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
安全课件第4章可燃气体燃烧
93南京金陵石化炼油厂汽10.21火灾 94辽宁阜新艺苑11.27特大火灾
94新疆克拉玛依友谊馆12.8特大火灾
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2.防止形成爆炸性混合气体
管道、设备严格密封，设置监测装置 通风良好 惰气保护
V 21 O V O
21 O Vx O O / V
（3）湍流缩短混合时间，提高了燃烧速率。
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（三）、湍流火焰传播速度（ST） 1. 影响因素；Re；P；T
1.燃烧释放能量使周围气体压力升高，形成“燃气活塞”
2. “燃气活塞”压缩未燃气体，使其温度升高，燃烧产生一 系列“压缩波”，且压缩波的传播速度大于燃烧速度。
3. 经过一定时间，后面的压缩波赶上前面的压缩波，二 者叠加形成“激波” 4. “激波”的高压高温作用，使正常火焰面前方一定距离 的处首先着火，后与正常火焰合二为一，形成“爆轰”
Vx
惰气需要量
O
临界氧含量
O/
惰气中的氧含量
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对乙烷用氮气保护，氧含量临界值为11%，设备内原有空气 100m3，求 ：
1.纯氮气需要量？ 2.若加入氮气中含有6%的氧气，则需要该种氮气量为多少？
解 ( 1 ) ： V x 2 O O 1 V 2 1 1 1 1 1 1 0 9.9 0 0
爆轰前期距离约为管径的2-4倍
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二. 爆轰的特点
1. 速度快—超音速，约2000m/s
2. 波速与混气比例有关 3.压力很高，约15~20个大气压，拐弯处会形成反射增压现 象
三. 爆轰的破坏作用
1. 泻压装置失效 2. 易造成设备爆裂。
燃烧理论第四讲火焰传播理论
其边界条件是
x ,T
T0
,
dT dx
0
假定Ti是预热区和反应区交界处(温度曲线曲率变化点)的温度， 从T0到Ti进行积分，
(下标“I”表示预热区)
0 Sn Cp
Ti
T0
dT dx
I
反应区的能量方程为
d2 y dx2
wQ
0
其边界条件是
x 0,T Ti ;
dT x ,T Tm , dx 0
传播速度。
尚于缺几少乎完不全可符能合得到Sn定严义格的的测平定面方状法火。焰精面确。测量Sn的困难在 测定Sn的实验方法，一般可归纳为静力法和动力法两类。 （一）、静力法测定Sn
度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速度)，简
称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界面即为 火焰锋面，或称火焰面。
静止均匀混合气体 中的火焰传播
流管中的火焰锋面
取一根水平管子，一端封住，另一端敞开，管内充满可燃 混合气。点火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移动， 由于管壁的摩擦和向外的热量损失、气体的粘性、热气体 产生的浮力，使其成为倾斜的弯曲焰面。
乘式
2
dT dx
d dx
dT dx
2
2
dT dx
d 2T dx2
后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）
dT dx
2
Tm wQdT
Ti
dT dx
I
dT dx
Sn
2 Tm wQdT Ti
02Cp2 Ti T0 2
Ti为未知，进一步变换可得
Sn
2 Tm wQdT T0
02Cp2 Tm T0 2
湍流火焰模型
(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流； (d)容积湍流燃烧
火焰传播
火焰正常传播速度
• 4.1影响火焰正常传播速度的主要因素。 • 4.2火焰传播界限。 • 4.3火焰正常传播速度的测量
影响火焰正常传播速度的主要因素
• • • • • • • • 4.1.1过量空气系数的影响。 4.1.2燃料化学结构的影响。 4.1.3添加剂的影响。 4.1.4混合可燃物初始温度T0的影响。 4.1.5火焰温度的影响。 4.1.6压力的影响 4.1.7惰性物质含量的影响。 4.1.8热扩散系数和比热的影响。
捷尔道维奇等的分区近似解法
• 同样，将火焰分为两个区域（预热区和 反应区），但与前面的分析改进之处是 将组分守恒方程与能量方程联立，而不 是仅考虑能量方程，其基本假定是： • (1)压力不变 • (2)反应过程中摩尔数不变 • (3)物性参数Cp和λ为常数 • (4)λ/cp=D，即Le=1 • (5)火焰为一维稳定火焰
u H 17
