第4章 预混火焰

火焰的结构特点（球状火焰）
新鲜混气
法向
发光的火焰层，化学反应区 已燃区域和未燃区域之间形
火 焰 前 沿
成的分界线 火焰层的特征尺寸极薄，可 看成几何面 火焰的传播速度：火焰前锋 沿其法线方向相对于新鲜混 合气移动的速度
一维层流预混火焰
unburned
burned
典型的实验室预混火焰 – 本生灯
4.1 层流预混火焰（laminar premixed flames）
参考文献：徐通模等，《燃烧学》，第四章
预混火焰的概念
预混：燃料和氧化剂在燃烧之前充分混合 火焰：是一个以亚音速、自维持传播的局部燃烧区
域，亦称为“缓燃波”（deflagration），火焰传 播速度通常不超过 3 m/s 火焰前锋
能量守恒方程
dT d dT u S L c p dx dx dx
边界条件
WQ
物理意义？
dT x , T Tu , 0 dx dT x , T Tb , 0 dx
求解火焰速度的表达式
Zeldovich 分区近似解（热理论） 在预热区，反应速率近似为零
层流火焰速度的测量 – 平面火焰法
驻定火焰测量法
平面火焰
使用专门的火焰烧嘴
火焰传播速度等于气流速度 测量的结果准确
适用于火焰传播速度较低的
预混气体
惰性气体
整流网
预混气
层流火焰速度的测量 – 本生灯法
驻定火焰测量法

H L
缩口喷嘴也是为了保证出口混
气流速均匀一致 平均的层流火焰传播速度：
x
流速 火焰速度
近似为线性 当远离喷口时，火焰速度受 两个因素影响：温度和浓度 由此可见：回火与吹熄（脱 火）的临界条件应该与“喷 口边缘区域中的边界层内速 度梯度”相联系
3
D
2
B C u SL A
0 射流边界
1
“点火环（圈）”的原理
混合气流速变动，环形点火区的尺寸会发生变化 u↑，A↑，D↓，区域收缩、火焰上移
（ B）
u S L c p 2 T Ti Tu T WQ dT
b i
（C）
未知量
假设：（1）Ti 接近火焰温度 Tb
（2）预热区内化学反应忽略不计 则式（C）可以写成： u S L c p 2 Tb Tb Tu Tu WQ dT
从而得到火焰传播速度的表达式：
4V 8wcr du G0 3 d0 dr r r0 r0
.
5000
脱火区
边 界 速 度 梯 度 火焰稳定区
500
回火区
102
0.7 0.8 1.0 1.2
1.4
燃气相对浓度（1/α） 甲烷-空气混气火焰稳定特性
防止回火的办法（自己阅读）
基本原理
降低喷口处的火焰传播速度 提高混合气在喷口处的速度
《燃烧学》 第四章 预混火焰
机械学院 李君 2016年11月3日
所谓大学者，非谓 大楼之谓也，有大 师之谓也。
（1889-1962） 1931-1948，担任清华大学校 长
--梅贻琦
内容概要
4.1 层流预混火焰 4.2 火焰稳定性 4.3 湍流预混火焰 4.4 高速混合气流的火焰稳定
核心问题：预混火焰的基本特征、传播速度及其影 响因素；火焰稳定的概念和常用的方Байду номын сангаас（装置）
体积流量可以写为：V
.
2 urdr u0 r02 0 2 消去 u0，可以推导出：
4V du G0 3 d r r r r0 0
.
r0

火焰稳定的临界条件
脱火（吹熄）临界极限
G0
比较陡峭 富燃料混合气稳定燃烧 的工作范围较大 化学当量比附近，混合 气最容易回火 混合气浓度确定，固定 喷嘴，回火临界梯度是 一个常数（为什么？）
（A）
在反应区，对流换热与反应放热相比微不足道
d 2T 2 WQ 0 dx dT 0; x p , T Ti 边界条件： x , T Tb , dx
dT 2 Tb 积分后得到： WQ dT T i dx p
联立（A）和（B），得到：
层流火焰和湍流火焰的对比
层流火焰
火焰长度
长度较长
湍流火焰
长度较短
外观和火焰厚度 外观清晰，火焰层薄 外观模糊，火焰层厚
稳定性
噪声水平
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
湍流火焰的特点
湍流使火焰面变弯曲，
增大了反应面积 湍流加剧了热和活性 中心的输运速率，增 大了燃烧速率 湍流缩短了混合时间， 提高了燃烧速率
概述
稳燃的目的：火焰稳定是指火焰能稳定在需要的位
置，且在设备运行范围内不出现回火、吹熄等现象 高速气流稳燃的常用方法（措施）
钝体稳燃（bluff body） 旋流或射流诱导回流（swirl or jet-induced
recirculating flows） 流动面积突扩（rapid increase in flow area）
SL
1 W 令： Tb Tu
u c p Tb Tu
Tb Tu

2Q


Tb
Tu
W dT

W dT 为火焰锋面内的平均反应速率
1 SL u c p
2 QW Tb Tu
与其他表达式的比较
《燃烧学导论》中式（8.20）
2 ''' F S L 2 v 1 2 v 1 m u u c p 前文的推导得到


