火焰传播和火焰稳定性优秀课件
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第五章火焰传播和火焰稳定性
长度较长
长度较短
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
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
T0
层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关
宏观角度分析：
L u L
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
QD
Tm
L
T0
/ A
获得热焓量 Q h u L A 0C P (Tm T 0)
Q
A
t
Q mC p t
火焰传播速度
a
uL
dT dx C
2 Tm
WQdT
Ti
dT dx
p
uL
0 C p Ti
T0
则求得传播速度为：
uL
Tm
2 WQdT Ti
2 0
C
2 P
Ti T0
2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti
u L d 3 pr 2 k d
优点 • 可测定不同压力下、温度 下的以及高压情况下的火焰 传播速度 • 只适用火焰传播速度快的混合气
移动火焰测量法
平面火焰法
火焰传播与稳定理论打印版概要课件
灭火技术研发
基于火焰传播与稳定理论，可以研究新型的灭火技术和方法，例如定向爆破、抑制火焰传播等，提高灭火效果和 安全性。
05
火焰传播的未来研究方向
高温燃烧的火焰传播研究
总结词
研究高温燃烧条件下火焰传播的特性、机制和规律，为高效、环保的燃烧技术提供理论支持。
详细描述
随着能源需求的增加和环保要求的提高，高温燃烧技术成为研究的热点。高温燃烧的火焰传播具有不 同于常温燃烧的特性，如更快的传播速度和更复杂的化学反应过程。因此，研究高温燃烧的火焰传播 对于提高燃烧效率、降低污染物排放具有重要意义。
感谢您的观看
THANKS
火焰传播的稳定性分析
1 火焰传播的稳定性定义
火焰传播的稳定性是指火焰在受到扰动 后能否保持稳定传播的能力。如果火焰 在受到扰动后能够恢复稳定传播，则称 其为稳定的；反之，则为不稳定的。
2
线性稳定性分析
线性稳定性分析是一种常用的方法，通 过求解偏微分方程的线性化版本，可以 得到火焰传播的稳定性条件。这种方法 可以确定火焰是否对某些类型的扰动具 有稳定性。
3
非线性稳定性分析
对于更复杂的扰动，需要采用非线性稳 定性分析方法。这种方法考虑了非线性 效应，可以更准确地预测火焰的稳定性 行为。
火焰传播的数值模拟方法
数值模拟的重要性
由于火焰传播过程的复杂性，解析方法很难得到精确解。因此，数值模拟成为研究火焰传 播过程的重要手段。
数值方法的选取
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。选择合适的数值方法需要考 虑计算精度、计算效率和数值稳定性等因素。
火焰传播与稳定理论打印 版概要课件
目录
• 火焰传播基础 • 火焰传播理论 • 火焰传播的影响因素 • 火焰传播的应用 • 火焰传播的未来研究方向
基于火焰传播与稳定理论，可以研究新型的灭火技术和方法，例如定向爆破、抑制火焰传播等，提高灭火效果和 安全性。
05
火焰传播的未来研究方向
高温燃烧的火焰传播研究
总结词
研究高温燃烧条件下火焰传播的特性、机制和规律，为高效、环保的燃烧技术提供理论支持。
详细描述
随着能源需求的增加和环保要求的提高，高温燃烧技术成为研究的热点。高温燃烧的火焰传播具有不 同于常温燃烧的特性，如更快的传播速度和更复杂的化学反应过程。因此，研究高温燃烧的火焰传播 对于提高燃烧效率、降低污染物排放具有重要意义。
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THANKS
火焰传播的稳定性分析
1 火焰传播的稳定性定义
火焰传播的稳定性是指火焰在受到扰动 后能否保持稳定传播的能力。如果火焰 在受到扰动后能够恢复稳定传播，则称 其为稳定的；反之，则为不稳定的。
2
线性稳定性分析
线性稳定性分析是一种常用的方法，通 过求解偏微分方程的线性化版本，可以 得到火焰传播的稳定性条件。这种方法 可以确定火焰是否对某些类型的扰动具 有稳定性。
3
非线性稳定性分析
对于更复杂的扰动，需要采用非线性稳 定性分析方法。这种方法考虑了非线性 效应，可以更准确地预测火焰的稳定性 行为。
火焰传播的数值模拟方法
数值模拟的重要性
由于火焰传播过程的复杂性，解析方法很难得到精确解。因此，数值模拟成为研究火焰传 播过程的重要手段。
数值方法的选取
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。选择合适的数值方法需要考 虑计算精度、计算效率和数值稳定性等因素。
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目录
• 火焰传播基础 • 火焰传播理论 • 火焰传播的影响因素 • 火焰传播的应用 • 火焰传播的未来研究方向
火焰传播和火焰稳定性77页PPT
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
火焰传播和火焰稳定性
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
六章火焰传播与火焰稳定-PPT精品
火
焰 稳