Cr k H p H DH ,0 k OH pOH DOH ,0 ( ) ' ' Xp BH BOH
层流火焰问题的数值求解方法
• 虽然前面已经提供了几种层流火焰的近 似和精确求解方法，然而，真正能够用 解析方法研究的火焰现象仍然是很少的。 近年来，随着高速计算机的发展，大多 数的层流燃烧现象就可借助于数值方法 来研究。一方面可以解决用解析法暂时 不能解决的问题，另一方面有助于通过 与解析及实验结果的对比来检验微分方 程及其数值解的正确性
雨果尼特（Hugoniot)方程
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。
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
燃气燃烧与应用 知识点
第一章燃气的燃烧计算燃烧：气体燃料中的可燃成分（H2、 C m H n、CO 、 H2S 等）在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用，并产生大量的热和光的物理化学反应过程称为燃烧。
燃烧必须具备的条件：比例混合、具备一定的能量、具备反应时间热值:1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量称为该燃气的热值，单位是kJ/Nm3。
对于液化石油气也可用kJ/kg。
高热值是指1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。
低热值是指1m3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量。
一般焦炉煤气的低热值大约为16000—17000KJ/m3天然气的低热值是36000—46000 KJ/m3液化石油气的低热值是88000—120000KJ/m3按1KCAL=4.1868KJ 计算：焦炉煤气的低热值约为3800—4060KCal/m3天然气的低热值是8600—11000KCal/m3液化石油气的低热值是21000—286000KCal/m3热值的计算热值可以直接用热量计测定，也可以由各单一气体的热值根据混合法则按下式进行计算：理论空气需要量每立方米(或公斤)燃气按燃烧反应计量方程式完全燃烧所需的空气量，单位为m3/m3或m3/kg。
它是燃气完全燃烧所需的最小空气量。
过剩空气系数:实际供给的空气量v与理论空气需要量v0之比称为过剩空气系数。
α值的确定α值的大小取决于燃气燃烧方法及燃烧设备的运行工况。
工业设备α——1.05-1.20民用燃具α——1.30-1.80α值对热效率的影响α过大，炉膛温度降低，排烟热损失增加，热效率降低；α过小，燃料的化学热不能够充分发挥，热效率降低。
应该保证完全燃烧的条件下α接近于1.烟气量含有1m3干燃气的湿燃气完全燃烧后的产物运行时过剩空气系数的确定计算目的：在控制燃烧过程中，需要检测燃烧过程中的过剩空气系数，防止过剩空气变化而引起的燃烧效率与热效率的降低。
燃烧理论第四讲火焰传播理论
湍流火焰模型
(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流； (d)容积湍流燃烧
1—燃烧产物；2—新鲜混气；3—部分燃尽气体
三、层流火焰传播速度的测定
层流火焰传播速度不能用精确的理论公式来计算。通常是
依值靠，实有验时方也法可测依得照单经一验燃公气式或和混实合验燃数气据在计一算定混条合件气下的的火焰Sn
传播速度。
尚于缺几少乎完不全可符能合得到Sn定严义格的的测平定面方状法火。焰精面确。测量Sn的困难在 测定Sn的实验方法，一般可归纳为静力法和动力法两类。 （一）、静力法测定Sn
1、管子法 静力法中最直观的方法是常用的管子法，测定时，用电影 摄影机摄下火焰面移动的照片，已知胶片走动的速度和影
与实物的转换的比例，就可算出可见火焰传播速度Sv。在
管径越大，管壁散热对火焰传播 速度的影响越小，如焰面不发生 皱曲，则随着管径的增大火焰传
播但速实度际上上升管，径并增趋大向时于焰极面限要值发生Sn。
皱曲。管径越大，焰面皱曲越烈
，升因。而Sv值随管径的增加而不断上
当管径小到某一极限值时，向管 壁的散热大到火焰无法传播的程
度。，临这界时直的径管在径工称程为上临是界有直意径义的dc
，可利用孔径小于临界直径值的 金属网制止火焰通过。
图2-22 火焰传播速度与管径 的关系
管子法测得的可见火焰传播速度与燃气空气混
合物成分的关系(d=25.4mm)
l—氢；2—水煤气；3—一氧化碳；4—乙烯；5—炼焦煤气；6—乙烷 ；7—甲烷；8—高压富氧化煤气
2、皂泡法
将已知成分的可燃均匀混合气注入皂泡中，再在中心用电 点火化点燃中心部分的混合气，形成的火焰面能自由传播 (气体可自由膨胀)，在不同时间间隔出现半径不同的球状 焰面。用光学方法测量皂泡起始半径和膨胀后的半径，以 及相应焰面之间的时间间隔。即可计算得火焰传播速度。
燃烧学 4预混合气燃烧及火焰传播
?
