6-层流预混火焰传播与稳定
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燃气燃烧方法——部分预混式燃烧.doc
燃气燃烧方法——部分预混式燃烧燃气燃烧时，一次空气过剩系数α′在0～1之间，预先混入了一部分燃烧所需空气，这种燃烧方法称为部分预混式燃烧或大气式燃烧。
一、部分预混层流火焰产生部分预混层流火焰的典型装置就是本生灯。
如图3—4—6，燃气从本生灯下部小口喷出，井引射入一次空气，在管内预先混合，预混后的气体自灯口喷出燃烧，产生圆锥形的火焰，周围大气亦供给部分空气，称为二次空气，通过扩散与一次空气未燃尽的燃气混合燃烧。
这样，在正常燃烧时形成两个稳定的火焰面：内火焰面，即由燃气与一次空气预混合后燃烧而产生。
为圆锥形，呈蓝绿色，强而有力，温度亦商，为部分预混火焰，也称为蓝色锥体；外火焰面，是二次空气与一次空气未燃尽的燃气进行的扩散混合燃烧，其形状也近似圆锥形，呈黄色，软弱无力，温度较低，这是扩散火焰。
蓝色的预混火焰锥体出现是有条件的。
若燃气／空气混合物的浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而成为扩散式燃烧。
若混合物中燃气的浓度低于着火浓度下限，则该混合气根本不可能燃烧。
氢气燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数范围则相当窄。
蓝色锥体的实际形状，如图3—5—5，可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
层流时，沿管道截面上气体的流速按抛物线分布，喷口中心气流速度最大，至管壁处降为零。
静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度sn(其方向指向锥体内部)与该点气流的法向分速度vn相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一点都存在以下关系式，通常称为米赫尔松余弦定律：sn=vn=vcosψ (5—5)式中ψ——预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。
余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系，火焰虽有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。
另一方面，蓝色锥体焰面上各点，还有一个气流切向分速度，使该处的质点要向上移动。
6-层流预混火焰传播与稳定
9
RR 9.55 *10 * (0.1997)
5
1.75
0.0301 0.1 0.1095 1.65 *( ) *( ) * 44 44 32
107.3kg /(s m 3 )
热扩散系数为
a
(T ) u c p (T )
在计算时应注意到平均温度针对于整个火焰厚度而言，这是因为 热传导不仅发生在反应区，而且在预热区也是存在的，故
化学参数的影响
（1）混合比（混气成分）的影响
层流火焰传播速度随燃料-氧化剂配比而变化， 主要是由于温度随混合比的变化所引起。对碳氢化 合物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中， 火焰传播速度达到最大。
一般认为火焰温度最高的混合物火焰速度也最大， 在很贫或者很富的燃气中，由于燃料或者氧化剂太 少，反应生成热太少，而实际燃烧设备不可能绝热， 固难以维持火焰传播必需的热量积累，火焰在其中 不能传播。 火焰传播有浓度的上下限
变化
假设燃气中没有氧气或者燃料，可以得出氧气和燃料的平均质量 分数分别为：
w f 0.5( w f ,u 0) 0.06015* 0.5 0.0301 wo2 0.5[0.2331* (1 w f ,u ) 0] 0.1095
其中0.2331为空气中氧的质量分数，化学恰当比的丙烷-空气混合 物空燃比A/F=15.625 而化学反应速率为：
Tu 350K ; Tu , ref 298K ; Pref 1atm S L, ref BM B2 ( M )
2
指数γ、β为当量比ф的函数，表示为： γ= 2.18-0.8（ ф -1） β= -0.16+0.22（ ф -1）
惰性物质或添加剂的影响：
RR 9.55 *10 * (0.1997)
5
1.75
0.0301 0.1 0.1095 1.65 *( ) *( ) * 44 44 32
107.3kg /(s m 3 )
热扩散系数为
a
(T ) u c p (T )
在计算时应注意到平均温度针对于整个火焰厚度而言，这是因为 热传导不仅发生在反应区，而且在预热区也是存在的，故
化学参数的影响
（1）混合比（混气成分）的影响
层流火焰传播速度随燃料-氧化剂配比而变化， 主要是由于温度随混合比的变化所引起。对碳氢化 合物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中， 火焰传播速度达到最大。
一般认为火焰温度最高的混合物火焰速度也最大， 在很贫或者很富的燃气中，由于燃料或者氧化剂太 少，反应生成热太少，而实际燃烧设备不可能绝热， 固难以维持火焰传播必需的热量积累，火焰在其中 不能传播。 火焰传播有浓度的上下限
变化
假设燃气中没有氧气或者燃料，可以得出氧气和燃料的平均质量 分数分别为：
w f 0.5( w f ,u 0) 0.06015* 0.5 0.0301 wo2 0.5[0.2331* (1 w f ,u ) 0] 0.1095
其中0.2331为空气中氧的质量分数，化学恰当比的丙烷-空气混合 物空燃比A/F=15.625 而化学反应速率为：
Tu 350K ; Tu , ref 298K ; Pref 1atm S L, ref BM B2 ( M )