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
定
第 第一节 层流火焰传播
六 章 三、层流火焰传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为：
火 焰
连续方程：
u0 u 00 u l m
传 播 与 火
动量方程： 能量方程：
P≈常数
0ulCpd dT xddx(d dT x)WQ
第 第一节 层流火焰传播
六 章 四、影响层流火焰传播速度的因素
火
压力的影响：
焰 传
1.7
a a0
p0 p
T T0
播 与
a/ul
火 焰
0(p0/p)b （b=1.0～0.75）
稳
压力下降，火焰厚度增加。当压力降到很低
定
时，可以使δ增大到几十毫米。火焰越厚，火焰
向管壁散热量越大，从而使得燃烧温度降低
第 第一节 层流火焰传播
六 章 四、影响层流火焰传播速度的因素
温度的影响：
火
焰
ul T0C （C=1.5～2）
传 播
温度增加，火焰传播速度增加。
与 火 焰 稳
aa0
p0 p
TT0
1.7
T1.7
a/ul
定
因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多，
因此温度对火焰厚度的影响不大。
第 第一节 层流火焰传播
dTபைடு நூலகம்
x ,TT0,
0 dx
x 0, T Tf
x
, T
Tm,
dT dx
0
稳 定
ddT x0ulCp(Tf T0) ＝
dT dx
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：
• • • • • • •
岑可法：P107-108 1）连续方程 2）动量方程 3）能量方程 4）状态方程 5）焓方程 6）反应热方程
雨果尼特（Hugoniot)方程
pr p0 1 1 1 ( ) ( pr p0 )( ) q 1 r 0 2 0 r
雨果尼特曲线:通过点S与代表一族解的 曲线相切有两条切线。对于不同的q可以 得到不同的曲线。图中的两条虚线为通 过S点的水平线和垂直线，两条虚线将曲 线分成了三个部分。另外切点（J和K点） 再进一步划分区域I和II。
过量空气系数的影响
• 可燃气体混合物的火焰传播速度uH将随着 过量空气系数α而改变。对于各种不同可燃 气体混合物其最大的uHmax并非处于可燃气 体混合物的过量空气系数α等于1的情况， 即混合物按化学当量的比例来混合的成份。 实验表明，其uHmax系发生在含可燃物浓度 比化学当量的比例稍大的混合物中（即α<1）
可 燃 气 体 H2 CO CH4 C2H2 C2H4 正 常 速 度 uH, m/s 1.6 0.30 0.28 1.0 0.5
火焰正常传播的理论
• 研究火焰正常传播的理论的目 的，就是为了找到层流火焰速 度uH。
火焰正常扩张的理论
• 各理论不推导公式 • 用于简化近似分析的热理论 • 捷尔道维奇等的分区近似解法 • 火焰传播的精确解法 • Tanford等的扩散理论 • 层流火焰问题的数值求解方法
燃烧理论6火焰传播与稳定解析
dx
Tf
层流火焰传播速度推导
能量方程 边界条件
预热区：
0ul C p
dT dx
d (dT ) dx dx
x
, T
T0 ,
dT dx
0
反应区：
d 2T dx 2
WQ
0
x 0, T Tf
x
, T
Tm ,
dT dx
0
dT 0ulCp (Tf T0 )
dx
＝
dT 2 TmWQdT
实际上，只有极少数的火焰传播过程是单纯受热力理论控制或 单纯是受扩散理论控制的，碳氢化合物燃烧时热力理论和扩散理论 同时起作用。在一般情况下热力理论比较接近于实际，被认为是目 前比较完善的火焰传播理论。
四、层流火焰的内部结构及其传播机理
设：u0 = ul，则火焰锋 面驻定。 将火焰锋面可分为两部 分：
三、层流火焰速度(Laminar flame speed, SL）
层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火 焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。
层流火焰速度：SL(标量) 火焰传播速度：S (矢量)
流场速度：U(矢量)
相对于未燃预混气体的层 流火焰速度：
Su = Uu− dxf / dt = SL
热力理论：火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热 活化而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从 反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率。并不否认火焰中心有 活性中兴存在和扩散，但认为在一般的燃烧过程中活化中心的扩 散对化学反应速度的影响不是主要的。
扩散理论：火焰中化学反应主要是活化中心（如H、OH 等）向新鲜预混可燃气体扩散，促进使其链锁反应发展所致。
第六章火焰传播和火焰稳定-精选文档
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
第三节 扩散火焰结构
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
一、扩散火焰结构
湍流扩散火焰
第三节 扩散火焰结构
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
二、扩散火焰高度
确定扩散火焰高度即寻找火焰锋面与轴心线相交的位置。