? Tf
wQ dT
Tb
? dT
dx
b?
?
2
?
Tf wQdT
Tb
(4-19)
dT dx
b?
?
?uC p ?
?Tb
?
T?
?
(4-16)
? dT
dx
b?
?
2 Tf wQdT
? Tb
(4-19)
? ? ? u ? ? u? ? ? Sl ? const
Sl ? u? ?
? 2? Tf WQdT Tb
? d 2T ? WQ ? 0
dx 2
d dx
? ??
dT dx
? ??
?
?
wQ
?
x?
x?
?? : T ? Tf
0 : T ? Tb
, dT dx
?
0
dT dx
d
? dT ?? dx
? ??
??
wQ
? dT
d
?1 ?? 2
(dT )2 dx
? ??
?
?
wQ
?
dT
? 1 ( dT )2 ? 1 ( dT )2
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。
图4-8 燃料配比对Sl的影响 1-氢 2-乙炔 3-一氧化碳
4-乙烯 5-丙烷 6-甲烷
? 燃料性质的影响
——导热系数λ，定压比 热容Cp和密度ρ
Sl ?
?
C
2 p
?
2 ?
——燃料化学结构
? 烷烃随含碳量的增加， 火焰传播速度基本不变。
第4章_气体燃料燃烧
• 引入x＝0处的温度梯度, 则
λ(
dT ) = c p ρ 0v0 (T − T0 ) dx
dT ) x =0 = c p ρ 0v0 (TB − T0 ) dx
λ(
λ 1 Tr − TB v0 = c p ρ 0 δ TB − T0
一维层流燃烧室中气体工质 的温度和燃料浓度变化
• 假定在单位时间内流入燃烧区的可燃混合气完全在该 区域内进行燃烧反应，则可得
vL ∝ p m
m——刘易斯压力指数， m＝n/2－1； n ——燃烧反应级数 (1) 当vL< 0.50 m/s，n < 2，m < 0，vL 随着p 的升高而减小； (2) 当0.50 m/s < vL< 1.00 m/s，n =2，m = 0，vL 与p 的变化无关； (3) 当vL >1.00 m/s，n > 2， m > 0，vL随着p 的升高而增大。
• 预热区能量方程(略去靠近反应区的少量反应)
d dT dT (λ ) − c p ρ 0v0 =0 dx dx dx
边界条件：
在x =-∞处 T =T0
在x = 0处 T =Tb
dT =0 dx dT dT = ( ) x =0 dx dx
• 求解，得
(λ dT ) x =0 = c p ρ0 v0 (Tb − T0 ) dx
一、火焰正常传播速度的理论求解及分析
1. 用于简化近似分析的热理论 －∞< x≤0 为可燃混合气预热区 0≤x≤δ 为可燃混合气燃烧区 (δ为燃烧区的宽度) δ≤x<＋∞ 为燃烧产物区
一维层流燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化
(1) 可燃混合气在开始着火之前的温度变化规律 • 描述一维层流燃烧室系统中具有化学反应时 的导热微分方程式
第 4 章 1 可燃气体燃烧
P
9
前式结论代入可得：
hP h cpTP cpT Q
整理可得：
1 1 1 c pTP c pT Q pP p 2 P
1 1 1 c p (TP T ) pP p Q 2 P
5
p∞,u∞ ρ∞,h∞ T∞
燃 烧 区
Pp,up ρp,hp T∞
h*
热量（焓）方程：
hP hP c p TP T h h c p T T
hP
hP hP h* Q
代入能量方程可得：
, hP h c pTP c pT Q
火焰前沿（前锋、波前） 一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的 地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显
