燃烧学5-第五章 气体燃料燃烧
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冉景煜版 工程燃烧学--第 05 章
二、谢苗诺夫热自燃理论
要实现稳定的热着火，需满足两个热力条件：
①
系统处于热平衡状态，即放热量Q1等于散热量Q2； 放热量随系统温度的变化率大于散热量的变化率，即
②
dQ1/dT≥dQ2/dT，表示放热曲线在散热曲线上方。
19
重庆大学能源与环境研究所
Institute of Energy & Environment, Chongqing University
化学反应速度实现自动加速，最终形成火焰。
9
重庆大学能源与环境研究所
Institute of Energy & Environment, Chongqing University
二、着火方式
两类着火方式：自燃着火和强迫着火。
1、自燃着火（热自燃）
自燃着火是可燃物在不需要施加外界能量的条件下而
自动着火的现象。
物质的反应特性）或边界条件（系统的散热或物质的交换
情况）之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某 个瞬间或空间的某部分达到高温反应状态（即燃烧状态）， 那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件就称为“着火 条件”。
着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和
流体力学参数的综合函数。
17
重庆大学能源与环境研究所
2、链式着火
机理：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中 心产生速率大于销毁速率时，在分支链式反应的作用下，
导致化学反应不断加速，最终实现着火的现象称为链式着
火。
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。
燃烧学 5气体燃料的燃烧
5气体燃料的燃烧5.1气体燃料燃烧原理及特点1、单相（同相、均相）反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、气体燃料的燃烧过程包括三个阶段：燃气和空气的混合阶段、混合后可燃气体混合物的加热和着火阶段、完成燃烧化学反应阶段。
全预混燃烧（无焰燃烧、动力燃烧）4、两种类型预混燃烧：半预混燃烧扩散燃烧（有焰燃烧）①一次空气系数：燃烧前已与燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比。
②当一次空气系数大于0而小于1时，称为半预混燃烧；③当一次空气系数大于或等于1时，称为全预混燃烧④预混燃烧：如果燃气与空气预先混合后，再送入燃烧室燃烧，这种燃烧成为预混燃烧。
⑤扩散燃烧：如果燃气与空气不预先混合后，而是通过各自管道送入燃烧室燃烧，此时燃气内部无一次空气，这种在燃烧室内边混合边燃烧的方式称为扩散燃烧。
5.2预混可燃气体的着火与燃烧1、预混可燃气体的燃烧过程两个基本阶段：着火阶段、着火后的燃烧阶段2、预混可燃气体的着火方法：点燃自燃热自燃：链锁自燃：预混燃烧的特点：P135爆炸式化学反应3.热自燃理论：某一反应体系在初始条件下，进行缓慢的氧化还原反应，反应产生热量，同时向环境散热，当产生的热量大于散热时，体系的温度升高，化学反应速度加快，产生更多的热量，反应体系的温度进一步升高，直至着火燃烧。
自热体系着火成功与否取决于其放热因素和散热因素的相互关系。
发生热自燃时的温度称为热自燃温度或着火温度。
理论燃烧温度：当燃气完全燃烧时，燃气温度达到最高值Tmax ，称为理论燃烧温度（绝热燃烧温度）预混气体在绝热条件下的热自然： 绝热热自然条件： 上式的物理意义：①只有当温度升高而使反应速度的增加速率超过因燃料消耗而引起反应速度下降速率时，预混合可燃气体在绝热条件下才会发生热自燃。
②绝热过程不是引起热自燃的充分条件。
只要过程开始后，反应物浓度足够大，初始温度较高，虽初始反应速度较低，但随后的反应速度总会不断增大，并导致热自燃着火。
燃烧学-第五章
添加剂的影响 ：惰性添加剂，反应添加剂
燃料/氧配比的影响（过量空气系数的影响）
混合气配比对火焰 传播速度影响很大。
除氢气和一氧化碳 外，最大火焰传播速度 处在λ=0.80～0.85范围内。
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
对每一种燃料—氧化剂的可燃混合气都存在 一定的可燃界限，其上限为混合气浓限，下 限为混合气稀限。这是维持火焰传播的一个 必要条件。
第五章 火焰传播与气体燃料燃烧
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
• 预混气体火焰
Premixed Flame （Bunsen Flame ）
在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很 小，称为预热区，以 δd 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。
火焰前沿传播机理
火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取 决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。
