃烧的形式
氧气
扩散燃烧
燃气
预混燃烧
燃气+ 空(氧)气
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
3
《燃烧学》--第四章
4.1预混气中火焰的传播理论
预混气中火焰的传播分为两种形式
缓燃(正常火焰传播） 爆震（爆轰）
缓燃(正常火焰传播）
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
16
4.2.2火焰焰锋结构
δ（火焰焰锋宽度） o 新 鲜 混 合 气 TC C→C0 SL δP δC a
《燃烧学》--第四章
燃烧学-4.预混合气燃烧及火焰传播
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
概述
一、预混合燃烧概念
定义
燃料和氧（或空气）预先混合成均匀的混 合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气 在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混合 燃烧（premixed combustion）。
四、预混层流火焰传播的数学模型
基本方程的建立
假设：假定在一绝热圆管内火焰前沿以速度Sl 沿
管子传播，并假定火焰前沿为平面形状。 忽略混合气粘性、体积力、辐射热和管壁 的影响，以及由于浓度梯度引起的热扩散 效应。
取火焰面厚度为△x的气体层为控制体。
基本方程：
连续方程 ： 能量方程： 组分扩散方程： 状态方程：
火焰的特征
具有发热、发光特征；—— 辐射现象 具有电离特性； 具有自行传播的特性。
火焰的分类
火焰自行传播
Байду номын сангаас
缓燃火焰(或称正常火焰) ( 0.2-1m/s )
爆震火焰（4. 3）
预混火焰 （第四章）
燃料与氧化剂在进入反应区以前有无接触 扩散火焰 （第五章）
火焰状态
移动火焰 驻定火焰
湍流火焰与层流火焰的区别
火焰面的热量和活性中心向未燃混合气输运：层流火 焰是通过热传导和分子扩散使火焰传播下去。而湍流 火焰是靠流体的涡团运动来激发和强化，受流体运动 状态所支配。
火焰的燃烧区域：湍流火
焰的燃烧不仅在火焰前沿
消防燃烧学第四章
免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。
本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。
并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。
由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。
西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞 2012、5、28124第四章 可燃气体的燃烧在石油化工企业生产中，会产生各种可燃气体，或使用可燃气体作原料。
可燃气体燃烧会引起爆炸，在特定条件下还会引起爆轰，对设备等造成严重破坏。
因此研究气体燃烧规律，对消防安全工作具有重要意义。
第一节预混气中火焰的传播理论火焰(即燃烧波)在预混气中传播，从气体动力学理论可以证明存在两种传播方式：正常火焰传播和爆轰。
一、物理模型与雨果尼特方程设有一圆管，管中充满静止可燃混气。
若管中某处有一火源，使混气着火，火焰就会在混气中传播。
假定火焰从右向左传播，如果混气不是静止的，而是自左向右流动，流速为∞u ，它刚好与火焰传播速度大小相等，方向相反，那么火焰相对于管壁就会驻定下来，为分析简单，只研究驻定情况，其物理模型见图4—1。
图中P 、ρ、T 、u 分别表示混气压力、密度、温度和速度。
下标“∞。
”表示是未燃混气参数；下标“P ”表示是已燃气体参数。
上述物理模型中气体各参数，在一定近似假定条件下，根据气体动力学理论，它们应满足以下方程式：q P P P P K K PP P P =----⨯-∞∞∞∞)11)((21)(1ρρρρ (4—1) 2222211P P P P u u m P P ρρρρ-=-=-=--∞∞∞∞ (4—2) 方程式(4—1)称雨果尼特方程，式中K 是热容比，它的物理意125 义是等压热容与等容热容之比，即VP C C K =，对于空气，K=1.4。
