燃烧学5-第五章 气体燃料燃烧
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a) 自由射流扩散燃烧 b) 同轴射流扩散燃烧 c) 逆向射流扩散燃烧
• 按照射流的流动状况可分为 层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧
扩散火焰的形式
1. 层流扩散燃烧和火焰结构
特点： • 燃气喷出速度低，气流处于层流状态，燃气和空气的混
合依靠分子的扩散作用进行 • 燃烧速度取决于气体扩散速度 • 扩散火焰厚度很薄，可视作焰面 • 焰面各处的燃气与空气按化学当量比进行反应，焰面保
扩散燃烧
t mix
1 1 1
tM tT
tM、tT ——分子扩散、湍流扩散时间
• 燃烧方式与火焰形状
燃烧方式与火焰形状 a) 动力燃烧(预混)火焰 b) 部分预混火焰 c) 扩散燃烧火焰
二、气体燃料的预混燃烧
部分预混燃烧或半预混燃烧
全预混燃烧
a) a1＝0
火焰形状随a1的变化情况 b) 0＜a1＜0.3 c) 0.3＜a1＜1.0
气流速度w取为喷口断面的平均流速 w
l r0
Fra Baidu bibliotek
w wL
2
1
l r0
qV π r02wL
2
1
可见，层流预混火焰长度随着可燃混合气喷出速度或喷口管 径的增大而增大，却随着火焰传播速度的增大而减小
l r0
w wL
2
1
l r0
qV π r02wL
2
1
结论：
1) 当燃烧器喷口尺寸和可燃混合气成分一定时，若增大 流量qV，则将使火焰长度l增大；
d) a1＞1.2
• 火焰性质随a1的变化情况
(1) a1＝0 (2) 0＜a1＜1.0 (3) a1≥1.0
扩散火焰 部分预混燃烧或半预混燃烧 全预混燃烧
1. 层流预混火焰传播与火焰结构 (1) 静止可燃混合气中层流火焰的传播
I： 未燃的预混可燃混合气 II：高温燃烧产物 B：点火源(火焰中心) A：球形火焰面
持稳定
• 层流扩散火焰分为四个区域：
1) 中心的纯燃料区 2) 外围的纯空气区 3) 火焰面外侧的燃烧产物和
空气的混合区 4) 火焰面内侧的燃烧产物和
燃料的混合区
• 火焰锥某一横截面a—a上燃料、 空气及燃烧产物的浓度分布
层流扩散火焰的结构
• 实际扩散火焰的特点
实际扩散火焰中的温度和浓度分布
2. 层流扩散火焰结构的分析
• 管口处为稳定的近正锥形 火焰前锋(内焰)
层流预混火焰的形状 (近正锥形火焰锋)
(4) 典型的稳定层流火焰前锋 —— 管内层流火焰
• 层流火焰在管道内传播，
焰锋呈抛物线型
• 若在管内的层流预混可燃
管内层流火焰传播：倒锥形火焰焰锋
混合气中安装火焰稳定器，则会形成倒锥形焰锋
(5) 燃烧器喷口预混火焰稳定性及其结构
tmix —— 气体燃料与空气混合所需的时间 tch —— 燃料氧化的化学反应时间
• 气体燃料燃烧所需的全部时间 t t tmix tch
若tmix<<tch，则t 近似地等于氧化反应时间，即t ≈tch
化学动力燃烧或动力燃烧
若tmix>> tch，则t 近似地等于扩散混合时间，即t ≈tmix
• 火焰锥体的高度(火焰长度)l
火焰锥表面微元面在高度方向上的投影为dl，在径向上的 投影为dr，则由几何关系可得
tan dl
dr
cos
1 1 dl 2
dr
w cos w sinθ w0 wL
dl dr
w wL
2 1
假定：正锥体火焰，底面半径等于喷口半径r0； wL为常量，与r无关；
Dw w0 wL
可见，火焰前锋相对于管壁的位移有三种可能的情况： 1) 若w0 < wL，即Dw 0 ，火焰面将向混合气来流方向移动 2) 若w0 > wL，即Dw 0 ，火焰面将被气流吹向下游 3) 若w0 ＝ wL，即Dw 0 ，火焰面将驻定不动，即火焰稳定
(3) 典型的稳定层流火焰前锋 —— 层流本生灯火焰
2) 在喷口尺寸和流量相同的情况下，火焰传播速度较大 的可燃混合气(例如H2)的燃烧火焰，要比火焰传播速 度较小的(例如CO)要短。
2. 火焰的稳定性
w cos w sin w0 wL
• 当喷出速度w变化时，火焰面可通过改变角，维持火焰稳定
• w增大，角也增大( 角减小)。如果角直到增大至接近90°
层流扩散燃烧火焰结构模型