火焰传播的扩散理论
认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
Sl＝u0
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则 Sl = u0 = us 即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速， 两者大小相等方向相反。
(u p、u s反方向） (u p、u s同方向）
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
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
燃料/氧配比的影响（过量空气系数的影响）
混合气配比对火焰 传播速度影响很大。
除氢气和一氧化碳 外，最大火焰传播速度 处在λ=0.80～0.85范围内。
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
对每一种燃料—氧化剂的可燃混合气都存在 一定的可燃界限，其上限为混合气浓限，下 限为混合气稀限。这是维持火焰传播的一个 必要条件。
第五章 火焰传播与气体燃料燃烧
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
• 预混气体火焰
Premixed Flame （Bunsen Flame ）
在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很 小，称为预热区，以 δd 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。
火焰前沿传播机理
火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取 决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。
火焰传播的扩散理论
认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
Sl＝u0
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则 Sl = u0 = us 即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速， 两者大小相等方向相反。
(u p、u s反方向） (u p、u s同方向）
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
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
燃烧学第5章 可燃气体预混燃烧
1.本生灯法
图5 - 9 本生灯装置及其火焰
1.本生灯法
1.本生灯法
图5 - 11 火焰传播速度 随径向r的变化
1.本生灯法
(5-60) (5-61) (5-62)
2.驻定火焰法
图5 - 12 驻定火焰法测层 流火焰传播速度
3.平面火焰法
图5 - 14
κ的关系
3.平面火焰法
4.管内火焰法
(2)雨果尼特方程的推导过程。
(5-10) (5-11) (5-12) (5-13) (5-14)
(2)雨果尼特方程的推导过程。
(5-15) (5-16) (5-17) (5-18) (5-19)
(2)雨果尼特方程的推导过程。
(5-20) (5-21) (5-22) (5-23) (5-24)
5.2.4 层流火焰传播界限
1.火焰传播界限 2.影响火焰传播界限的因素
1.火焰传播界限
图5 - 8 火焰传播界限
2.影响火焰传播界限的因素
表5 - 3 在空气和纯氧中燃烧时的火焰传播界限(%)
5.2.5 层流火焰传播速度的测量
1.本生灯法 2.驻定火焰法 3.平面火焰法 4.管内火焰法 5.球弹法
燃烧学
主编
第5章 可燃气体预混燃烧
5.1 可燃气体燃烧的分类 5.2 可燃预混气体层流燃烧 5.3 可燃预混气体湍流燃烧 5.4 可燃预混气体的爆炸 5.5 可燃预混气体的爆轰
5.1 可燃气体燃烧的分类
5.1.1 可燃气体燃烧的类型 5.1.2 预混可燃气燃烧波的形式与雨果尼特方程
5.1.1 可燃气体燃烧的类型
5.3.1 湍流火焰和层流火焰的基本区别
图5 - 16 湍流火焰结构示意图 a)瞬间反应锋面的叠合图 b)湍流火焰刷(时均图)
徐通模版燃烧学--第5章
1
2
3
4Hale Waihona Puke 567 Barrere巴雷尔与Mestre梅斯特里提供的实验结果(下页 图)
1/3/7号钝体(上图) 吹熄特性曲线,回流区窄 钝体宽度相同，均为 5mm
非流线型增加，火焰稳定界限加宽
可能是由于非流线型程度增加，使回流区增大
最大的vB处于富燃料侧
42
工程上稳定火焰的具体方法
2. 预混火焰的燃烧温度高，燃烧强烈，燃烧完全，无黑烟， 火焰呈透明状，无明显轮廓。也称为无焰燃烧。
3. 由于燃料和空气在燃烧前已均匀混合，所以有回火的危
险，应严格控制预热温度。为了防止回火和爆炸，燃烧器
的燃烧功率不能太大。
13
（三）部分预混式燃烧特征