的湍流强度 火花点火发动机燃烧的计算区 域的一部分就处于此种模式 如图所示，燃烧区域由许多已 燃气团组成，几乎充满了已燃 气体 漩涡破碎模型的基本思路：燃 烧速率取决于未燃气团破碎成 更小为气团的速率 不是化学反应速率决定燃烧速 率，而是完全由湍流混合速率 控制燃烧过程
4.4 高速混合气流的火焰稳定
压力
SL T 0.375TuTb n /2 exp EA / 2Ru / Tb P n2/2
当量比
当量比→火焰温度→火焰速度
火焰传播速度最快对应火焰厚度最薄
燃料类型
火焰速度是火焰温度的函数 氢气的最大火焰速度比烃类燃料大很多，因为：
（1）H2 的热扩散率比烃类大很多 （2）H2 的质量扩散率比烃类大很多 （3）氢的反应速度快，而烃类燃烧影响反应速度的 主要因素是 CO→CO2
钝体稳燃
钝体：高速气流中放置的非流线型物体
圆形截面 稳定性差 V型截面 矩形截面 稳定性好
''' F m
1 SL u c p
''' F v 1 m
2 QW Tb Tu
kg/m3 /s
2 QW 2 u c p Tb Tu c p
QW Tb Tu c p
kJ/kg kg/m3 /s =kg/m3 /s K kJ/kg/K
影响层流火焰传播速度的因素
层 流 火 焰
湍 流 火 焰
一些具体应用
火花点火发动机 燃气轮机 工业气体燃烧器
四冲程内燃机示意图
Alstom® GT13E2 燃气轮机
湍流火焰速度的定义

三种火焰模式
三个尺度
K ，流体中最小的漩涡尺度 Kolmogorov 微尺度， 0 ，最大的漩涡尺度 积分尺度，
u↓ ，A↓ ，D↑，区域拉长、火焰下移
u 过大，点火热源区收缩为零，出现吹熄 u 过小，点火热源区进入喷嘴内，出现回火
回火和脱火的临界条件
对于管流，出口的流速分布满足
r2 u u0 1 2 r0 在边缘处的速度梯度为： 2u0 du r0 dr r r0
SL vu sin
此测法只是粗略的测法，认为
R
各处的火焰传播速度是相同的 实际火焰不是正锥，在喷口处 有一间隙没有火焰，且受到散 热的影响，因此本生灯法并没 有测得真正的火焰传播速度
vu
4.2 火焰稳定性（flame stability）
参考文献：徐通模，《燃烧学》，第四章
火焰稳定的含义
具体措施
减小喷嘴直径 冷却喷嘴头部 减小混合气的一次空气量 改进喷嘴结构和材料，减小向喷嘴内混合气传递热量
采用较高的喷嘴内压力
采用扩散燃烧
4.3 湍流预混火焰（turbulent premixed flames）
概述
湍流预混火焰在实际应用中具有重要地位，但是理
论描述仍然不确定 目前没有公认的、通用的的湍流预混火焰的理论 本章采用的方法：从经验的角度讨论具体的应用
L 层流火焰厚度，
火焰形态判据
褶皱层流火焰 L K 漩涡小火焰 0 L K
分布式模式
L 0
0 / L
两个无量纲数 K / L
丹姆克尔（Damkö hler）数

漩涡存在时间 脉动速度的均方根
' 0 SL 0 / vrms Da ' L / S L L vrms
化学特征时间
实例
弱湍流
反应火焰片
结论：火焰的状态取决 于流动特性和化学反应 之间的相互竞争结果！
漩涡小火焰
分布式
褶皱层流火焰（Wrinkled laminarflame regime）

分布反应模式（Distributed-reaction regime）
当积分尺度 0 / L 和 Da 都小
dT d dT u S L c p dx dx dx 边界条件： dT x , T Tu , 0 dx 物理意义？ x p , T Ti
积分后得到：
S L u c p Ti Tu dT dx p
预混气 燃烧产物
燃烧波以超音速传播称为“爆震波”
（detonation），火焰传播速度可以高于 1000 m/s
多个火焰中心
爆震波火焰前锋 电 点 火
层流和湍流预混火焰
层流或湍流：按照预混气的流
动状态判定 层流火焰：火焰面通过热传导 和分子扩散把热量和活性中心 提供给临近尚未燃烧的预混气 体薄层，使火焰传播下去 湍流火焰：火焰面的热量和活 性中心向未燃混合气输运是依 靠流体的涡团运动来激发和强 化，受流体运动状态支配
Bunsen burner
层流火焰传播理论
热力理论：火焰传播过程主要是由于反应区向预热
区的热量交换的传热过程
扩散理论：火焰传播过程取决于活性中心浓度的扩
散过程
实际中两种机制同时起作用
一维层流火焰的结构
cf,0
火焰传播方向
Ti
Tb
W（反应速率）
预热区 Tu
反应区
cf → 0
p

c
x
一维层流火焰的结构特点
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 — 传热和传质的双重作用结果！
一维层流火焰的数学描述
回火（flashback） 推举（liftoff），亦称“离焰” 吹熄（blow-off），亦称“脱火” 火焰稳定：即没有回火和吹熄
一维平面火焰

可燃混合物 燃烧产物
可燃混合物
燃烧产物
本生灯火焰

u 前锋
静区
速度分布
“点火环（圈）”的原理
靠近壁面火焰速度较低 靠近射流边界射流速度分布
于 1 时，火焰进入此模式 此种模式在设备中很难实现 ' ， 0 很小，同时 vrms 很大， 即流道小而流速大，在这样 的装置中压力损失很大，因 此很不现实 如图所示，其中所有的湍流 尺度都在反应区内
漩涡内小火焰模式（Flamelets-ineddies regime）
特征：有中等大小的 Da 和很高
温度 压力 当量比 燃料类型
温度
层流火焰速度与温度之间的近似关系
SL T 0.375TuTb n /2 exp EA / 2Ru / Tb P n2/2
T 0.5 Tu Tb ，可以看出，层流火焰速度对温 其中， 度有很强的依赖性 预热混合物是一种有效的提高火焰传播速度的方法