2
指数γ、β为当量比ф的函数，表示为： γ= 2.18-0.8（ ф -1） β= -0.16+0.22（ ф -1）
惰性物质或添加剂的影响：
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讲解
火焰稳定的基本原理
• 要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前 流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这 两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就 静止在某一位置上。
• 当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流动 速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内 传播，造成回火。
• 若流速过高，则会造成吹灭。
0
• 介质的连续性方程
0u0 xux
• 未反应区方程
d dx
(
dT dx
)
cP 0u0
dT dx
dT x : dx 0,T T0 x 0 :T TB
• 进行一次积分可得
( dT
dx
)
cP 0u0 (T
T0 )
• 再次进行积分求解可得
0u0cp x
影响火焰正常传播速度的主要因素 -燃料化学结构的影响
对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大 火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子 数n无关；
对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃 还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其 层流火焰速度却较大。
差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩 散性和燃料分子量有关。
cos
dr
uH
(dr)2 (dz)2 w
dz w2 uH 2
dr
uH
w 2
uH
1 dz w dr uHΒιβλιοθήκη • 火焰形状z
1 uH
w0
wR R r
w0 3
R
r3 R2
•火炬着火区长度计算公式
火焰传播与稳定理论打印版讲解
扩散火焰：将气体燃料和空气分别由喷燃器送入炉 膛内进行燃烧。
火焰的形状和表面积大小不再取决于火焰传播的速 度，而是取决于气体燃料和空气之间的混合速度。
在层流下，依靠分子热运动的分子扩散进行混合 在湍流下，依靠微团扰动的湍流扩散
部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧
• 扩散形式的火焰可以在气体燃料和部分空 气均匀混合后由喷燃器送入炉膛内，支持 能够完全燃烧的部分空气从火焰的外界依 靠扩散来供给燃烧而形成的火焰。
反应区：d
dx
(
dT dx
)
wq
0
( dT dx
)
b
2 Tr wqdT
Tb
uH
2 Tr wqdT Tb
02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
uH
2 Tr wqdT T0
02c2p (Tr T0 )2
• 2种燃料性质相差不大的混气互相混合时。。。 • 若添加剂能改变扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。
火焰传播界限
对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。 可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值
称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。 接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.03~0.08m/s。
w
k0cne
E RT
uH
2n! Bn1
ws 0 q 0cp (Tr T0 )
(T0 Tr
)n
exp[
E R
(1 Tr
1 )] T0
wS 0
w0
Tr T0
火焰的形状和表面积大小不再取决于火焰传播的速 度，而是取决于气体燃料和空气之间的混合速度。
在层流下，依靠分子热运动的分子扩散进行混合 在湍流下，依靠微团扰动的湍流扩散
部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧
• 扩散形式的火焰可以在气体燃料和部分空 气均匀混合后由喷燃器送入炉膛内，支持 能够完全燃烧的部分空气从火焰的外界依 靠扩散来供给燃烧而形成的火焰。
反应区：d
dx
(
dT dx
)
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( dT dx
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b
2 Tr wqdT
Tb
uH
2 Tr wqdT Tb
02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
uH
2 Tr wqdT T0
02c2p (Tr T0 )2
• 2种燃料性质相差不大的混气互相混合时。。。 • 若添加剂能改变扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。
火焰传播界限
对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。 可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值
