第8章 火焰的稳定理论

w Z v 1 n Ea / RT f ( ) (21) p De
α—未燃混合气组成。
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8.8 高速气流中其他火焰稳定方法
逆向喷流（反吹射流）稳定火焰 利用气流的旋转（旋转射流）稳定火焰 利用燃烧室凹槽稳定火焰 利用带孔圆筒稳定火焰 利用流线型物体稳定火焰 利用激波稳定火焰
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燃着火，由局部火焰就会向下游及周围的未燃混 合气传播，因而产生稳定的火焰。 根据此观点，火焰的稳定取决于回流区中高温燃 气传给邻近回流区边界的未燃混合气中去的热 量。 使未燃混合气着火所需的时间为τc，决定于着火 延迟时间，它包括混合所需时间τmix和着火诱 导的感应期τi，即：
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由前面的分析可知，气流速度处于所对应的临界 回火和临界吹熄情况之间的，火焰将会稳定地 悬浮在喷燃器管口边缘上方某一距离处，该距 离将取决于气流速度的大小。 根据前面图所示的模型，刘易斯等提出了边界层 速度梯度相等的火焰稳定理论。要使火焰稳定 得以实现，气流速度和燃烧速度在该点处的梯 度必须相等。如果w和uH都是线性变化，则同 时满足了uH=w的条件。对于层流火焰，速度分 布规律为：
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燃烧与污染控制
COMBUSTION & POLLUTION CONTROL
第8章 火焰的稳定理论
能源与机械工程学院 School of Energy & Mechanical Engineering 蔡 杰
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A0 w Vw
(5)
显然当上述两速度相等时就处于临界吹熄工况， 此时气流速度就应为极限吹熄速度，即：
Vw wb A0
(6)
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因化学反应速率为：
w
则
S c (T f T0 )
2 0 2 L 2
2kQ
2 L 2
(7)
wB
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①对气流来说，靠近壁面的速度w→0；
②由于管壁向外大量散热，其温度较低； ③在管壁附近很多活化分子被中断，使链反应变 慢。 这些都导致uH的降低，因此在火焰根部总是可以 找到某一圆环，保证条件uH=w实现。 试验研究发现，在湍流工况下的动力火焰稳定性 较差。这是因为湍流运动的速度场在轴心分布 较平坦，但其在管壁处速度梯度则比层流的高 的多，因此使得形成uH=w的火焰根部圆环面积 变小，再加上气流不断的脉动，就导致湍流动 力火焰较难稳定。
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i c (15)
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由着火理论可知，
或
i pv1e E / RT C (16)
a
e Ea / RT C i pv 1
(17)
回流区长度Lre与稳定器直径D有下列关系：
Lre D
则由上式可得：
n Ea / RT
0 S c (T f T0 ) V
2kQ A
2 L
(8)
wB d pS
(9)
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8.6 火焰稳定理论
8.6.1 基于“回流区点燃模型”的火焰稳 定理论
假设：钝体的回流区是一充满着几乎完全燃烧的、 高温的和成分均一的已燃气体区域。在回流区 与主气流（未燃混合气）之间有一很薄的边界 层，未燃混合气与高温燃气在其中进行混合。 回流区中高温燃气通过湍流扩散作用不断地渗 入沿回流区外缘流动的一小股未燃混合气中， 与其混合并将其加热。当未燃混合气在“走” 完回流区长度之前，已经获得足够多的热量， 使其温度达到着火温度而着火，从而形成局部 火焰。若已有足够数量的未燃混合气被点
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火焰顶部的形状
试验发现，火焰顶部也不成尖锥形，而一般形成 一个圆角。这可以用和上面同样的道理解释。
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c mix i (10)
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此外，未燃混合气在回流区外缘与燃气相接触直 到点燃为止的接触时间为： 或
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k l / wl (11)
k Lre / wl (12)
wl—邻近回流区的未燃混合气沿回流区边界的流 速； l—着火点离稳定器的距离； Lre—回流区的长度。 如果使未燃混合气着火所需的时间τc小于未燃混 合气与高温已燃气体相接触的时间τk，则可就 保证未燃混合气不断被点燃从而获得稳定的火 焰。
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可见在A、B、D、C、A范围内存在着燃烧速度大于可 燃混合物运动速度的条件，即存在使火焰往A点运 动的条件。即便由于某种原因使得气流速度瞬间 大于uH时，火焰前沿便被带回ABDCA范围内，但瞬 时过后，又有uH>w，使得火焰前沿又回复到A点。 故可将A点看成不动的点火源，A点的位置与流体 动力及可燃混合物特性等条件有关。
