燃烧学_第六章.
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第六章 层流预混火焰传播与稳定
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度
火焰稳定
§6.1 基本概念
一、预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧
燃烧燃料所需的时间 m r
燃料与空气混合时间 τ m （τ ph ） 燃烧反应时间
(2-29)
预热区：
在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：
u uu c p (dT / dx) d (dT / dx) / dx 0
(dT / dx) xi u uu c p (Ti Tu )
气体冷边界条件: T Tu 以及 dT / dx 0
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度
火焰稳定
§6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播的机理有三种理论：
热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜 混气的热传导 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 综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传 播可能有同等重要的影响
dt
dn
t
t+dt
up w p u n (矢量形式)
三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。
四、火焰结构
• 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1 毫米左右的狭窄区域 • 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。
层流预混火焰坐标系
一维层流火焰结构
P u (u / x)x u u u u u u u (u b u u )
2 (u b / u u ) 1 u u u2 ( u / b ) 1 P u u u
由理想气体状态方程，
u / b (Pu / Pb )(Rb / Ru )(Tb / Tu ) ~ (Tb / Tu )
P 0.1~1N / m2 (106 ~105 atm)
因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。
层流火焰特点
绝对速度 气流速度
u p wp u n
相对速度
火焰锋面很薄，通常只有0.01～0.1mm
层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧 过程
层流火焰传播速度很低，u n 通常在1m/s以下
由于缓燃Rayleigh线斜率比 爆震Rayleigh线斜率小得多， 所以缓燃速度比爆震速度小 得多。
对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：
来自百度文库
d ( u) / dx 0 u 常数
忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：
dP / dx u(du / dx) 0
应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，
大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火 焰面划分为预热区δph和反应区δr
五、通过火焰的压降
Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层 流火焰速度）有关。
/ A) 2 ( u uu ) 2 dP / dv (m
uu ( S u ) 层流火焰速度= (1 / u ) (dP / dv)
扩散燃烧: m r m （非预混～） 化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混 Diffusion ～ 合扩散速度，而与化学反应速度关系不大。 混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于 化学反应速度（或化学动力因素），而与混 合扩散过程关系不大。 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。 动力燃烧: （预混～） Premixed～
二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）
对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：
连续方程 动量方程
v 0v0 0 un m
p 常数
dT d dT (l ) = RR(- D H R ) （6.2） 能量方程 r 0 vnC p dx dx dx
混气本身热焓的变 化——对流项 传导的热流 ——扩散项
τr （τ ch ）
m r r
二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）
n
未燃气 已燃气 火焰前锋：向新鲜混气传播的火 焰前沿（薄薄的化学反应发光区， 厚度及参数变化梯度）。 火焰传播速度：火焰前锋沿法线 方向朝新鲜混气传播的速度（有 相对速度的含义，是相对于未燃 dn 混气的速度）。 ul S L Su 方向：总是从已燃气指向未燃气。
由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的
压力降与温度增加相比是很小的，因此
2 (Tb / Tu ) 1 P u uu
碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值 在15-40cm/s范围内。 u 的典型值等于 Tb / Tu 的典型值在5-7范围内，
1 103 g / cm3。因此 P 的典型值为：
化学反应生热量
方程(6-2)中的边界条件如下：
x (未燃气体）
T Tu ,
dT / dx 0 dT / dx 0
x (平衡时已燃气体） T Tb ,
根据分区近似解法，求Un：
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，而在反应区中忽略 能量方程中温度的一阶导数项。 根据假设，在预热区中的能量方程为:
一、层流火焰传播的热理论内容
p r
预热区 反应区
层流火焰传播的热理论内容
设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 如果新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当v0＝un时（方 向相反），可以得到驻定的火焰前锋。 将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热 区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身 热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相 等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度