的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿（锋面）
实验证明，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至 百分之几毫米，分析问题中可将其看作一 “几何面” （锋面）
11
1/ρ
此外，由瑞利方程
P
2
p P p 2 2 2 2 m 2 u P uP 1 1
1 1 p P p 还可得： u 2 P
1 1 1 u 2 pP p / P
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）
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
本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置说课讲解
本生灯法测定燃气法向火焰传播速度测试装置仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2本生灯法测定火焰法向传播速度实验指导书一、实验目的1．巩固火焰传播速度的概念，掌握本生灯法测量火焰传播速度的原理和方法。
2．测定液化石油气的层流火焰传播速度。
3．掌握不同的气/燃比对火焰传播速度的影响，测定出不同燃料百分数下火焰传播速度的变化曲线。
二、实验原理层流火焰传播速度是燃料燃烧的基本参数。
测量火焰传播速度的方法很多，本试验装置是用动力法即本生灯法进行测定。
正常法向火焰传播速度定义为在垂直于层流火焰前沿面方向上火焰前沿面相对于未燃混合气的运动速度。
在稳定的Bensun 火焰中，内锥面是层流预混火焰前沿面。
在此面上某一点处，混合气流的法向分速度与未燃混合气流的运动速度即法向火焰传播速度相平衡，这样才能保持燃烧前沿面在法线方向上的燃烧速度(图1)，即0sin s u u α=⨯式中：u s －混合气的流速（cm/s ）；α－火焰锥角之半。
或 022318vu r r h=+式中：q v －混合气的体积流量（L/s ）；h －火焰内锥高度（cm ）； r －喷口半径（cm ）。
上式是使用本生灯火焰高度法测定可燃混合气体的层流火焰传播速度0u 的计算式。
在我们的实验中，可燃混合气体的体积流量v q 是用湿式流量计分别测定燃气与空气的体积流量而得到的，内锥焰面底部圆的半径r 可取本生灯喷口半径；内焰锥高度h 可由测高尺测量。
三、实验设备结构实验台由本生灯、旋涡气泵、湿式气体流量计、U 型管压差计、测高尺等组成。
旋涡气泵产生的空气通过泻流阀、稳压罐、湿式气体流量计、调压阀后进入本生灯，燃气经减压器、湿式气体流量计、防回火器、调压阀后进入本生灯与空气预混合，点燃后通过测量内焰锥高度计算火焰的传播速度。
四、实验步骤1、启动旋涡气泵，调节风量使本生灯出口流速约为0.6m/s，并由湿式流量计读出空气流量。
约为0.8、0.9、2、由以上空气流量，可粗略地估算出一次空气系数11.0、1.1、1.2时的燃气流量。
第4讲 燃气燃烧的火焰传播
S n ∝ T01.5~ 2
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第三节影响火焰传播速度的因素 温度影响：
火焰温度
♦ 加速明显 ♦ 机理复杂
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第三节影响火焰传播速度的因素 压力影响：
反应速度加快 压力 上升 密度增大，热容增加。
Sn ∝ p
(n − 2 ) 2
n<2: 压力↑ 传播速度↓ n>2: 压力↑ 传播速度↑ 压力↑ 燃烧强度↑
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第三节影响火焰传播速度的因素 添加气影响：