燃烧理论与基础 04第四章 着火理论
Q1 k 0 e
E RT
n COVQr
Q2 S (T Tb )
着火温度和熄火温度不是物性参数，随热力 条件变化而变化。各种实验方法所测得的着 火温度值的出入很大，过分强调着火温度意 义不大，着火温度只表示了着火的临界条件。 如，褐煤堆，如果通风不良，接近于绝热状 态，孕育时间长，着火温度可为大气环境温 度。当然，着火温度的概念使着火过程的物 理模型大大简化，对于燃烧理论研究有重要 意义。
2、链着火机理
如果进行的反应是链式反应，且链式反应中 自由基的生成速率大于自由基的消耗速率 （即分支链式反应），则其反应速度不断加 快，此时反应在定温条件下也会导致着火 （或爆炸）。例如H2和O2的化合反应，它满 足了分支链式反应的条件，只要反应一旦开 始它就会着火，如果满足一定的浓度条件， 还会发生爆炸。属于这样类型的反应还有甲 烷、乙烯、乙炔等在空气中的氧化反应。
第三节 强迫着火理论
一、强迫着火条件
在燃烧技术中，为了加速和稳定着火，往往 由外界对局部的可燃混合物进行加热，并使 之着火。之后，火焰便自发传播到整个可燃 混合物中，这种使燃料着火的方法称为强迫 着火。
通常，实现强迫着火的方法有：组织良好的 炉内空气动力结构，使高温烟气向火炬根部 回流来加热由喷嘴喷出的燃料；采用炉拱、 卫燃带或其他炽热物体，保证炉内有高温水 平，向火炬根部辐射热量；采用附加的重油 或其他的点火火炬，或应用电火花点火等。
2、强迫着火（点燃）
强迫着火是可燃混合物从外界获得能量（如 电火花、灼热质点、烟火药剂的火焰等）而 产生着火的现象，也称为点燃。这时的燃烧 是首先由靠近点火源引发并传播到可燃混合 物的其他部分。因此可以认为强迫着火是外 界能源加热下火焰的局部点燃，然后再进行 火焰传播的过程。
第4章 预混火焰
SL vu sin
此测法只是粗略的测法，认为
R
各处的火焰传播速度是相同的 实际火焰不是正锥，在喷口处 有一间隙没有火焰，且受到散 热的影响，因此本生灯法并没 有测得真正的火焰传播速度
vu
4.2 火焰稳定性（flame stability）
参考文献：徐通模，《燃烧学》，第四章
火焰稳定的含义
层流火焰和湍流火焰的对比
层流火焰
火焰长度
长度较长
湍流火焰
长度较短
外观和火焰厚度 外观清晰，火焰层薄 外观模糊，火焰层厚
稳定性
噪声水平
火焰稳定，表面光滑 火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静 燃烧时有噪声
湍流火焰的特点
湍流使火焰面变弯曲，
增大了反应面积 湍流加剧了热和活性 中心的输运速率，增 大了燃烧速率 湍流缩短了混合时间， 提高了燃烧速率
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
于 1 时，火焰进入此模式 此种模式在设备中很难实现 ' ， 0 很小，同时 vrms 很大， 即流道小而流速大，在这样 的装置中压力损失很大，因 此很不现实 如图所示，其中所有的湍流 尺度都在反应区内
漩涡内小火焰模式（Flamelets-ineddies regime）
特征：有中等大小的 Da 和很高
4V 8wcr du G0 3 d0 dr r r0 r0
.
5000
脱火区
边 界 速 度 梯 度 火焰稳定区
500
回火区
102
0.7 0.8 1.0 1.2
1.4
燃气相对浓度（1/α） 甲烷-空气混气火焰稳定特性
防止回火的办法（自己阅读）
基本原理
第四章-fluent非预混燃烧模型
0.0417 0.0417
0.6 -
0.5834
0.0715 0.0715 0.8570
-
1.0
两种模拟方法
• 经验燃料法（Empirical Stream）：选择C、 H、O、N、S作为基本元素，按照经验值输 入元素的质量分数。
元素
Wt％（DAF） Wt%（DAF）
C
89.3
89.3
H
由f计算组分浓度
平衡假设
• 平衡假设：对于化学平衡来说，为使其总 存在分子水平上，化学反应足够迅速，根 据最小吉布斯自由能法则，对于某个特定 的燃烧系统，一个f值对应着一个确定的组 分浓度。
化学平衡假设
• 化学反应很快到达平衡. • 可以考虑中间组分.
