第六章层流预混火焰传播
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根据分区近似解法，求Un：
把火焰分成预热区和反应区。在预热区 中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略 能量方程中温度的一阶导数项。
根据假设，在预热区中的能量方程为:
(2-29)
预热区：
在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：
u u u c p ( d /d T ) d x (d /d T ) /d x 0 x （6-4）
反应区：
在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量
小，因而可以忽略对流项，能量方程（6-2）变成：
d (d T /d x ) /d x R R ( H R )
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
p r
预热区 反应区
层流火焰传播的热理论内容
➢ 设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） ➢ 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 ➢ 如果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。 ➢ 将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热
对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：
d(u)/d x0 u常数
忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：
d/d P x u ( d/d u ) x 0
应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，
P u ( u / x ) x u u u u u u u ( u b u u ) P u u u 2 ( u b /u u ) 1 u u u 2 (u/b ) 1
由理想气体状态方程，
u /b ( P u / P b ) R b / ( R u ) T b / T ( u ) ~ ( T b / T u )
由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的 压力降与温度增加相比是很小的，因此
P u u u 2 ( T b /T u ) 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 15-40cm/s范围内。Tb /Tu 的典型值在5-7范围内，u的典型值等于 1103g/cm3。因此 P 的典型值为：
四、火焰结构
• 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1 毫米左右的狭窄区域
• 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。
层流预混火焰坐标系
一维层流火焰结构
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
第六章层流预混火焰传播
第六章 层流预混火焰 传播与稳定
提 纲:
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（D扩烧i非f散f燃u预燃s料混i烧o所n～:需～）的时化扩m 间学散反速 应度r，进m 行而很与rm快化燃，学燃料燃反烧与反烧应空应气的速时混快度间合慢关时τ主系r间要不τ取大m（（决。ττ 于cp）hh）混合
区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身 热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相 等）——分区思想。 ➢ 火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。
二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）
Leabharlann Baidu
对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：
连续方程
v 0 v 00 u n m
P 0 .1 ~ 1 N /m 2 ( 1 0 6 ~ 1 0 5 a t m )
因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。
层流火焰特点
绝对速度 气流速度
upw p un
相对速度
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
层流火焰传播速度很低，u n通常在1m/s以下
动力燃烧:
（预混～） Premixed ～
mr r
混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化 学反应速度（或化学动力因素），而与混合 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）
n
未燃气
已燃气 d n
t t + d t
假设 cp 常数 cp，对方程（6-4）从冷边界到xi积分得：
(d/d T )x x iu u u c p ( T i T u )
（6-5）
气体冷边界条件: T Tu以及 d/Td x0
方程（6-5）的物理解释是：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提高到Ti。
动量方程
p常数
能量方程
d Td d T 0 v n C p d xd x (d x ) R R ( H R )（6.2）
混气本身热焓的变 化——对流项
传导的热流 ——扩散项
化学反应生热量
方程(6-2)中的边界条件如下：
x(未燃气体T ） Tu, dT /d x0 x(平衡时已T 燃 Tb, 气 dT /体 d x0）
Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层 流火焰速度）有关。
d / d P ( m v / A ) 2 ( u u u ) 2
uu(Su)层流火焰速度= (1/u) (dP /d)v
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。
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， 厚度及参数变化梯度）。
火焰传播速度：火焰前锋沿法线
方向朝新鲜混气传播的速度（有
相对速度的含义，是相对于未燃
混气的速度）。ul
SL
Su
dn dt
方向：总是从已燃气指向未燃气。
u pw pun (矢量形式)
三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。
提 纲:
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
§6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播的机理有三种理论：
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
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
把火焰分成预热区和反应区。在预热区 中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略 能量方程中温度的一阶导数项。
根据假设，在预热区中的能量方程为:
(2-29)
预热区：
在预热区，假设RR=0，能量方程（6-2）变成：
u u u c p ( d /d T ) d x (d /d T ) /d x 0 x （6-4）
反应区：
在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量
小，因而可以忽略对流项，能量方程（6-2）变成：
d (d T /d x ) /d x R R ( H R )
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
p r
预热区 反应区
层流火焰传播的热理论内容
➢ 设火焰前锋在一绝热管内以速度un传播（一维） ➢ 假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直 ➢ 如果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。 ➢ 将火焰前锋分为两个区域——预热区和反应区。在预热
对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：
d(u)/d x0 u常数
忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：
d/d P x u ( d/d u ) x 0
应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，
P u ( u / x ) x u u u u u u u ( u b u u ) P u u u 2 ( u b /u u ) 1 u u u 2 (u/b ) 1
由理想气体状态方程，
u /b ( P u / P b ) R b / ( R u ) T b / T ( u ) ~ ( T b / T u )
由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的 压力降与温度增加相比是很小的，因此
P u u u 2 ( T b /T u ) 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 15-40cm/s范围内。Tb /Tu 的典型值在5-7范围内，u的典型值等于 1103g/cm3。因此 P 的典型值为：
四、火焰结构
• 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.01～0.1 毫米左右的狭窄区域
• 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化(极大的浓度和温度梯度)。
层流预混火焰坐标系
一维层流火焰结构
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
第六章层流预混火焰传播
第六章 层流预混火焰 传播与稳定
提 纲:
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（D扩烧i非f散f燃u预燃s料混i烧o所n～:需～）的时化扩m 间学散反速 应度r，进m 行而很与rm快化燃，学燃料燃反烧与反烧应空应气的速时混快度间合慢关时τ主系r间要不τ取大m（（决。ττ 于cp）hh）混合
区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身 热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相 等）——分区思想。 ➢ 火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜混气的热传导。
二、层流火焰传播速度Un的确定（运用热理论）
Leabharlann Baidu
对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：
连续方程
v 0 v 00 u n m
P 0 .1 ~ 1 N /m 2 ( 1 0 6 ~ 1 0 5 a t m )
因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。
层流火焰特点
绝对速度 气流速度
upw p un
相对速度
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
层流火焰传播速度很低，u n通常在1m/s以下
动力燃烧:
（预混～） Premixed ～
mr r
混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化 学反应速度（或化学动力因素），而与混合 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）
n
未燃气
已燃气 d n
t t + d t
假设 cp 常数 cp，对方程（6-4）从冷边界到xi积分得：
(d/d T )x x iu u u c p ( T i T u )
（6-5）
气体冷边界条件: T Tu以及 d/Td x0
方程（6-5）的物理解释是：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提高到Ti。
动量方程
p常数
能量方程
d Td d T 0 v n C p d xd x (d x ) R R ( H R )（6.2）
混气本身热焓的变 化——对流项
传导的热流 ——扩散项
化学反应生热量
方程(6-2)中的边界条件如下：
x(未燃气体T ） Tu, dT /d x0 x(平衡时已T 燃 Tb, 气 dT /体 d x0）
Rayleigh线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层 流火焰速度）有关。
d / d P ( m v / A ) 2 ( u u u ) 2
uu(Su)层流火焰速度= (1/u) (dP /d)v
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。
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， 厚度及参数变化梯度）。
火焰传播速度：火焰前锋沿法线
方向朝新鲜混气传播的速度（有
相对速度的含义，是相对于未燃
混气的速度）。ul
SL
Su
dn dt
方向：总是从已燃气指向未燃气。
u pw pun (矢量形式)
三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。
提 纲:
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
§6.2 一维层流预混火焰传播模型
层流火焰传播的机理有三种理论：
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
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