改变物理性 质，或起催 化作用； 范例： CO+H2O
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第三节影响火焰传播速度的因素 添加气影响：
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第二节法向火焰传播速度的测定 法向火焰传播速度的测定：
静力法：可燃混合物静止，火焰运动
♦ 管子法 ♦ 皂泡法
动力法：可燃混合物运动，火焰静止
♦ 本生火焰法 ♦ 平面火焰法
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第二节法向火焰传播速度的测定 管子法：
气流紊动加剧， 火焰面弯曲 管径 散热影响大， 传播减速 临界直径
管子法：
直观 可见火焰传播速度 受直径影响大
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第二节法向火焰传播速度的测定
本生火焰法： 外锥 内锥 部分 预混 气体
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cos ϕ vn = S n v=
微团的脉动速度小于层流 火焰传播速度
燃烧理论与技术大纲
燃烧理论与技术》课程教学大纲课程编号：08211011课程类别：专业基础课程授课对象：能源与动力工程、热能工程、工程热物理、建筑环境等专业开课学期：第6学期学分：3学分主讲教师：王俊琪等指定教材：同济大学、重庆建筑大学等编，《燃气燃烧与应用（第三版）》，中国建筑工业出版社，2005年教学目的：通过对该课程的学习，使学生掌握有关燃气燃烧的基本知识，学会相应的燃气燃烧的计算方法，能够利用化学反应动力学原理解释相关的燃烧现象及燃烧的速度，理解不同气流的混合原理和燃气燃烧火焰的传播机理及传播速度的测定方法，深刻认识燃气各种燃烧的方法，并能利用流体力学、化学反应动力学原理分析各种燃烧方法的机理。
在此基础上，进一步掌握各种不同种类的燃烧器原理、构造及其设计原理与方法，深入理解有关民用燃气用具、燃气工业炉窑的类型、结构，并能进行有关设计计算和热力计算。
第一章燃气的燃烧计算课时：1周，共3课时教学内容第一节燃气的热值一、燃烧及燃烧反应计量方程式燃烧的定义与条件；不同燃烧反应的计量方程式。
二、燃气热值的确定燃气低热值和高热值的定义及其计算方法；混合气体热值的计算。
第二节燃烧所需空气量一、理论空气需要量理论空气量的概念；理论空气量的精确计算方法和近似计算方法。
二、实际空气需要量实际空气量和过剩空气系数的概念；常用设备的过剩空气系数。
第三节完全燃烧产物的计算一、烟气量烟气的主要成分；按烟气组分计算的理论及实际烟气量；根据燃气的热值近似计算不同燃气的烟气量。
二、烟气的密度烟气密度的计算。
第四节运行时烟气中的CO含量和过剩空气系数一、烟气中CO含量的确定烟气中CO含量确定的方法及公式；燃气是否完全燃烧的判别式；工业中常用的RO2的计算方法。
二、过剩空气系数的确定完全燃烧和不完全燃烧时过剩空气系数的确定方法。
第五节燃气燃烧温度及焓温图一、燃烧温度的确定热量计温度和理论燃烧温度的概念及计算公式；影响理论燃烧温度的具体因素分析。
第04章 燃气燃烧的火焰传播
第二节 法向火焰传播速度的测定
（三）其他方法 （1）颗粒示踪法 • 基本原理：在可燃混合物中掺入既能发 光、又不会引起化学反应的物质，根据 这些颗粒的运动轨迹照片确定气流的速 度和方向，计算颗粒在气流中的速度。 • 该方法过于复杂，不适于作为经常使用 的Sn测定方法。但该方法证实了Sn为一 名符其实的物理常数。
2
• • • • •
第一节 火焰传播的理论基础
一、火焰传播机理