(1)
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从下图可知，此时气流可分为两个分速，一个垂 直与火焰锥的wn，其大小刚好等于wH，另一个 为平行于火焰锥的ws，这个分速不断地将前沿 带离喷嘴。故着火后经过τ1瞬间，火焰前沿被 ws带至下图(b)的位置；经过τ2瞬间，只有在火 焰锥顶存在少许火焰前沿，因此火焰会最终被 吹走而熄灭。 由此分析可知，对于稳定燃烧的火焰根部不会是 正锥形。由试验研究发现，在火焰根部出现一 圈w=uH的点火环，在点火环内φ角等于零，这 才能保证uH=wcos φ=wn=w；ws=wsinφ=0。出 现点火环的主要原因：
qV—流出喷嘴的体积流量，m3/s； R—喷嘴直径，m。
(4)
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8.4 高速wk.baidu.com流中利用引燃火焰（小型点 火火焰）稳定火焰
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机理：把炽热气流射入高速的、冷的未燃混合气中， 在两股气流的边界处进行强烈的热质交换，使冷 的未燃混合气温度提高，反应速率加快，达到着 火、燃烧，从而保证主气流火焰稳定。 方法：在流速较高的预混可燃主气流附近放置一个 流速较低的稳定的小型引燃火焰。
因此，为保证在管道中可燃混合气的连续不断燃 烧，就要求火焰前锋稳定在某一位置上不动， 以便不断点燃新鲜混合气。这就是“火焰稳 定”。
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燃烧过程中的一个重要课题是研究火焰的稳定性 及其稳定方法。因为对一个工业燃烧装置来说， 保证稳定、安全燃烧是极其重要的。要求一旦 着火后，在不同的工作条件下使火焰能维持稳 定的传播。或者说，能使燃烧稳定地继续下去 而不熄灭。就要求不仅懂得在什么条件下能保 证火焰的稳定，而且还要知道防止火焰不稳定 的方法。
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由此可见，产生熄火的极限时刻就应是上述两者 时间相等的情况，即：
k c (13)
或
Lre i mix wl
(14)
根据实验结果，可以认为在着火延迟时间中，混 合时间τmix比τi要短得多，因而可以可以将其忽 略，即
n
(18)
D e C w pv 1
(19)
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或
w const (20) v 1 n Ea / RT p De
上式等号左边称为极限综合量。 在不同的混合气组成下，产生熄火的极限综 合量可有不同的值。因此，熄火极限条件 就可以写成：
用反吹射流稳定火焰
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8.1 火焰稳定存在的基本条件
当 SL w 火焰进入到燃烧器管内或进出口中进
行传播而不发生淬熄时，就发生了“回火”。
反之，若 SL w
，则火焰前锋位置就会向着 新鲜混合气的下游移动而被气流吹走。这种情 况称为“脱火”，俗称“吹熄”。
r w w0 (1 2 ) R
2
(2)
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此时，为了使火焰稳定在喷嘴口且不至于产生回 火的条件为：
duH dw ( )r R ( )r R dr dr
对式（2）进行微分得：
(3)
4qV duH dw ( )r R ( )r R dr dr R3
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设流过截面积为A的可燃混合气射流的质量流量 为 A0 w ，若 w 是射流容积为V的某种平均化 学反应速率，则可燃混合气体由于化学反应而 消耗的速度将是 wV 。如果气流速度大于这 一反应消耗速度就将产生吹熄现象。因此，为 了维持火焰的稳定就必须
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火焰的回火与脱火的临界条件
uH近似与温度平方成正比，此时在壁面处uH<w； 可燃物喷离喷嘴，散热损失减少，在Ⅲ截面上出 现点A，在该点uH=w； 由于散热进一步减少，uH继续提高，在截面上存 在uH≥w，即在Ⅳ截面上有两个uH=w的交点； 燃烧出现大量介质，反应物浓度下降，且周围空 气冲淡作用增强，在Ⅴ截面上又出现一个交点 uH=w ； 在Ⅵ截面上不再有交点。
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8.2 本生灯的火焰稳定
火焰由喷嘴喷出后，火焰锥的形状不可能是正锥形 的，否则火焰就难以稳定在炉内某一位置。其理 由如下：假设火焰是正锥形，那么火焰锥中法向 正常传播速度和气流速度之间的关系为：
uT w cos wn
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本章内容
8.1 火焰稳定存在的基本条件 8.2 本生灯火焰的稳定 8.3 高速气流中火焰的稳定 8.4 高速气流中利用引燃火焰稳定火焰 8.5 高速气流中利用钝体稳定火焰 8.6 火焰稳定理论 8.7 钝体火焰稳定器的稳定极限 8.8 高速气流中稳定火焰的其他方法