绝热与非绝热选择
以下几种情况必须使用 非绝热预混模型方法：
1、选择非预 混模型
2、定义化学 模型
选择平衡化学模型 选择绝热或非绝热
定义二次流
经验流（一般用于煤粉燃烧，气相燃料不适用） 需要输入燃料的低位发热量和比热。
FLUENT设置步骤
3、定义边界
燃料和氧化剂的化学成分 查找需要的物质 选择需要添加的物质
定义温度
FLUENT设置步骤
4、计算查询表
5、显示计算结果
煤粉燃烧模拟
三种模拟选项： • 煤作为唯一燃料：使用二混合分数，一个
是焦炭100%C(s)，另一个是挥发分； • 煤作为唯一燃料：使用单混合分数，煤的
成分包括焦炭和挥发分； • 煤和其它燃料（气体或液体）一起使用：
使用二混合分数，分别代表两种燃料；
两种模拟方法
• 传统方法：选择煤燃烧系统的组分列表（如，
剂在该处的混合程度.
《童年》第四章对于火势描写的句子
《童年》第四章对于火势描写的句子
晨钟一响，灰烬滚滚，蔓延着满天黑烟，把大地覆盖着一层厚重的阴霾。
火蔓延的把这座城市抢去了大量生命，焚烧它。
每当太阳升起时，太阳光就变得发灰，空气中充满了浓浓的烟尘，让可怕的烟雾笼罩整个城市，扩散开来占据了周围一切。
在一个夏天的晚上，当一团熊熊焚烧的火红比黑夜还要红火的时候，让人百感交集。
房屋被烧毁，沉睡的居民惊醒，一瞬间，灰尘弥漫，灰暗的夜空中被浓烟笼罩。
火势熊熊，刺痛着整个城市，火焰中的烟火灿烂耀眼，仿佛带着群众的痛苦与恩爱，肆意跳跃。
火势弥漫，被抓捕的人们被军队牵制着，几乎没有人敢去劝阻，只有寥寥的几个勇敢的心灵，有勇气把自己冒着生命危险灭火，他们用着双手把火焰压制，用头顶着烟飞走，守护大家的安全。
火势慢慢熄灭，宁静的晚上被新的景象取代黑夜中，有几根烟火在追逐，人们围在一起，把残缺的家园拼凑起来，把烟火点成一片，安静地对着危险，但最终是为了生存微笑。
没有比这场火势更惨烈的。
在火势中，群众痛苦的哭声震撼着天空，每一刻都像炼狱的一把火，把城市的生命抢夺，死者封城中没有现出记忆，灰烬沉积之中，等待着新的生机穿越苦难，重拾美好未来。
在火势消逝后，城市开始重建，沉重的阴霾渐渐散去，新的希望重新建立，可怕的记忆也慢慢淡去，新的生活也从灰尘破土中复苏，每一个居民从灰烬中重新站立起来，坚强的展示他们最纯粹的思想，勇敢的推动新的人生。
火势会过去，懂得走出火海的人们会留住自己的美好记忆，把温暖的思想传承下去，谱写革命新篇章，展示不屈不挠的意志。
在生活中一路走来，经历了疾风与烈火焚烧，用勇敢的心继续勇敢地前行，这就是火势带来的人类智慧和勇气。
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ru
(T T ) x
燃
烧
理 论
第4章 扩散燃烧
基
础
引言
第 扩散燃烧与动力燃烧
章章44
气体燃料燃烧所需的全部时间通常包括两部分： 气体燃料与空气混合所需时间和燃烧反应所需时间。
扩
ph ch
散 燃
ph ch
扩散燃烧或扩散火焰
烧 ph ch 动力燃烧或动力火焰
ph ch 扩散－动力燃烧
气体燃料扩散火焰特性
u f (r / b)
um
散
同样，当喷射流体与周围介质性质不同或温度不
燃
同时，自模段的温度场和浓度场也具有相似性，即：
烧
C C Cm C
f1(r / b)
T T Tm T
f2 (r / b)
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流
章章44
自模段的特性：
实际上，b与x成正比：
扩
u f (r / x)
散
当比混合的位置上：
燃 烧
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
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构 章章44 实际层流扩散火焰
扩 散 燃 烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构 章章44 湍流扩散火焰
扩 散 燃 烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构 章章44 湍流扩散火焰
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
章章44 湍流扩散火焰高度（工程计算）：
扩
xh
d0 2a
0.70(1 V 0 ) 0.29
散
燃
湍流扩散火焰高度与管径成正比，与初始速
烧
度无关
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
章章44
湍流扩散火焰理论分析：
假设：
扩
（1）忽略辐射热损失；
散
d0
Cm C 0.70 C0 C 2ax 0.29
a为实验系数，其值 为0.07～0.08
d0
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 工程应用的半经验公式：
参数分布：
扩 散
u [1 ( r )1.5 ]2
um
b
燃
T T [1 ( r )1.5 ]
T0 T
b
烧
第 扩散火焰的特点
44
➢ 扩散火焰不产生回火，但温度低
章章
➢ 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