1. 部分预混式燃烧是指气体燃料和燃烧所需的部分空气在 喷出喷口前，在燃烧器中预先混合（一次空气系数一般为 0.5～0.6），在喷口外再和燃烧所需的其余二次空气逐步 混合并继续燃烧。
37
（2）钝体稳燃 钝体稳燃是利用物体的几何形状造成低速区的典型。气体 绕过钝体时，钝体后部的反向压力梯度增大，能够形成较大 的回流区，可以反卷高温烟气成为热源，有利于稳定着火和 燃烧。 钝体头部为圆盘，流动阻力损失较大，圆柱体次之，弹头 状最小。钝体常用耐温耐磨的材料制成。
41
7种型式的钝体如图所示
2. 它兼有扩散式燃烧和完全预混燃烧的特点，燃烧反应速 度很快，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。有时也称为 半无焰燃烧。
14
wga
wga
wl
w wga wl
wga<wl w 0 wga>wl w 0 wga=wl w 0
16
二、火焰传播速度
燃烧学西安交大气体燃料的燃烧PPT学习教案
第24页/共55页
S——火焰锋面的曲面面积； S0——平均位置平面面积。
uceS ut S0
ut S
（3-29）
uce S0
锥面高度：
h w
—锥面顶点以脉动速度w冲刺而形成这个椎体的时间。
忽略uce与d的方向差异，也可得： d—锥底的直径。
d 2uce
wd
h
（3-30）
2uce
第25页/共55页
二、自燃
②对于Q2
Q1 Q2
点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj
③对于Q2Ⅲ
Q1>Q2Ⅲ，能着火，着火稳定。
结论：
1、着火临界条件：① Q1＝Q2； ②
dQ1 dQ2 dT dT
2、稳定着火条件： Q1>Q2（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃）
第3页/共55页
二、自燃
讨论：Q1＝Q2、
dQ1 dT
1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自 然散射温降曲线）
2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环
境散热。
边界层内 dT dx
0，此时T2
Tlj
3、热源温度再升为时T3，边界层内
dT dx
0，此时T3
Tlj
第8页/共55页
二、强燃
平板形状热源物体计算：
收入：
q1
(
dT dx
uce
2 uce
ut uce
由此式可看出，在很弱的湍动时，ut接近于uce。
第27页/共55页
Ⅱ、湍流时的火焰传播
③大标尺强湍动：湍动迁移距离l大 于层流锋面厚度d；w’>>uce。 由式（3-31）， w’>>uce 模型1：
S——火焰锋面的曲面面积； S0——平均位置平面面积。
uceS ut S0
ut S
（3-29）
uce S0
锥面高度：
h w
—锥面顶点以脉动速度w冲刺而形成这个椎体的时间。
忽略uce与d的方向差异，也可得： d—锥底的直径。
d 2uce
wd
h
（3-30）
2uce
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二、自燃
②对于Q2
Q1 Q2
点B：热自燃着火的临界点，对应Tlj
③对于Q2Ⅲ
Q1>Q2Ⅲ，能着火，着火稳定。
结论：
1、着火临界条件：① Q1＝Q2； ②
dQ1 dQ2 dT dT
2、稳定着火条件： Q1>Q2（燃烧过程中，如煤粉燃烧，可用 于强燃）
第3页/共55页
二、自燃
讨论：Q1＝Q2、
dQ1 dT
1、热源温度为T1，放热少。（实际温降曲线略高于自 然散射温降曲线）
2、热源温度升为T2，实际温降为0，化学反应放热=环
境散热。
边界层内 dT dx
0，此时T2
Tlj
3、热源温度再升为时T3，边界层内
dT dx
0，此时T3
Tlj
第8页/共55页
二、强燃
平板形状热源物体计算：
收入：
q1
(
dT dx
uce
2 uce
ut uce
由此式可看出，在很弱的湍动时，ut接近于uce。
第27页/共55页
Ⅱ、湍流时的火焰传播
③大标尺强湍动：湍动迁移距离l大 于层流锋面厚度d；w’>>uce。 由式（3-31）， w’>>uce 模型1：
ch5 燃气燃烧方法
• 紊流区：火焰长度与气流速度无关。
5.1.3 层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡
扩散火焰长度的确定，实质上就是确定火焰锋
面的位置。火焰锋面的近似确定方法是在燃气+空
气的混合气流中去找寻燃气浓度与氧气浓度符合
化学当量比的点的轨迹。经过整理得到火焰长度
的公式为：
lf
r 0.701 n 0.29
a
（5-8）
– 随着加入重油百分比的提高，火焰的辐射率显著增大 。
– 在相同条件下，加入重油和加入焦油两种情况的比较 ，结果是加入焦油辐射能力更强。
5.2 部分预混式燃烧
扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当低；但当预 先混入一部分燃烧所需空气后，火焰变得清洁，燃烧得以强 化，火焰温度也提高了。这种燃烧方式就是部分预混式燃烧。
第五章 燃气燃烧方法
扩散式燃烧 部分预混式燃烧 完全预混式燃烧 燃烧过程的强化与完善
5.1 扩散式燃烧
• 5.1.1 燃烧的动力区和扩散区