火焰传播仅是由 于传热的作用， 炙热的焰面将热 量传给未燃气 体，使其着火燃 烧，依次传播到 整个体积。
• 法向火焰传播速度Sn：火焰焰面的移动 速度称为法向火焰传播速度。
3
第一节 火焰传播的理论基础
• 火焰的传播方式 ¾ 正常火焰传播 ¾ 爆炸：均相的燃气-空气混合物，密闭容器 ，局部着火，由于燃烧反应的传热和高温 燃烧产物的膨胀，压力急剧增加，压缩未 燃气体，处于绝热压缩状态，达到着火温 度时，一瞬间燃尽，压力猛烈增大。 ¾ 爆燃：火焰的均匀运动可达到5~10倍管径 处。如果管子相当长，其后由于发生扰动 ，火焰晃动，这时火焰前进速度强烈增加 ，发生爆燃。
20
(S )
max n 炔族
max > Sn
(
)
烯族
max > Sn
(
)
烷族
第三节 影响火焰传播速度的因素
三、温度的影响 （一）混合物初始温度的影响
Sn ∝ T
m 0
m ≈ 1.5 ~ 2
• 混合物初始温度提高，反应温度上升，燃烧 反应速率加快，从而使火焰传播速度增大。
21
第三节 影响火焰传播速度的因素
4
第一节 火焰传播的理论基础
火焰传播机理： 火焰锋面与管壁的相对位移情况： （1）Sn>u，向气流 上游移动； （2） Sn<u，向气 流下游移动； （3） Sn=u，平 衡，火焰面驻定 不动。 5
燃气燃烧的火焰传播的基本概念(新版)
( 安全管理 )单位：_________________________姓名：_________________________日期：_________________________精品文档 / Word文档 / 文字可改燃气燃烧的火焰传播的基本概念(新版)Safety management is an important part of production management. Safety and production are inthe implementation process燃气燃烧的火焰传播的基本概念(新版)一切可燃混合气的正常燃烧过程，都是由着火和燃烧两个阶段所组成。
可燃混合气在某一个区域点燃之后，为保持其连续燃烧，应使火焰从这个区域传播开去，所以研究燃气燃烧的火焰传播，实际上是讨论火焰在可燃混合气中不断传播的过程，讨论火焰传播现象的产生、发展和传播条件以及影响火焰传播的各种因素。
火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性之一，它不仅对火焰的稳定性和燃气的互换性有很大影响，而且对燃气燃烧方法的选择、燃烧器的设计和燃气的安全使用等，均有重要的实际意义。
1.火焰的传播在工程实际中，一般都用点火的方法使燃气和空气混合物着火。
因此当点火使可燃混合气某一局部着火时，在着火处就形成一层极薄的火焰面。
在这层火焰面内燃烧化学反应产生很高的温度，并在其边界上形成较大的温度梯度，从而产生了强烈的热量和质量交换，使邻近较冷的新鲜可燃混合气层温度升高，当达到着火温度时，就着火燃烧，形成新的火焰面，这样一层一层地，使每层气体都相继经历加热、着火和燃烧的过程，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．焰面未燃气体与燃烧产物的分界面称为焰面或燃烧前沿面、火焰前锋面。
实验表明，化学反应不是在整个混合气体内同时发生，而是集中在这薄薄的一层，厚度为几百甚至几十微米的火焰面内，并逐层进行。
3．火焰传播方式火焰传播的方式有两大类，正常火焰传播或非正常火焰传播。
燃烧理论第四讲火焰传播理论
目 录
• 火焰传播概述 • 火焰传播的基本理论 • 火焰传播的实验研究 • 火焰传播在燃烧科学中的应用 • 总结与展望
01
火焰传播概述
火焰传播的定义
火焰传播
火焰在可燃气体中传播蔓延的过程， 是燃烧学中的重要概念。
火焰传播速度
火焰传播的物理化学过程
火焰传播的本质是化学反应释放的热 量推动可燃气体加热和膨胀，形成火 焰前锋，并不断向未燃区域传播。