扩 散 燃 烧
人工煤气扩散火焰人工煤气预火焰圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 射流分类
章章44
根据射流环境： 自由射流与受限射流 直流射流与旋转射流
扩
根据射流结构： 平行射流与相交射流
散
环形射流与同轴射流
第 扩散火焰分类
章章44
层流扩散火焰
扩散火焰
扩 散 燃
质量扩散以分子扩散的方式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散的方式实现
烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构（受限扩散） 章章44
扩 散 燃 烧
气体燃料扩散火焰特性
第 扩散火焰结构（自由扩散） 章章44 层流扩散火焰
火焰面必定在燃
扩 料与空气按照化学恰
（2）物性不随温度变化；
燃 烧
（3）不考虑湍流脉动与燃烧间的相互作用。
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
章章44
湍流扩散火焰理论分析：
(ru) (rv) 0
x r
扩 散
ru
u x
rv u r
T
r
(r
u ) r
燃 烧
ru f s x
rv f s r
DT
(r f s ) s r r r
与层流火焰相比，湍流扩散火焰具有如下优点：
扩 1、湍流射流扩散火焰面是皱折、波动、破裂的，不能 散 精确测量其火焰高度，且湍流射流扩散火焰高度与射
燃 流无关，仅与射流直径有关。
烧
2、湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽，并处于激烈脉动 中。其温度、速度、浓度的时间平均值分布也与层流
分布图类似。
气体燃料扩散火焰特性
燃
烧
当 0 时：
me
m0
[0.32(
0
1
)2
x d0
1]
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
44
由射流特性确定扩散燃烧特性：
章章
如湍流扩散火焰高度的工程计算：
扩
1、确定湍流扩散火焰高度，即寻找火焰锋面与轴
散
心线相交的位置
燃
2、扩散火焰面上有：
烧
1
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 三、圆形湍流自由射流扩散燃烧
44
由射流特性确定扩散燃烧特性：
章章
在射流中各点的燃料相对浓度Cf和氧化剂
浓度Ca满足 ：
扩
C f Ca C0
散 燃 烧
Cm 1 C0 Cm V 0
Cm 1 C0 V 0 1
Cm 0.70 C0 2ax 0.29
d0
（湍流自由射流）
圆形湍流自由射流扩散燃烧
燃
mx 0 u(r) 2rdr
烧
m0
4
d 02 0u0
me
mx m0
0
u(r)
2rdr
4
d
2 0
0u0
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 二、射流的吸卷及吸卷量的计算
44
经验公式：
章章
当射流出口雷诺数大于 2.5 104 及 x / d0 6
扩
mx 0.32m0 x / d0
散
me mx m0 m0 (0.32 x / d0 1)
烧
x/d0＞8~10，射流的无因次参数分布与x/d0无关。
过渡段
初始段与自模段之间，可忽略。
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 自模段的特性：
扩 散 燃 烧
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流
章章44 扩
自模段的特性：
u um f (r / r1/ 2 )
或
散
um
燃 烧
C C Cm C
f1(r / x)
T T Tm T
f2 (r / x)
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 工程应用的半经验公式：
轴线上的参数：
扩 散 燃 烧
um 0.97 u0 2ax 0.29
d0
Tm T 0.70 T0 T 2ax 0.29
燃
烧
根据射流喷嘴： 平面射流与圆形射流
根据射流流动： 层流射流与湍流射流
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44
扩 散 燃 烧
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 一、圆形湍流自由射流 章章44 初始段
O－C－O为射流核心，核
扩 散 燃
心区内速度、浓度等与出 口处相同，长度约4~5d0
自模段
C C [1 ( r )1.5 ]
tg 3.40 a
C0 C
b
圆形湍流自由射流扩散燃烧
第 二、射流的吸卷及吸卷量的计算
44
射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，
章章 与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射
流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷
扩 或引射。
散
任意截面及出口截面上射流的质量流量为：