燃料燃烧所需要的全部时间通常有两部分合成，即氧化 剂和燃料之间发生物理变化所需要的时间 p和h 进行化学反应
所需要的时间 。 ch即
ph ch
燃烧的动力区 燃烧的扩散区 燃烧的中间区
5.2.2.2火焰拉伸理论
周边速度理论在40年代提出后被大量实验所证实，但在60 年代后期吕特发现用该理论解释脱火现象存在一定的矛盾和局 限性。为此，他提出了火焰拉伸理论来解释脱火现象。
K—卡洛维兹拉伸系数。
火焰拉伸理论认为：K的极限值应首先发生在接近气流边 界的火焰稳定区，脱火是由于火焰稳定区的K值达到了极限值 Kb，导致火焰熄灭而引起的。
5.1.3 层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡
分子扩散 紊流扩散
5.1.3 层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡
扩散火焰长度的确定，实质上就是确定火焰锋
面的位置。火焰锋面的近似确定方法是在燃气+空
气的混合气流中去找寻燃气浓度与氧气浓度符合
化学当量比的点的轨迹。经过整理得到火焰长度
的公式为：
lf
r 0.701 n 0.29
a
（5-8）
– 随着加入重油百分比的提高，火焰的辐射率显著增大 。
– 在相同条件下，加入重油和加入焦油两种情况的比较 ，结果是加入焦油辐射能力更强。
5.2 部分预混式燃烧
扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当低；但当预 先混入一部分燃烧所需空气后，火焰变得清洁，燃烧得以强 化，火焰温度也提高了。这种燃烧方式就是部分预混式燃烧。
第五章 燃气燃烧方法
扩散式燃烧 部分预混式燃烧 完全预混式燃烧 燃烧过程的强化与完善
5.1 扩散式燃烧
• 5.1.1 燃烧的动力区和扩散区
燃料燃烧所需要的全部时间通常有两部分合成，即氧化 剂和燃料之间发生物理变化所需要的时间 p和h 进行化学反应
所需要的时间 。 ch即
ph ch
燃烧的动力区 燃烧的扩散区 燃烧的中间区
5.2.2.2火焰拉伸理论
周边速度理论在40年代提出后被大量实验所证实，但在60 年代后期吕特发现用该理论解释脱火现象存在一定的矛盾和局 限性。为此，他提出了火焰拉伸理论来解释脱火现象。
K—卡洛维兹拉伸系数。
火焰拉伸理论认为：K的极限值应首先发生在接近气流边 界的火焰稳定区，脱火是由于火焰稳定区的K值达到了极限值 Kb，导致火焰熄灭而引起的。
5.1.3 层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡
分子扩散 紊流扩散
燃烧学课件第五章多组分反应流体守恒方程
VS
解析过程中，需要注意数值计算的稳 定性和精度，以及边界条件和初始条 件的设定。同时，还需考虑反应流体 的非线性特性和多尺度问题，以提高 计算结果的准确性和可靠性。
05
守恒方程的数值解法
有限差分法
有限差分法是一种将偏微分方程转化为差分方程的方法，通过在离散点上 设置差分方程来逼近原方程的解。
有限差分法适用于规则的网格系统，通过在网格点上设置离散变量，利用 差分近似代替微分，将微分方程转化为离散的差分方程组。
解析方法
常用的解析方法包括分离变量法、特征线法、有限差 分法等。
解析过程
解析过程包括将方程化为标准形式、选择合适的变量 、求解方程等步骤。
解析结果
解析结果可以用于指导实验设计、优化工艺参数等实 际应用。
03
多组分反应流体的动量守恒方程
动量守恒方程的推导
推导基于牛顿第二定律
动量守恒方程的推导基于牛顿第二定律，即作用力等于反作用力。对于多组分反应流体，动量守恒方程描述了流体中 各组分动量的变化规律。
能量守恒方程的应用
能量守恒方程在多组分反应流体的研究中具有广泛的应用，它可以用于描述反应流体的温度场、压力 场和浓度场的变化。
通过求解能量守恒方程，可以预测反应流体的热力学性质，如温度、压力和组分浓度等，以及反应过 程中的热量传递和能量转化。
能量守恒方程的解析
解析能量守恒方程需要采用数值计算 方法，如有限差分法、有限元法等。 这些方法可以将连续的偏微分方程离 散化为一系列的代数方程，以便于求 解。
动态平衡
多组分反应流体中的化学组分在 不断变化的条件下达到动态平衡 ，维持一定的化学组成和性质。
守恒方程的概述
01
质量守恒
守恒方程是描述系统中质量守恒 的方程，表示质量在化学反应过 程中保持不变。
燃烧学5-第五章 气体燃料燃烧
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
气流速度w取为喷口断面的平均流速 w
l r0
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；
• 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；
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
• 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
气流速度w取为喷口断面的平均流速 w
l r0
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；
• 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；