湍流扩散火焰
Cm C0 0 .70 2 ax d 0 0 .29
燃 料 与 燃 烧
第七章 气体燃料燃烧
要求：了解不同射流流动的特征，掌 握扩散燃烧与动力燃烧的概念、结构 及特性，了解气体燃料燃烧器的工作 原理与设计方法。
第一节 扩散燃烧与动力燃烧
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
扩散燃烧与动力燃烧
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。
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
三、其它形式，混合减缓，射流 张角、速度及浓度沿轴向的变化率随之减小。
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
三、其它形式的射流
环状射流
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
三、其它形式的射流
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
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
一、圆形湍流自由射流
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
一、圆形湍流自由射流
初始段
O－C－O为射流核心，核 心区内速度、浓度等与出 口处相同，长度约4~5d0
自模段
5.6低速气流中火焰稳定 课件
-1-西北工业大学航空发动机燃烧学课程组《航空发动机燃烧学》低速气流中火焰稳定传播CONTENTS-2-1 预混火焰稳定的分类2 火焰稳定条件分析3本生灯4本生灯火焰稳定5 层流预混火焰6 层流预混火焰稳定分析低速火焰的稳定1.火焰稳定的流动必要条件——火焰传播余弦定理实际火焰的稳定条件:必须保证火焰前沿各处的法向火焰传播速度等于可燃混合气在火焰前沿法向的分速度实际火焰–壁面处存在散热损失；–壁面摩擦，靠近轴线处的火焰速度比靠近壁面处的速度快，粘性力使火焰前沿呈抛物面型；–浮力存在，抛物面的火焰前沿歪曲成非对称形，此时火焰前沿各处的法向火焰传播速度并不相同。
本生灯火焰外形特征：–火焰底部不和喷嘴出口重合，存在向外突出的一个区域，以及靠近壁面有一段无火焰区；–如采用收敛管，火焰形状将接近正圆锥形，上述特点仍存在。
本生灯装置简图本生灯火焰外形特征的原因原因●在锥体顶部，由于受四周火焰的加热，温度已经很高，因此，热传导和活性分子扩散非常强烈，此时顶部燃烧时火焰传播速度会增大，并与当地的混气流速相等，从而使得锥顶变圆。
●如果出现尖顶的话，则火焰外表面相交所形成的顶点将具有不同的方向，从火焰连续的角度来说，这是绝对不可能的;●由于火焰向金属壁面的散热或活性分子的销毁，靠近喷口处有一个无火焰区，称为穿透距离或熄火距离。
-10-本生灯火焰稳定4-11-本生灯火焰稳定4气流流速增大气流流速减小•当气流速度增加时，φ增大，火焰拉长•当气流速度减小时，φ要减小，火焰将变短•在一定的气流速度变化范围内，火焰前沿将会在新的条件下稳定下来-12-层流预混火焰5g υg υLυg υg υg υg υL υL υLυL υL υ图为离本生灯喷口不同距离处射流边界附近的气流流速分布和不同截面上相应的火焰传播速度分布g υL υ两种趋势✓射流外边界火焰向周围散热及混气向四周扩散混气浓度变淡该处的火焰传播速度降低；✓管口时管壁的散热效应火焰传播速度降低,L i υ,L i υ图中，1、2、3截面的射流边界层里，存在局部混气流速与当地混气的火焰传播速度相等的点：把的各点连接起来，可得到ABDCA 区。
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焰
u0=uLT 0 m,Cf,0
up,Tm p
结 构
Cf,0
p
c
及
Tm
参
Ti
数
分
Cf0→0
布
T0
示
wHale Waihona Puke 意图-xi
+x
火焰结构及其特征
火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反 应区
前沿厚度很小，但温度梯度和浓度梯度很 大，存在强烈的热传导和物质扩散
火焰前沿在预混气中移动，是由于反应区 放出热量不断向新鲜混合气传递及新鲜混 合气不断向反应区中扩散。
宏观角度分析：
L uL
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量 获得热焓量
QD
Tm
L
T0
/ A
Q
A
t
Q huLA0C P(T m T0) QmCpt
火焰传播速度
uL
a
W
a
0CP
选定燃料的火焰速度计算公式
往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验 公式：
➢ 参考温度下：uLr,e fB MB 2( M )2
火焰前锋
燃烧产物
预混气
❖不正常火焰传播（爆震波）
多个火焰中心
爆震波火焰前锋
电
点
火
层流火焰传播理论
层流火焰传播理论分为：
热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区
向预热区的热量交换的传热过程。
扩散理论:火焰传播过程取决于活性中心浓
度的扩散过程。 实际中两种机制同时起作用。
火焰结构及其特征
火焰前锋驻定
火
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