称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。 接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.03~0.08m/s。
w
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1 )] T0
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w0
Tr T0
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
火焰稳定
燃烧速度主要取决于煤气和空气的混合速度，火焰较
长，并有鲜明的轮廓，属于扩散燃烧
2009-5-17
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26
and Technology
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6
and Technology
1
锥形火焰稳定条件
余弦定律：
SL = wn = w cosϕ
切向稳定条件：
有一个稳定的点火源。
锥形火焰稳定条件：1、余弦定律；2、稳定的 点火源。
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7
and Technology
本生灯火焰的稳定
管内流动是速度大于火焰 传播速度Sl的充分发展层 流气流。有符合余弦定律 的第一条件。
锥形火焰的根部存在一个 环形平面火焰锋，其起到 固定点火源作用。
2009-5-17
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2009-5-17
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14
and Technology
2009-5-17
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影响钝体火焰稳定范围的因素
钝体形状与心尺寸 预混合气的流速、温度、
提高预混合可燃气流的速度，则点火环区域会缩 小，整个区域将向气流的下游方向移动，并随气流 速度增大，最后缩成一点。该点为火焰被吹熄的临 界工况，若再增大流速，则火焰被气流带走而熄灭。
燃烧理论6火焰传播与稳定
6.56
2.7
34
甲烷 CH4 17.23 9.56
9.5
5
15
苯 C6H6 13.3 35.85
2.73
1.4
7.1
丙烯 C3H6 14.8 21.5
4.47
2
11
着火极限时
过量空气系数
下限
上限
αL
αH
最大层流火 相当于uLmax 焰传播速度 时的燃料浓
uLmax
度%
(cm/s) (按容积计)
10.1
爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压 缩（冲击波的绝热压缩）作用使未燃混合气的温度 升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气 推进，传播速度大于1000m/s，大于声速。如爆炸、 压燃式内燃机的火焰传播。
2023/6/11
3
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4
➢缓燃波与爆震波的参数差异
参数
波前马赫数u1/c1 爆震波前后u2/u1 爆震波前后压力p2/p1 爆震波前后温度T2/T1
0.14
315
42.2
3.57
0.018
170
8.9
2.51
0.135
68.3
7.4
1.98
0.59
33.8
9.96
1.96
0.36
40.7
3.34
2.28
0.37
43.8
5.04
理论燃烧温度的提高对火焰传播速 度的影响主要是由于促进了火焰中化 学反应的进程所致。 几种可燃混合气的最大火焰传播速度 与理论燃烧温度之间的关系曲线。
同时实验还证明，随着燃料分子量
的增加，火焰传播速度（可燃极限）
范围有越来越小的趋势。如前表所 最大层流火焰传播速度与燃料分
第六章 预混层流火焰
第六章 层流预混火焰传播§6-1 火焰速度和火焰结构一维层流火焰在预混燃料-氧化剂混合物中传播是最简单的燃烧现象之一，在此火焰中，化学动力学以及能量和组分扩散输运起重要作用。
通过守恒方程和状态方程可以导出Rankine-Hugoniot 曲线。
该曲线把在一维层流预混火焰中未燃气和已燃气状态联系起来。
已燃气体位于Rankine-Hugoniot 曲线下分支（缓燃），并相应于未燃气体状态Rayleigh 线与具有适当反应热的Rankine-Hugoniot 曲线交点L ，如图6.1-6.2中所示。
图6.1 层流预混火焰坐标系图6.2 一维燃烧波的Rankine-Hugoniot 曲线和Rayleigh 线Rayleigh 线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度，即层流火焰速度有关。
22)()/(/u u u A mdv dP ρ−=−=& ==)(u u S u 层流火焰速度=)/()/1(dv dP u ρ−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。
虽然守恒方程和状态方程提供了缓燃的未燃气体和已燃状态之间的关系，但不能唯一确定层流火焰速度u S 。
为了确定u S ，必须将守恒方程通过缓燃波积分。
由于在第5章中推导的方程是非线性耦合微分方程，其准确解只有通过数值积分才能获得。
它需要很大的计算资源。