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
05第五章 火焰传播与气体燃料燃烧ppt课件
56
（2）化学反应时间尺度＜＜紊流时间尺度
这种类型的火焰在燃烧过程中是常见的，即称为快
速反应。从总体来说，化学反应是快的，是可以认
为处于局部瞬态平衡。在这类火焰中，紊流混合过
程是控制反应速率的过程。反应在反应物混合的瞬
间即达到平衡。对于这些情况，可以用守恒量或叫
混合分数来判别某处的“混合程度”。这种守恒量
焰向外扩散。
LTB
wR
2 2
DT
D T91 0 3pR 0.8e 4
最新课件
48
在紊流流动工况下，扩散燃烧的火焰核心的 长度同样随气体流速及燃烧器管径的增加而 增加。
不论气体的流动工况为层流或为紊流，在化 学非均匀的扩散燃烧过程中，其火焰的性质 在很大程度上取决于气体的空气动力特性和 混合过程的物理因素，而火焰核心的长度基 本上与火焰传播的正常速度无关。
目前的紊流燃烧研究，以理论模型研究为主。
最新课件
53
经典的紊流火焰传播理论，包括皱折层流火 焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论；
紊流燃烧模型方法，是以计算紊流燃烧速率 为目标的紊流扩散燃烧和预混燃烧的物理模 型，包括最新发展的几率分布函数的输运方 程模型和ESCIMO紊流燃烧理论。第一类理 论模型在讨论紊流火焰传播速度时已进行了 介绍，本节主要介绍第二类紊流燃烧模型。
最新课件
54
一、紊流燃烧时均反应速率与混合分数模 型
1、时均反应速率
如前所述，对于简单的一步化学反应，反应 速率可由阿累尼乌斯公式表示。此公式对于 层流火焰是适用的。然而，当流动变为紊流 后，温度、反应物浓度都将随时间和空间而 脉动，此时，阿累尼乌斯公式只是描述了反 应速率的瞬时值。
最新课件
燃烧学第五章着火与熄火
在着火感应期内，反应物的浓度：0 y0
0 yB
i 0 ( y0 yB ) / W0
W0 k0 ( 0 y0 ) n e E / RT0
y 0 y B TB T0 y 0 0 Tm T0
y0 y B y0 TB T0 Q (TB T0 ) Tm T0 CV
H O2 M HO2 M
而代替原来的增殖反应[b]，使链载体H与O2化合 成相对寿命较长的分子HO2（用光谱仪测到）， 它向容器壁面扩散而碰壁终止，如：
2HO2 壁 H2 2O2
其结果是破坏了一个增殖链环，因此整个反 应再次由速率很高的爆炸反应回复到稳定的反应。 一般称此界限为爆炸高限或第二极限。
相对于指数中的T0，其 影响很小，可视为常数 压力、温度下降时，感应期增大。
二、非稳态分析法
着火感应期i ：
i 0 RT02CV ( EQk 0 ( 0 y0 ) n exp( E / RT0 )
E ln i 常数 RT0
当温度和混气成分不变时：
ln i ~ (1 n) ln p
在压力很低时，由于反应[e]比较显著，所以反应无法加 速到自燃。随着压力的升高，这些链载体的自由行程就 大大的减小，以致能够到达容器壁面的链载体变得很小， 而大部分链载体参与[b]、[C]、[d]得链增殖反应，从而 使反应加速而达到自燃，这时出现图中的第一极限。
当压力升到很高时，分子很密集，就可能出现三 分子反应：
lim n lim
t t
w1
(et 1)
w1
Φ =0：
n lim
0
w2
(et 1) w1t
0 yB
i 0 ( y0 yB ) / W0
W0 k0 ( 0 y0 ) n e E / RT0
y 0 y B TB T0 y 0 0 Tm T0
y0 y B y0 TB T0 Q (TB T0 ) Tm T0 CV
H O2 M HO2 M
而代替原来的增殖反应[b]，使链载体H与O2化合 成相对寿命较长的分子HO2（用光谱仪测到）， 它向容器壁面扩散而碰壁终止，如：
2HO2 壁 H2 2O2
其结果是破坏了一个增殖链环，因此整个反 应再次由速率很高的爆炸反应回复到稳定的反应。 一般称此界限为爆炸高限或第二极限。
相对于指数中的T0，其 影响很小，可视为常数 压力、温度下降时，感应期增大。
二、非稳态分析法
着火感应期i ：
i 0 RT02CV ( EQk 0 ( 0 y0 ) n exp( E / RT0 )
E ln i 常数 RT0
当温度和混气成分不变时：
ln i ~ (1 n) ln p
在压力很低时，由于反应[e]比较显著，所以反应无法加 速到自燃。随着压力的升高，这些链载体的自由行程就 大大的减小，以致能够到达容器壁面的链载体变得很小， 而大部分链载体参与[b]、[C]、[d]得链增殖反应，从而 使反应加速而达到自燃，这时出现图中的第一极限。
当压力升到很高时，分子很密集，就可能出现三 分子反应：
lim n lim
t t
w1
(et 1)
w1
Φ =0：
n lim
0
w2
(et 1) w1t
5气体燃料的燃烧
压力对着火浓度界限的影响
温度对着火浓度界限的影响
流速影响着火浓度界限
掺杂物对着火浓度界限的影响
六、预混可燃气体的燃烧
预混可燃气体的燃烧过程就是火焰的传播过程。 预混可燃气体的燃烧过程就是火焰的传播过程。
A—火焰面；B—点火电极；Ⅰ—未燃混合气体；Ⅱ—燃烧产物 火焰面； 点火电极； 未燃混合气体； 火焰面 点火电极 未燃混合气体 燃烧产物
(3) 比表面积和散热系数