• 圆柱坐标系(r, z)中的扩散方程
c
t
D
2c z 2
1 r
r
r
c r
c c z w c
d：火焰前锋(前沿)厚度
wL
静止可燃混合气中层流火焰的传播
(2) 可燃混合气流动时的火焰传播
• 可燃混合气以速度w0流动，点火后所形成的火焰面向可 燃混合气来流方向传播
• 火焰的位置应该稳定，火焰前锋应驻定而不移动
w0
wL
可燃混合气流动时的火焰传播
对于传播速度为vL的层流火焰，火焰的绝对速度Dv为：
• 工程中要求预混火焰稳定在燃烧器喷口 附近，形成稳定的圆锥形火焰锋面
• 为保证火焰驻定在喷口处，火焰面上各点 wL应等于焰面法线方向上的气流速度w0
w0 wL
• w0与可燃混合气喷出速度w之间的关系
w cos w sin w0 wL
Gouy－Michelson定律(余弦定律 )
燃烧器喷口处层流 预混火焰示意图
也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将 被吹离喷口。此时，火焰可能出现3种现象
1) 离焰
2) 吹熄
3) 脱火(吹脱)
• w减小，角也减小( 角增大)。如果角直到减小至接近0°
也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将 缩入喷口内，出现回火
三、气体燃料的扩散燃烧
• 按燃料和空气供入的不同方式， 扩散燃烧可有3种形式
第五章 气体燃料燃烧
第一节 扩散火焰与预混火焰
概述
根据燃气是否预混空气可将燃烧方式分为：
扩散燃烧 动力燃烧(预混燃烧)
形成扩散燃烧火焰 形成动力燃烧火焰(预混火焰)
按照由于气体介质流速引起的流态的不同，火焰还可分为：
层流燃烧火焰
湍流燃烧火焰
一、燃烧方式与火焰结构
• 气体燃料燃烧所需的全部时间 t t tmix tch
层流扩散燃烧系统：
• 气体燃料和空气以相同速度 分别由环形喷管的内管(r1) 与外环管(r2)喷入燃烧室， 形成同轴射流扩散燃烧
l2 l1
扩散火焰外形有两种类型：
• 类型1呈封闭收敛状的锥形 扩散火焰(曲线1)
• 类型2呈扩散的倒喇叭形火 焰(曲线2)
取决于燃料与空气的混合浓度
层流扩散燃烧的火焰形状 1－空气过剩时 2－燃气过剩时
• 按照射流的流动状况可分为 层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧
扩散火焰的形式
1. 层流扩散燃烧和火焰结构
特点： • 燃气喷出速度低，气流处于层流状态，燃气和空气的混
合依靠分子的扩散作用进行 • 燃烧速度取决于气体扩散速度 • 扩散火焰厚度很薄，可视作焰面 • 焰面各处的燃气与空气按化学当量比进行反应，焰面保
扩散燃烧
t mix
1 1 1
tM tT
tM、tT ——分子扩散、湍流扩散时间
• 燃烧方式与火焰形状
燃烧方式与火焰形状 a) 动力燃烧(预混)火焰 b) 部分预混火焰 c) 扩散燃烧火焰
二、气体燃料的预混燃烧
部分预混燃烧或半预混燃烧
全预混燃烧
a) a1＝0
火焰形状随a1的变化情况 b) 0＜a1＜0.3 c) 0.3＜a1＜1.0
气流速度w取为喷口断面的平均流速 w
l r0
Fra Baidu bibliotek
w wL
2
1
l r0
qV π r02wL
2
1
可见，层流预混火焰长度随着可燃混合气喷出速度或喷口管 径的增大而增大，却随着火焰传播速度的增大而减小
l r0
w wL
2
1
l r0
qV π r02wL
2
1
结论：
1) 当燃烧器喷口尺寸和可燃混合气成分一定时，若增大 流量qV，则将使火焰长度l增大；
d) a1＞1.2
• 火焰性质随a1的变化情况
(1) a1＝0 (2) 0＜a1＜1.0 (3) a1≥1.0
扩散火焰 部分预混燃烧或半预混燃烧 全预混燃烧
1. 层流预混火焰传播与火焰结构 (1) 静止可燃混合气中层流火焰的传播
I： 未燃的预混可燃混合气 II：高温燃烧产物 B：点火源(火焰中心) A：球形火焰面
持稳定
• 层流扩散火焰分为四个区域：
1) 中心的纯燃料区 2) 外围的纯空气区 3) 火焰面外侧的燃烧产物和
空气的混合区 4) 火焰面内侧的燃烧产物和
燃料的混合区
• 火焰锥某一横截面a—a上燃料、 空气及燃烧产物的浓度分布