为了考察层流火焰的某些特征（如火焰速度和厚度）以及这些特征与燃烧参数如燃料类型、化学配比、压力及未燃气体的温度的关系，对方程组进行了简化，以便能分析求解。
要得到简化的模型，需要引入一系列的假设。
我们从考察参考系建立在火焰上的层流火焰结构的某些方面入手。
如前所述，这些计算是针对等压过程进行的。
但是对一维缓燃的Rankine-Hugoniot 曲线，如图6.2所示，已燃气的压力小于未燃气的压力。
现在我们需要考察压力减少的数值是否小到可以忽略的程度。
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
第六部分预混可燃气的火焰
Q0W0dT
右图是释热速度与温度的关系，可见：
Ti
T0
Q0W0
dT
Tf Ti
Q0W0 dT
因此可以认为：
Tf
Ti
Q0W0 dT
Tf T0
Q0W0 dT
Q0W0
平均 T f
T0
U
1
cp Ti
T0
2 Q0W0 平均 Tf T0
2019/5/24
3、火焰前锋很薄，但是理论分析时不能忽略。锋面内温度、浓度梯度很大， 存在自然对流、强制对流、导热等热量交换形式以及流动、扩散等质量交 换形式。存在强烈光辐射，可以根据发光区判断反应区位置。
2019/5/24
河北工业大学能源与环境学院
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一维层流平面火焰锋面内能量方程的建立
对于火焰锋面内厚度为
Δx的微元，温度T沿可燃物
如图，设火焰前锋某点法向速度为Up，该 点可燃物流速为w，则火焰传播速度为：
U=Up+w
1、静止气流中，w=0，U=Up，即 火焰传播速度等于锋面法向速度；
2、当火焰锋面静止时，Up=0， 火焰传播速度等于气流速度；
3、对于理想化一维平面火焰， 火焰锋面速度处处相等。
2019/5/24
河北工业大学能源与环境学院
猝熄效应：由于管壁的散热，火焰在壁面附近受到冷却，温度降低 而熄灭，即在管壁附近不存在火焰。从管壁开始，无火焰存在的那 段径向距离称为猝熄距离。
火焰锋面的厚度一般在0.01~1mm之间，相对与系统的 特性尺寸来说很小，因此理论分析时将之看作平面。
2019/5/24
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4
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。
第五章 火焰传播和火焰稳定性
火焰结构及其特征
u0=uLT 0 m,Cf,0 Cf,0
火焰前锋驻定
up,Tm p
p
Ti
c
Tm
Cf0→0 T0
w -x i +x
火 焰 结 构 及 参 数 分 布 示 意 图
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。
•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
dT d dT 0u L C p dx dx dx dT 边界条件：x , T T0 , dx 0 x p , T Ti
积分后：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
t Q A
获得热焓量 Qh uL A0CP (Tm T 0) 火焰传播速度
uL a W
Q mCp t
a
0C P
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：uL,ref BM B2 ( M )
燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
dT d dT 0u L C p WQ dx dx dx
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
dT x , T T0 , 0 dx dT x , T Tm , 0 dx
层流火焰传播速度uL表达式（1）
则求得传播速度为：
燃烧理论基础-层流预混火焰
7.10
对稳定流动 mi mi i=1,2,......,N
1 d
r2 dr
r2mi mi
i 1, 2,......, N
球坐标
二维轴对称坐标
1 r
r
r
vrYA
1 r
x
r
vxYA
1 r
r
r
AB
YA r
mA
(3) 多组分扩散（不讲）
在对燃烧系统的建模和学习理解中，尤其是对层 流预混和非预混火焰结构的研究中，不能用二元混 合物来做简化。在这种情况下，组分的输运公式必 须同时考虑众多且性质差别很大的组分。例如，我 们可以推断，大燃料分子的扩散速度要小于氢原子 的扩散速度。
另外，火焰中典型的大温度梯度，形成了浓度梯 度之外另一个推动传质过程的作用力。这种作用 被称为热扩散或者Soret效应，它使得较轻的分子 从低温处扩散到高温处，相对的，令较重的分子 从高温处扩散到低温处。
多组分扩散的通用性方程
mi,diff mi,diff , mi,diff ,T mi,diff ,P mi,diff , f
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43
能量守恒
Shvab-Zeldovich能量方程
7.63
mc p
dT dx
d dx
( Dcp )
dT dx
h0f ,imi
单位体积内对 流（平流）引 起的显焓变化 速率
单位体积内扩 散引起的显焓 变化速率
单位体积内化 学反应引起的 显焓变化速率
比较
组分A质量守恒
m A
d dx
混合气轴向速度与水平坐标的关系
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14
求解 SL vu sin 8.2
第六章火焰传播与火焰稳定
f 2 (r / x)
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