– 燃料粒径的大小； 燃料粒径的大小； – 燃烧区周围的散热条件。 燃烧区周围的散热条件。 燃料的比表面积越大， 燃料的比表面积越大，相当 于散热面积越大， 于散热面积越大，散热率增 燃料着火条件变差， 加，燃料着火条件变差，着 火温度上升，着火推迟； 火温度上升，着火推迟；散 热系数越大，散热率越大， 热系数越大，散热率越大， 燃料着火条件变差， 燃料着火条件变差，着火温 度上升， 度上升，着火推迟
第五章 气体燃料的燃烧
常见气体燃料：氢气、乙炔气、甲烷气、煤气、天然气等。 常见气体燃料：氢气、乙炔气、甲烷气、煤气、天然气等。
燃气跟空气的 混合过程对燃 气的燃烧起着 重要的作用
工业炉、动力燃烧 工业炉、动力燃烧——预混燃烧 预混燃烧 气体燃料的射流燃烧——扩散燃烧 扩散燃烧 气体燃料的射流燃烧
燃气完全燃烧时， 燃气完全燃烧时，CA＝0，燃气温度达到 ， 最高值T 最高值 max
QC A0 = cv (Tmax − T0 )
cv (Tmax − T0 ) Q= C A0 Tmax − T C A = C A0 Tmax − T0
Tmax叫做理论燃烧温度
绝热过程中燃料浓度与温度的变换关系
气体燃料与空气混合； 气体燃料与空气混合； 可燃混气的加热与着火； 可燃混气的加热与着火； 可燃混气的燃烧。 可燃混气的燃烧。
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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
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
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，
(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
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
气流速度w取为喷口断面的平均流速 w
l r0
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；
• 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；
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
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
• 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
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
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
• 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
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：
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. 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
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
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，
(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
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
气流速度w取为喷口断面的平均流速 w
l r0
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；
• 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；
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
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
• 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
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
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
• 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
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：
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