层流扩散火焰的结构
• 实际扩散火焰的特点
实际扩散火焰中的温度和浓度分布
2. 层流扩散火焰结构的分析
• 管口处为稳定的近正锥形 火焰前锋(内焰)
层流预混火焰的形状 (近正锥形火焰锋)
(4) 典型的稳定层流火焰前锋 —— 管内层流火焰
• 层流火焰在管道内传播，
焰锋呈抛物线型
• 若在管内的层流预混可燃
管内层流火焰传播：倒锥形火焰焰锋
混合气中安装火焰稳定器，则会形成倒锥形焰锋
(5) 燃烧器喷口预混火焰稳定性及其结构
tmix —— 气体燃料与空气混合所需的时间 tch —— 燃料氧化的化学反应时间
• 气体燃料燃烧所需的全部时间 t t tmix tch
若tmix<<tch，则t 近似地等于氧化反应时间，即t ≈tch
化学动力燃烧或动力燃烧
若tmix>> tch，则t 近似地等于扩散混合时间，即t ≈tmix
• 火焰锥体的高度(火焰长度)l
火焰锥表面微元面在高度方向上的投影为dl，在径向上的 投影为dr，则由几何关系可得
tan dl
dr
cos
1 1 dl 2
dr
w cos w sinθ w0 wL
dl dr
w wL
2 1
假定：正锥体火焰，底面半径等于喷口半径r0； wL为常量，与r无关；
Dw w0 wL
可见，火焰前锋相对于管壁的位移有三种可能的情况： 1) 若w0 < wL，即Dw 0 ，火焰面将向混合气来流方向移动 2) 若w0 > wL，即Dw 0 ，火焰面将被气流吹向下游 3) 若w0 ＝ wL，即Dw 0 ，火焰面将驻定不动，即火焰稳定
(3) 典型的稳定层流火焰前锋 —— 层流本生灯火焰
2) 在喷口尺寸和流量相同的情况下，火焰传播速度较大 的可燃混合气(例如H2)的燃烧火焰，要比火焰传播速 度较小的(例如CO)要短。
2. 火焰的稳定性
w cos w sin w0 wL
• 当喷出速度w变化时，火焰面可通过改变角，维持火焰稳定
• w增大，角也增大( 角减小)。如果角直到增大至接近90°
层流扩散燃烧火焰结构模型
• 圆柱坐标系(r, z)中的扩散方程
c
t
D
2c z 2
1 r
r
r
c r
c c z w c
d：火焰前锋(前沿)厚度
wL
静止可燃混合气中层流火焰的传播
(2) 可燃混合气流动时的火焰传播
• 可燃混合气以速度w0流动，点火后所形成的火焰面向可 燃混合气来流方向传播
• 火焰的位置应该稳定，火焰前锋应驻定而不移动
w0
wL
可燃混合气流动时的火焰传播
对于传播速度为vL的层流火焰，火焰的绝对速度Dv为：
• 工程中要求预混火焰稳定在燃烧器喷口 附近，形成稳定的圆锥形火焰锋面
• 为保证火焰驻定在喷口处，火焰面上各点 wL应等于焰面法线方向上的气流速度w0
w0 wL
• w0与可燃混合气喷出速度w之间的关系
w cos w sin w0 wL
Gouy－Michelson定律(余弦定律 )
燃烧器喷口处层流 预混火焰示意图
也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将 被吹离喷口。此时，火焰可能出现3种现象
1) 离焰
2) 吹熄
3) 脱火(吹脱)
• w减小，角也减小( 角增大)。如果角直到减小至接近0°
也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将 缩入喷口内，出现回火
三、气体燃料的扩散燃烧
• 按燃料和空气供入的不同方式， 扩散燃烧可有3种形式
第五章 气体燃料燃烧
第一节 扩散火焰与预混火焰
概述
根据燃气是否预混空气可将燃烧方式分为：
扩散燃烧 动力燃烧(预混燃烧)
形成扩散燃烧火焰 形成动力燃烧火焰(预混火焰)
按照由于气体介质流速引起的流态的不同，火焰还可分为：
层流燃烧火焰
湍流燃烧火焰
一、燃烧方式与火焰结构
• 气体燃料燃烧所需的全部时间 t t tmix tch
层流扩散燃烧系统：
• 气体燃料和空气以相同速度 分别由环形喷管的内管(r1) 与外环管(r2)喷入燃烧室， 形成同轴射流扩散燃烧
l2 l1
扩散火焰外形有两种类型：
• 类型1呈封闭收敛状的锥形 扩散火焰(曲线1)
• 类型2呈扩散的倒喇叭形火 焰(曲线2)
取决于燃料与空气的混合浓度
层流扩散燃烧的火焰形状 1－空气过剩时 2－燃气过剩时