火焰稳定
§6.1 基本概念
一、预混(动力)燃烧和非预混(扩散)燃烧
燃烧燃料所需的时间 m r
燃料与空气混合时间 τ m （τ ph ） 燃烧反应时间
(2-29)
预热区：
在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：
u uu c p (dT / dx) d (dT / dx) / dx 0
(dT / dx) xi u uu c p (Ti Tu )
气体冷边界条件: T Tu 以及 dT / dx 0
提 纲:
基本概念 一维层流预混火焰传播模型 影响层流火焰传播速度的因素 (层流火焰传播速度数据) 火焰厚度
火焰稳定
§6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播的机理有三种理论：
热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜 混气的热传导 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 综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传 播可能有同等重要的影响
dt
dn
t
t+dt
up w p u n (矢量形式)
三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。
四、火焰结构
• 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1 毫米左右的狭窄区域 • 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。
层流预混火焰坐标系
一维层流火焰结构
P u (u / x)x u u u u u u u (u b u u )
2 (u b / u u ) 1 u u u2 ( u / b ) 1 P u u u
由理想气体状态方程，
u / b (Pu / Pb )(Rb / Ru )(Tb / Tu ) ~ (Tb / Tu )
P 0.1~1N / m2 (106 ~105 atm)
因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。
层流火焰特点
绝对速度 气流速度
u p wp u n
相对速度
火焰锋面很薄，通常只有0.01～0.1mm
层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧 过程
层流火焰传播速度很低，u n 通常在1m/s以下
由于缓燃Rayleigh线斜率比 爆震Rayleigh线斜率小得多， 所以缓燃速度比爆震速度小 得多。
对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：
来自百度文库
d ( u) / dx 0 u 常数
忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：
dP / dx u(du / dx) 0
应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，
大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火 焰面划分为预热区δph和反应区δr
五、通过火焰的压降
Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层 流火焰速度）有关。
/ A) 2 ( u uu ) 2 dP / dv (m
uu ( S u ) 层流火焰速度= (1 / u ) (dP / dv)
扩散燃烧: m r m （非预混～） 化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混 Diffusion ～ 合扩散速度，而与化学反应速度关系不大。 混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于 化学反应速度（或化学动力因素），而与混 合扩散过程关系不大。 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。 动力燃烧: （预混～） Premixed～
二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）
对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：
连续方程 动量方程
v 0v0 0 un m
p 常数
dT d dT (l ) = RR(- D H R ) （6.2） 能量方程 r 0 vnC p dx dx dx
混气本身热焓的变 化——对流项 传导的热流 ——扩散项
τr （τ ch ）
m r r
二、火焰传播速度（即移动速度,只有预混气才有此概念）
n
未燃气 已燃气 火焰前锋：向新鲜混气传播的火 焰前沿（薄薄的化学反应发光区， 厚度及参数变化梯度）。 火焰传播速度：火焰前锋沿法线 方向朝新鲜混气传播的速度（有 相对速度的含义，是相对于未燃 dn 混气的速度）。 ul S L Su 方向：总是从已燃气指向未燃气。
由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的
压力降与温度增加相比是很小的，因此
2 (Tb / Tu ) 1 P u uu
碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值 在15-40cm/s范围内。 u 的典型值等于 Tb / Tu 的典型值在5-7范围内，
1 103 g / cm3。因此 P 的典型值为：
化学反应生热量
方程(6-2)中的边界条件如下：
x (未燃气体）
T Tu ,
dT / dx 0 dT / dx 0
x (平衡时已燃气体） T Tb ,
根据分区近似解法，求Un：
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，而在反应区中忽略 能量方程中温度的一阶导数项。 根据假设，在预热区中的能量方程为:
一、层流火焰传播的热理论内容
p r
预热区 反应区
层流火焰传播的热理论内容
设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 如果新鲜混气以层流流速v0流入管内，则当v0＝un时（方 向相反），可以得到驻定的火焰前锋。 将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热 区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身 热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相 等）——分区思想。 火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。