7-扩散火焰
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在整个火焰中，发生化学反应的区域通常来说是很 窄的，就像图9.4中看到的一样，在到达火焰顶部 以前，高温的反应区是一个环形的区域。
这个区域可以通过一个简单的实验显示出来，即在 本生灯的火焰前面垂直于轴线放置一个金属滤网， 在火焰区对应的地方滤网就会受热而发光，就可以 看到这种环形的结构。
2020/10/22
17
层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响
在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考 虑了。浮力的存在在加快气体流动的同时，也使火焰变窄 。
由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变
得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF / dr的增加，也
增强了扩散作用。
2020/10/22
在这种情况下，soot就会冲出火焰而形成碳黑的 “翼”，这部分从火焰中出来的碳黑就是我们通 常说的说的烟。
(a) α1 >1，当管 中混气为贫油时 的动力火焰。此 时混气中有足够 氧气，不需要从 外界获取氧气， 故火焰光滑，随 着α1增大，火焰 变长
(b)α1 =1，化 (c)α1 <1，富油燃烧， 学恰当比下 此时混气燃料多而 的动力火焰。 氧气少，故有剩余 此时温度高， 燃料。此时出现两 火焰传播速 个火焰锋面，内焰 度快，故火 大致相当于α1 =1的 焰高度最短 动力型火焰，外焰
燃烧学
7-扩散火焰
火焰分类 扩散火焰特点 层流扩散火焰 湍流扩散火焰
第一节 火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念 预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应
燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr
燃料与空气混合时间τm流动特征时间
燃烧反应时间τr
化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化 学动力因素)，与混合过程关系不大
过通风火焰 欠通风火焰 过通风火焰 过通风火焰
Peclet数 对流/扩散
2020/10/22
ຫໍສະໝຸດ Baidu
13
过通风火焰 氧化剂流量超过燃料燃烧 所需的化学恰当量（即总 的氧化剂过量）。火焰靠 近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值， （即燃料过量），火焰向 外壁蔓延
层流非预混火焰(特征一)：火焰表面定义
第三节 层流扩散火焰
射流火焰的物理描述 Burke-Schumann简化理论描述
2020/10/22
11
1. 射流火焰的物理描述
层流射流的燃烧与等温射流类似：燃料一边沿着轴向 流动一边快速向外扩散，同时氧化剂（如空气）迅速 向内扩散。
Burke and Schumann(1928)给出了非预混火焰最早理论分析。
18
层流非预混火焰(特征四)：碳烟Soot的产生
在碳氢化合物的燃烧火焰中，由于经常会有碳黑存 在，火焰就可能呈现为橙色或黄色。
2020/10/22
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如果有充分的时间
碳烟就会在反应区的燃料侧生成
并在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗
由于燃料和火焰停留时间的不同，在燃料侧形成 的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被 完全氧化
在这里需要注意的是，虽然燃料和氧化剂在火焰处都消耗了，
但是产物的组成成分只和Φ的取值有关，因此当量比仍然有
意义。产物在火焰表面形成后，就向着内外侧快速扩散。
对于富氧燃烧，周围存在着过量的氧化剂，火焰长度Lf可以
这样定义：
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层流非预混火焰(特征二)：火焰长度定义
(r 0, x Lf ) 1
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
本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环 境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制， 属于动力燃烧； （3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动 力-扩散燃烧。
燃料一边沿着轴向流 动一边快速向外扩散， 同时氧化剂（如空气） 迅速向内扩散。在流 场中，燃料和氧化剂 之比为化学当量比的 点就构成了火焰表面。
2020/10/22
过通风非预混火焰
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火焰表面定义
Flame surface eLqouciuvsaolefnpceoirnattsiow, he,reeqtuhaels unity.