0uLCpddT xddxddT xWQ
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
x ,T
T0
,
dT dx
0
x ,T
Tm
,
dT dx
0
层流火焰传播速度uL表达式（1）
•泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解
在预热区：反应速度W近似为零
0uLCp
dTddT
dx dx dx
层流火焰 湍流火焰
火焰前沿（前锋、波前）
新鲜混气
•发光的火焰层，化 学反应区
火 已焰
前 燃沿
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线
气
•特征尺寸极薄，可看
成几何面
火焰的传播速度
火焰的传播速度： 火焰前锋沿其
法线方向相对于新 鲜混合气移动的速 度。
已燃气
未燃气 n
dn
平面火焰的传播方式
正常火焰传播速度（缓焰波）
积分后： dT 2 TmWQdT
dxC Ti
层流火焰传播速度uL表达式（2）
拐点处：
dT dT dxP dxC
dT
dxC
2
TmWQdT
Ti
dT dxp
uL 0CpTi T0
则求得传播速度为： uL
2 TmWQdT Ti
02CP2 Ti T0 2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
•预热到着火的时间缩短 •燃烧反应带温度提高 •反应速度加快 •气体导热系数增加 • 气体密度减小。
火焰 传播 速度 增大
• 实验结果 uL T0m m=1.5~2
• 经验公式 u L 1 u L 0 0 . 4 1 5 3 T 1 0 2 T 0 2 cm/s
边界条件：x
,T
T0,
dT dx
0
x p,T Ti
积分后：
dT dxp
uL 0CpTi T0
层流火焰传播速度uL表达式（2）
• 在反应区：反应区温度升高所消耗的能量 近似为零
0uLCpddT xddxddT xWQ
d2T dx2
WQ0
边界条件：
d T
x ,T T m ,d x0 ;xp ,T T i
0 0 20 40 60
80 100
Xf
压力的影响
uL0 W1/2
W pn
0.3
n
uL0 p2
n2 n2
n
uL0 p2
p 0
(n-2)/2 0
n2
uL p 2
压力对火焰传播速度的影响取决 -0.3
于反应的压力指数（n-2)/2
20
100
100
uL
压力指数对uL的影响
初始温度的影响
初始 温度 提高
1.0
0.45
3.57 -0.19
❖燃料浓度的影响
280
•火焰传播只发生在一定
浓度界限内,燃料气过贫
240
或过富，火焰都无法传播。 200 在火焰传播浓度界限之外，
传播速度等于零。
160
• 两者都在化学恰当比浓 uL 120
度XFS附近达到最大火焰
80
传播速度。
40
H2/空气 CO/O2
•氢气预混气比一氧化碳 预混气的火焰传播浓度界 限要窄得多。
0.160.22(1)
燃料
M
甲醇
1.1
丙烷
1.08
异辛烷
1.13
RMFD-303 1.13
BM
(cm/s) 36.92 34.22 26.32 27.58
B2 (cm/s) -140.51 -138.65 -84.72 -78.34
例题：针对下述几种工况，对汽油－空气混合物在 0.8
下的层流火焰速度进行比较： （1）参考状态：Tre f 29K、 8Pre f 1atm （2）典型的电火化点火的条件，即：T68 K,5 P1.3 8a8tm （3）条件与（2）相当，但有15％的废气回流量。
➢ T 350K 时：u L u L re , T / fT re P f/ P re ( 1 f 2 . 1 Y d) il
式中： 参考状 Tr态 e f 2指 9K、 8： Pre f 1atm
BM、B2、M：由燃料类型确定的数常； ：当量比；
Yd
：稀释剂的浓度
il
2.180.8(1)
影响火焰传播速度的因素
燃料、氧化剂性质及其混合比 压力 初始温度 添加剂
燃料、氧化剂性质及其混合比影响
燃料种类— 火焰传播速度不同是由于燃料 的热物理性质和化学反应性质不同造成。
常用燃料层流时的火焰传播速度（α=1） 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 乙烯 氢气 CO 人工煤气
0.43～ 0.487 0.472 0.453 0.79 3.45- 0.175
火焰传播和火焰稳定性优秀课 件
火焰分类
基本概念
按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰
移
预混合火焰锥体
移动火焰
按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰
层流火焰——火焰面通过热 传导和分子扩散把热量和活 性中心提供给临近尚未燃烧 的预混气体薄层，使火焰传 播下去。
湍流火焰——火焰面的热量 和活性中心向未燃混合气输 运是依靠流体的涡团运动来 激发和强化，受流体运动状 态支配。
因为预热区反应速度很小
Ti WdT 0
T0
TmWdT TmWdT
Ti
T0
因为反应区温度变化不大: T i T 0T m T 0
Tm WQ dQ TTm WdT Q W
Ti Ti T0
T0 TmT0
火焰传播速度为：
uL
2QW
02CP2 Tm T0
层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关