火焰传播理论在燃烧科学中的重要性
火焰传播是燃烧过程中的核心现象，对燃烧效率和污染物排放有重要影响。
火焰传播理论为燃烧设备的优化设计和控制提供了理论基础，有助于提高 燃烧效率并降低污染物排放。
火焰传播理论对于燃烧科学的发展具有重要意义，是燃烧科学领域的重要 研究方向之一。
未来火焰传播理论的研究方向与挑战
燃烧科学中的火焰传播研究展望
火焰传播研究的重要性和挑战
火焰传播是燃烧过程中的关键环节，对燃烧效率和污染物排放具有重要影响。然而，火 焰传播机制和影响因素的复杂性给研究带来了一定的挑战。未来研究需要进一步深入探 讨火焰传播的微观机制和多尺度相互作用，为燃烧科学的发展提供更深入的理论基础。
火焰传播研究的发展趋势
火焰传播的热力学基础
1 2 3
燃烧热与热力学第一定律
火焰传播过程中伴随着能量的转化与传递，燃烧 热是燃烧反应释放的能量，热力学第一定律用于 描述能量守恒。
热力学第二定律与熵增原理
火焰传播过程中熵增原理表明反应自发向熵增加 的方向进行，热力学第二定律用于判断反应是否 自发进行。
燃烧温度与热力学平衡态
随着实验技术和数值模拟方法的不断进步，未来火焰传播研究将更加注重多学科交叉和 跨尺度研究。同时，随着环保意识的提高，研究将更加关注清洁燃烧和低排放燃烧技术， 探索更高效的燃烧方式和污染物控制策略。此外，新兴技术的应用也为火焰传播研究提
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
❖ 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。
❖ 焰面从点火处开始不断向未燃气体方向移动。摄下 火焰面移动的照片，利用胶片走动的速度和影与实 物的转换比例，可求得火焰传播速度Sv。
临界管径
❖ 当管子直径减小到某-数值时，散 热就会相对增加迅速,使火焰在管 中难以传播，则火焰只停留在人 工点火时一端，出现这种状态的 管径称为临界管径。矿工用的安 全灯就是利用这个原理设计的， 即这种灯为了防止火焰传到灯外， 在灯的火焰外包上一层钢丝网， 网格的直径小于临界直径。
各种因素对火焰传播浓度极限的影响如下： 1.燃气在纯氧中着火燃烧时，火焰传播浓度极限
范围将扩大。 2.提高燃气－空气混合物温度，会使反应速度加
快，火焰温度上升，从而使火焰传播浓度极限 范围扩大。
3.提高燃气－空气混合物的压力，其分子间距缩小， 火焰传播浓度极限范围将扩大，其上限变化更为 显著。
4.可燃气体中加入惰性气体时，火焰传播浓度极限 范围将缩小。
（1）颗粒示踪法。
它是在可燃混合气中掺入一种既能闪光、又不 会引起化学反应的细小物质颗粒，例如氧化镁或氧 化氨、硅油烟雾，并连续加以频闪照射。对频闪照 射的粒子进行拍摄，可据此确定气流的流线谱。根 据示踪间歇的距离和频闪速度，可以计算得颗粒在 气流中的运动速度，示踪颗粒运动是与气体质点运 动同步的，颗粒速度即代表该处气流速度。
❖ 只有在圆锥火焰中部才比较真实地代表该混合气参 数下的层流火焰面。
❖ 如气体出口速度分布均匀，则可假定内锥为一几何 正锥体，并认为内锥焰面上各点的Sn均相等。
式中 F0——燃烧器出口截面积； vm——混合物在燃烧器出口处的平均流速； Ff——火焰的内锥表面积。
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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。
第二节 火焰传播速度及测定
❖ 燃气作正常燃烧时，这种静止的可燃气体焰 面的移动过程就是火焰的传播过程，也称燃烧 过程；焰面移动的速度叫燃烧速度，又称火焰 传播速度。垂直于燃烧焰面的火焰传播速度称 为法向火焰传播速度。
火焰传播速度的测定方法：