强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺 混条件
第二节 扩散火焰特点
扩散火焰温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火， 而是始终“悬挂”在管口。
当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄（推举和吹熄）
推举：气流速度足够大时，射流火焰会被从管 口推举起来，火焰根部与管口距离为推举高度，增 大流速，推举高度增加，直至吹熄
Underventilated flame （欠通风火焰）
Burke-Schumann Flame (BSF)是一种受限的层流 气体非预混火焰！
术语：Confined Jet
2020/10/22
BSF实验台from Prof. J.Y. Chen UC Berkeley
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(1)Burke-Schumann非预混火焰的两种情况
面为剩余燃料经扩
散获得外界氧气燃
烧而形成，称为扩
散火焰，内焰温度 较高，外焰则较低
(d)α1 =0，管 中供应的为 纯油气。所 需氧气全部 从外界获得， 故为纯扩散 燃烧，火焰 最长
扩散火焰
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散形式实现
扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状 态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数 影响不大
这个区域可以通过一个简单的实验显示出来，即在 本生灯的火焰前面垂直于轴线放置一个金属滤网， 在火焰区对应的地方滤网就会受热而发光，就可以 看到这种环形的结构。
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层流非预混火焰(特征三)：浮力的影响
在垂直火焰的上部，由于气体较热，浮力的作用就不能不考 虑了。浮力的存在在加快气体流动的同时，也使火焰变窄 。
由质量守恒定律我们知道，当速度变大时，流体的流线将变
得彼此靠近。也就导致了燃料的浓度梯度dYF / dr的增加，也
增强了扩散作用。
2020/10/22
在这种情况下，soot就会冲出火焰而形成碳黑的 “翼”，这部分从火焰中出来的碳黑就是我们通 常说的说的烟。
(a) α1 >1，当管 中混气为贫油时 的动力火焰。此 时混气中有足够 氧气，不需要从 外界获取氧气， 故火焰光滑，随 着α1增大，火焰 变长
(b)α1 =1，化 (c)α1 <1，富油燃烧， 学恰当比下 此时混气燃料多而 的动力火焰。 氧气少，故有剩余 此时温度高， 燃料。此时出现两 火焰传播速 个火焰锋面，内焰 度快，故火 大致相当于α1 =1的 焰高度最短 动力型火焰，外焰
燃烧学
7-扩散火焰
火焰分类 扩散火焰特点 层流扩散火焰 湍流扩散火焰
第一节 火焰分类
一 扩散燃烧与预混燃烧概念 预混火焰 在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合，预 混射流（燃料与空气混合物）直接形成的火焰 扩散火焰 在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依 靠分子扩散和整体的对流运动（湍流扩散）使反应 物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应
燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr
燃料与空气混合时间τm流动特征时间
燃烧反应时间τr
化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化 学动力因素)，与混合过程关系不大
过通风火焰 欠通风火焰 过通风火焰 过通风火焰
Peclet数 对流/扩散
2020/10/22
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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过通风火焰 氧化剂流量超过燃料燃烧 所需的化学恰当量（即总 的氧化剂过量）。火焰靠 近圆柱管的中心线上 欠通风火焰 燃料量超过化学计量值， （即燃料过量），火焰向 外壁蔓延
层流非预混火焰(特征一)：火焰表面定义
第三节 层流扩散火焰
射流火焰的物理描述 Burke-Schumann简化理论描述
2020/10/22
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1. 射流火焰的物理描述
层流射流的燃烧与等温射流类似：燃料一边沿着轴向 流动一边快速向外扩散，同时氧化剂（如空气）迅速 向内扩散。
Burke and Schumann(1928)给出了非预混火焰最早理论分析。
18
层流非预混火焰(特征四)：碳烟Soot的产生
在碳氢化合物的燃烧火焰中，由于经常会有碳黑存 在，火焰就可能呈现为橙色或黄色。
2020/10/22
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2020/10/22
20
如果有充分的时间
碳烟就会在反应区的燃料侧生成
并在流向氧化区过程中不断被氧化、消耗
由于燃料和火焰停留时间的不同，在燃料侧形成 的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被 完全氧化
在这里需要注意的是，虽然燃料和氧化剂在火焰处都消耗了，
但是产物的组成成分只和Φ的取值有关，因此当量比仍然有
意义。产物在火焰表面形成后，就向着内外侧快速扩散。
对于富氧燃烧，周围存在着过量的氧化剂，火焰长度Lf可以
这样定义：
2020/10/22
16
层流非预混火焰(特征二)：火焰长度定义
(r 0, x Lf ) 1
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
本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环 境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制， 属于动力燃烧； （3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动 力-扩散燃烧。
燃料一边沿着轴向流 动一边快速向外扩散， 同时氧化剂（如空气） 迅速向内扩散。在流 场中，燃料和氧化剂 之比为化学当量比的 点就构成了火焰表面。
2020/10/22
过通风非预混火焰
15
火焰表面定义
Flame surface eLqouciuvsaolefnpceoirnattsiow, he,reeqtuhaels unity.
强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程，改善掺 混条件
第二节 扩散火焰特点
扩散火焰温度低 扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解
湍流扩散火焰的稳定性：
火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火， 而是始终“悬挂”在管口。
当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄（推举和吹熄）
推举：气流速度足够大时，射流火焰会被从管 口推举起来，火焰根部与管口距离为推举高度，增 大流速，推举高度增加，直至吹熄
Underventilated flame （欠通风火焰）
Burke-Schumann Flame (BSF)是一种受限的层流 气体非预混火焰！
术语：Confined Jet
2020/10/22
BSF实验台from Prof. J.Y. Chen UC Berkeley
12
(1)Burke-Schumann非预混火焰的两种情况
面为剩余燃料经扩
散获得外界氧气燃
烧而形成，称为扩
散火焰，内焰温度 较高，外焰则较低
(d)α1 =0，管 中供应的为 纯油气。所 需氧气全部 从外界获得， 故为纯扩散 燃烧，火焰 最长
扩散火焰
层流扩散火焰
质量扩散以分子扩散形式实现
湍流扩散火焰
质量扩散以气团扩散形式实现
扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状 态和混合方式等起决定性作用，而化学动力学参数 影响不大