二、射流的吸卷及吸卷量的计算
射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性， 与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射 流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷 或引射。 任意截面及出口截面上射流的质量流量为：
m
x
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
预混火焰
一次空气不足时，出现内外两个火焰锥面；
二次空气
内、外锥的高度：
H
in
a 2 A0 q 0
H
一次空气
out
a 3 a 4 A0 q 0 d0
第四节 预混火焰结构
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
预混火焰的特点
放热强度大，火焰温度高 燃烧室长度短 可实现无焰燃烧 容易回火
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
引射式大气燃烧器的设计计算
引射器的划分： 根据气体燃料的喷射压力：
＜2×104 Pa
＞2×104 Pa
低压引射器(计算时可不考虑压缩性）
高（中）压引射器
根据吸气管内的压力：
＝ P0 ＜P0 常压吸气引射器（第二类引射器） 负压吸气引射器（第一类引射器）
第五节 引射式大气燃烧器
125mm长径比12锥角90120圆锥形进口面积与出口面积之比一般为46一次空气的进风面积一般为燃烧器火孔总面积的125225倍吸入风速不超过15ms使燃料与空气进行充分的混合并使混合气体在其出口处达到速度温度和浓度的均匀分布
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。
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当氧化剂中氧的摩 尔浓度增加时，火焰速 度增加，随着氧化剂中 氧的摩尔分数增加，反 应速率随之增大
物理参数的影响：
(1)压力的影响 n RR k ( u wu ) exp( E / RT ) p / RT S L [2 a w f ,u u RR]1/ 2
预热区：
不考虑化学反应影响，RR=0，则能量方程变为：
u uu c p (dT / dx) d (dT / dx) / dx 0 (dT / dx) xi u uu c p (T i Tu )
气体冷边界条件为：T=Tu以及dT/dx=0
( 6 4)
c p 常数 c p , 对方程 (6 4)由冷边界到 xi 积分得到 : (6 5)
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
一
层流火焰传播的热理论内容
层流火焰传播的热理论内容
（1）假设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） （2）假定火焰前锋为平面形状，并且与管轴线垂直 （3）若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 （4）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，在化学反应区内忽略混气 本身焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相同） 分区思想 （5）火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传 导
变化
假设燃气中没有氧气或者燃料，可以得出氧气和燃料的平均质量 分数分别为：
w f 0.5( w f ,u 0) 0.06015* 0.5 0.0301 wo2 0.5[0.2331* (1 w f ,u ) 0] 0.1095
其中0.2331为空气中氧的质量分数，化学恰当比的丙烷-空气混合 物空燃比A/F=15.625 而化学反应速率为：
一般可以忽略通过火焰的压力降
层流火焰特点
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 层流火焰的传播速度很低，通常在1m/s以下
6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播机理的三种理论：
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；
由于反应物与产物的分子量近似相等，预期穿过火焰的压力降与 温度降相比很小，因此
2 P u uu [(Tb / Tu ) 1]
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 1540cm/s范围内，Tb/Tu的典型值在5-7范围内，ρu的典型值为1×103g/cm3。故ΔP典型值为： ΔP=0.1~1N/m2
RR
d [C3 H 8 ] k [C3 H 8 ]0.1[O2 ]1.65 dt 1.75 w f 0.1 wO2 k (T ) [ ] [ ]1.65 M r , F M r,F M r ,O2
15098 kmol 0.75 1 k 4.836 *10 exp( )( 3 ) T s m 15098 9 5 kmol 0.75 1 4.836 *10 exp( ) 9.55 *10 ( 3 ) 1770 s m P 101325 0.1997kg / m 3 ( Ru / M r )T (8135/ 29) *1770
化学反应进行很快，燃烧的快慢取决于混合扩散速
度，与化学反应速度关系不大 动力燃烧（预混） τm<< τr; τ≈ τr