困难一：不容易获得一个稳定的平面火焰 困难二：确定火焰前沿
❖ 只有在圆锥火焰中部才比较真实地代表该混合气参 数下的层流火焰面。
❖ 如气体出口速度分布均匀，则可假定内锥为一几何 正锥体，并认为内锥焰面上各点的Sn均相等。
式中 F0——燃烧器出口截面积； vm——混合物在燃烧器出口处的平均流速； Ff——火焰的内锥表面积。
关键在于精确地确定气流速度和火焰表面积。
四、压力的影响
❖ 压力影响可表示为 。Sn<50cm/s时，K<0为负 值，即压力提高时火焰传播减慢；Sn= 50 ～ 100cm/s之间时，K=0，说明传播速度与压力无关; Sn>100cm/s以后，K约为+0.3，随压力上升Sn稍 有增大。
动力法
用动力法测量火焰传播速度，是以部 分预混空气燃烧时,火焰内锥中间点的传播 速度为基准的，即把该点的速度作为整个 内焰面的平均火焰传播速度。
（一）本生火焰法
本生灯结构 图
本生火焰的结构如图所示。 火焰由内锥和外锥两层焰 面组成，内锥面由燃气与 预先混合的空气进行燃烧 反应而形成，而外锥面是 剩余燃气与周围空气扩散 混合后燃烧形成的。
（1）颗粒示踪法。
它是在可燃混合气中掺入一种既能闪光、又不 会引起化学反应的细小物质颗粒，例如氧化镁或氧 化氨、硅油烟雾，并连续加以频闪照射。对频闪照 射的粒子进行拍摄，可据此确定气流的流线谱。根 据示踪间歇的距离和频闪速度，可以计算得颗粒在 气流中的运动速度，示踪颗粒运动是与气体质点运 动同步的，颗粒速度即代表该处气流速度。
第一节 火焰的传播方式
火焰的传播有三种形式： ✓ 正常的火焰传播 ✓ 爆炸 ✓ 爆燃
正常的火焰传播
❖ 正常的火焰传播指的是仅由于热作用，高温焰面将热量传给未燃气体，并使其着火燃 烧的火焰传播过程。
容器 已燃气
火焰前锋
O·
未燃气
火焰前锋厚度一般约为10-3m
爆炸
❖ 物质由一种状态迅速转变成另一种状态， 并在瞬间以声、光、热、机械功等形式放出 大量能量的现象叫做爆炸。
三、温度的影晌
（1）混合物初始温度的 影响。随可燃混合物初 始温度的升高，燃烧温 度增加，带来化学反应 速率增加，从而使Sn显 著增加。
Sn∝T0m
（2）火焰温度的影响。
火焰温度对Sn的影响较为复杂：
✓ 温度不太高时， 指数关系，可认为火焰温度对 Sn起决定作用；
✓ 当超过2500℃时，已不符合热力理论，因高温 下离解反应易于进行，使自由基浓度大大增加。 作为链载体的自由基(活性中心)的扩散，既促进 了反应，又增强了火焰传播。
二、燃气性质的影响
包括可燃混合物的导热系数及分子结构等。 ❖ 气体导热系数λ越大，则Sn也越大。 ❖ 从分子结构上看，越是不饱和的碳氢化合物，Sn 越
大。其一般规律是：（Snmax）炔烃>（Snmax）烯烃> （Snmax）烷烃。但所有烃类燃气的Sn值并无数量级 的差别。 ❖ 实验结果还表明，随着燃料分子量的增大，火焰传播 范围也越来越小。
（二)平面火焰法
只要准确测得火焰平 面的面积和混合气流 量，即可求得层流火 焰传播速度
(Sn=Lmax/Ff)。
优点：用不同方法 测量结果一致。
第三节 影响火焰传播速度的因素
✓ 混合气比例（燃气浓度） ✓ 燃气的性质 ✓ 燃气温度 ✓ 燃气的压力 ✓ 湿度和惰性气体
一、混合气比例的影响
❖ 所有单一燃气或混 合燃气的Sn值随混 合物中燃气含量变 化的曲线均呈倒U 形，最大值出现在 燃气含量比化学计 量略高处。
❖ 焰面从点火处开始不断向未燃气体方向移动。摄下 火焰面移动的照片，利用胶片走动的速度和影与实 物的转换比例，可求得火焰传播速度Sv。
临界管径
❖ 当管子直径减小到某-数值时，散 热就会相对增加迅速,使火焰在管 中难以传播，则火焰只停留在人 工点火时一端，出现这种状态的 管径称为临界管径。矿工用的安 全灯就是利用这个原理设计的， 即这种灯为了防止火焰传到灯外， 在灯的火焰外包上一层钢丝网， 网格的直径小于临界直径。