混合过程进行很快，燃烧的快慢取决于化学反应速度
（或化学动力因素） ，而与扩散过程关系不大 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
二 火焰传播速度（即移动速度，只有预混气才有此概念）
u S u c p (Ti Tu ) [2H R RRdT]1/ 2
Ti
b
(6 7 )
求解该方程，得出层流 火焰传播速度 S u 1 Su { [ ][ u c p u c p (Ti Tu ) Ti Tu 令
2H R
Tb
Ti
RRdT]}1/ 2
燃烧学
6-层流预混火焰传播与稳 定
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
燃烧燃料所需要的时间τ= τm+ τr τm燃料与空气混合时间； τr燃料反应时间 扩散燃烧（非预混） τm>> τr; τ≈ τm
计算层流火焰速度的关键就是计算平均热扩散系数与平均化学反 应速率。而简化理论中，假设化学反应发生在火焰厚度的后半部 分（δ/2<x< δ ），因此选择该反应区的平均温度来计算化学反 应速率：
1 1 T [ (Tb Tu ) Tb ] 1770K 2 2
在计算中假设未燃物温度Tu=300K，反应区燃烧产物温度Tb与绝 热火焰温度相同，为2260K，同时假设温度在火焰内随x轴呈线性
可见火焰速度SL受到扩散输运和化学动力学的影响。层流火焰传 播速度与导热系数以及反应速率的平方根成正比。即SL是可燃混 气的物理化学常数
例6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷-空气 混合物的层流火焰速度 解：由简化的预混层流火焰理论可知：
S L [2
a w f ,u u
RR]1/ 2
1 上式中， Ti Tu
Ti
RRdT]可以看做是反应区中平 均反应速率 RR
由火焰前后总的能量平衡关系，得到：
f (H R ) m c p (Tb Tu ) m
u w f ,u (H R ) u c p (Tb Tu )
或 - H R / u c p (Tb Tu ) (1 / w f ,u u ) 代入 (6 8a )得到： S L [2 a w f ,u u RR]1/ 2 (6 8b)
a 热扩散系数 , 假设当 T Ti , RR 0 c p
1 u c p (Ti Tu ) Ti Tu ][
Tb
对于典型的碳氢燃料的 总的活化能数值大于 40kcal / mol, 则 S u {a[ 2H R
Tb
Ti
RRdT]}1/ 2 （ 6 - 8a）
i
到x (T Tb ; dT / dx 0)积分得到
(dT / dx) x
i
2H R RRdT Ti
Tb
1/ 2
（ 6-6 ）
方程(6-6)的物理意义为：在反应区流出的，经热传导进
入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量
令在x=xi处，来自方程(6-5)和(6-6)的热通量相等，于 是 T
（2）混气性质的影响 导温系数增加，活化能减少或者火焰温度增加时， 火焰传播速度增大。 氧浓度增加，火焰传播速度增大
层流火焰传播速度计算公式 Metghalchi和Keck通过实验决定了各种燃料-空 气混合物在内燃机和燃气轮机中典型的温度和压力 下的层流火焰传播速度，公式如下：
S L S L, ref (Tu / Tu ,ref ) ( P / Pref ) 其中
Qk ( w ) n exp( E / RT ) u u SL 2 2 c ( T T ) u p m 0
P u (u / x)x u uu u u uu (ub uu )
2 2 P u uu [(ub / uu ) 1] u uu [( u / b ) 1]由Fra bibliotek想气体状态方程
( u / b ) ( Pu / Pb )( Rb / Ru )(Tb / Tu ) (Tb / Tu )
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，具有一定厚度，存在 参数变化梯度）；
火焰传播速度：火焰前锋沿法线向新鲜混气 传播的速度（相对速度，即相对于未燃混气 的速度）；
方向：从已燃气指向未燃气
u p wp u p
三 火焰传播类型：层流、湍流和爆震
四 火焰结构
（1）通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01-0.1mm左右 的狭窄区域； （2）此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧的变化 （浓度与温度梯度极大）
T (Tu Tb ) / 2
故
0.0809 a 5.89 * 105 m 2 / s 1.16 * 1186
代入公式，即可求得层流火焰温度SL
6.3 影响层流火焰传播速度的因素
决定层流火焰传播速度的主要因素为混气的 化学反应速率和热扩散系数
影响化学反应速率和热扩散系数的物理 化学参数影响层流火焰传播速度
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
对于稳态的一维燃烧波，质量守恒方程变为： d(ρu)/dx=0 ρu=常数 忽略粘性影响和体积力（浮力、重力），动量方程可以写作： dP/dx+ ρu(du/dx)=0
联立质量守恒方程与动量方程，估算通过火焰的压力降：
二 层流火焰传播速度un的确定（运用热理论）
一维带化学反应的定常层流流动的基本方程为：
连续方程 动量方程 能量方程 v u vu b vb m p 常数 dT d dT 0 vn c p ( ) RR( DH R ) dx dx dx
传导的热流-对流 项
方程(6-5)的物理意义为：来自已燃气体的导热通量对预 热区未燃气体混合物进行“预热”，将其温度从Tu提高