冉景煜版 工程燃燒學(xué)-第 06 章

第六章燃燒火焰及傳播特性熱能工程系

火焰特性火焰?zhèn)鞑恿骰鹧嫱牧骰鹧婊鹧娣€(wěn)定的基本原理燃燒反應(yīng)控制區(qū)

第一節(jié)火焰特性熱能工程系

火焰概念火焰結(jié)構(gòu)火焰種類火焰本質(zhì)由燃燒前沿和正在燃燒的質(zhì)點(diǎn)所包圍的區(qū)域，稱為火焰?；鹧媸且环N狀態(tài)或現(xiàn)象，是可燃物質(zhì)和助燃物混合后迅速反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵a(chǎn)物的化學(xué)過程中出現(xiàn)的可見光或其他的物理表現(xiàn)形式。燃燒是化學(xué)現(xiàn)象，

同時也是一種物理現(xiàn)象。31.火焰概念火焰結(jié)構(gòu)：火焰一般分為三個部分。（1）焰心。中心的黑暗部分，由能燃燒而還未燃燒的氣體所組成。（2）內(nèi)焰。包圍焰心的最明亮部分，是氣體未完全燃燒的部分。含著碳粒子，被燒熱發(fā)出強(qiáng)光，因供氧不足，燃燒不完全，溫度最低，有還原作用。（3）外焰。最外層藍(lán)色的區(qū)域。是氣體完全燃燒的部分。因供氧充足，燃燒完全，溫度最高，有氧化作用?；鹧鏈囟扔蓛?nèi)向外依次增高。42.火焰結(jié)構(gòu)焰心內(nèi)焰外焰3.火焰的分類按燃料種類：煤氣火焰，油霧火焰，粉煤火焰。按燃料和氧化劑的預(yù)混程度：預(yù)混燃燒（動力燃燒）火焰，擴(kuò)散燃燒火焰，部分預(yù)混火焰。按氣體的流動性質(zhì)：層流火焰，湍流火焰。按火焰中的相成分：均相火焰，非均相（異相）火焰。按火焰的幾何形狀：直流錐形火焰，旋流火焰或大張角火焰，平火焰。64.火焰的本質(zhì)火焰的本質(zhì)是放熱反應(yīng)中反應(yīng)區(qū)周邊空氣分子加熱而高速運(yùn)動，伴隨著發(fā)光的現(xiàn)象?；鹧鎯?nèi)部其實(shí)就是不停被激發(fā)而游動的氣態(tài)分子。在火焰焰心部分，粒子運(yùn)動速度低，光譜集中在紅外區(qū)，溫度低，亮度低；內(nèi)焰部分粒子運(yùn)動速度中等，光譜集中在可見光部分，亮度較高，溫度較高；外焰部分粒子運(yùn)動速度最快，光譜集中在紫外區(qū)，溫度最高，亮度高。反應(yīng)區(qū)向外釋放的能量從焰心至外焰逐漸升高，然后急劇下降，使火焰有較清晰的輪廓，火焰與周圍空氣的邊界處即反應(yīng)能量驟減處。7第二節(jié)火焰?zhèn)鞑崮芄こ滔?/p>

火焰?zhèn)鞑サ幕靖拍罨鹧鎮(zhèn)鞑サ幕痉绞娇扇蓟旌衔锘鹧嬲鞑ニ俣却_定火焰正常傳播速度的影響因素火焰?zhèn)鞑ソ缦?、淬熄距離、臨界直徑

一、火焰?zhèn)鞑サ幕靖拍町?dāng)一個外來高溫?zé)嵩磳⒖扇蓟旌衔锏哪骋痪植奎c(diǎn)燃著火時，將形成一個薄層火焰面，依靠導(dǎo)熱作用將能量輸送給火焰鄰近的冷混合物層，使混合氣溫度升高而引起化學(xué)反應(yīng)而燃燒。這樣一層一層地著火燃燒，把燃燒逐漸擴(kuò)展到整個可燃混合物，這種現(xiàn)象稱為火焰?zhèn)鞑ァ?一、火焰?zhèn)鞑サ母拍罨鹧鎮(zhèn)鞑ナ疽鈭D假設(shè)在一管道容器中充滿了均勻的可燃混合氣，當(dāng)用電火花或其它加熱方式在混合氣的某一局部，例如在管子開口處加熱而使氣體燃料著火，并形成火焰。此后依靠導(dǎo)熱的作用將能量輸送給火焰鄰近的冷混合氣層，使混合氣溫度升高而引起化學(xué)反應(yīng)，并形成新的火焰，這樣，一層一層的新鮮混合氣依次著火，也即薄薄的化學(xué)反應(yīng)區(qū)開始由點(diǎn)燃的地方以一定速度向未燃混合氣均勻地傳播?；鹧媲把匾讶紖^(qū)與未燃區(qū)之間形成了明顯的分界線，化學(xué)反應(yīng)發(fā)光區(qū)為火焰前沿（或稱為火焰鋒面）。如圖所示?；鹧?zhèn)鞑ィ府?dāng)可燃混合物在某一區(qū)域被點(diǎn)燃后，火焰從這個區(qū)域以一定速度往其他區(qū)域傳播開去的現(xiàn)象。該速度為火焰?zhèn)鞑ニ俣??；鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣然鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣?，指燃料燃燒的火焰鋒面在法線方向上的移動速度?；鹧嬖诠艿乐袀鞑?，由于管壁的摩擦，管道軸心線上的傳播速度要比近管壁處大。粘性使火焰面略呈拋物線的形狀，而不是完全對稱的火焰錐。浮力的作用又使拋物面變形。同時由于散熱，管壁對火焰還有淬熄作用，當(dāng)管徑太小時，將不能維持火焰?zhèn)鞑?。二、火焰?zhèn)鞑サ男问饺绻陟o止的可燃混合氣中某處發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，則隨著時間的進(jìn)展，此反應(yīng)將在混合氣中傳播，根據(jù)反應(yīng)機(jī)理的不同，穩(wěn)定的火焰?zhèn)鞑タ蓜澐譃檎鞑ィɑ蚍Q為緩燃）和爆燃兩種形式。1.火焰正常傳播火焰正常傳播是依靠導(dǎo)熱和分子擴(kuò)散使未燃混合氣溫度升高，并進(jìn)入反應(yīng)區(qū)而引起化學(xué)反應(yīng)，從而使燃燒波不斷向未燃混合氣中推進(jìn)。速度一般不大于1-3m/s。正常傳播是穩(wěn)定的，在一定的物理、化學(xué)條件下（例如溫度、壓力、濃度、混合比等），其傳播速度是一個不變的常數(shù)。從管子開口端點(diǎn)燃可燃混合氣，火焰向內(nèi)傳播即為正常傳播。2.爆燃傳播而爆燃傳播不是通過傳熱和傳質(zhì)發(fā)生的，它是依靠激波的壓縮作用使未燃混合氣的溫度不斷升高而引起化學(xué)反應(yīng)，從而使燃燒波不斷向未燃混合氣推進(jìn)。傳播速度很高，可達(dá)1000~4000m/s，這與正常火焰?zhèn)鞑ニ俣刃纬闪嗣黠@的對照，其傳播過程也是穩(wěn)定的。

正常傳播和爆燃之間會有過渡區(qū)，屬于不穩(wěn)定的傳播形式。從管子的封閉端點(diǎn)燃可燃混合氣，則會發(fā)生爆燃。

3.火焰正常傳播類型根據(jù)燃料氣流的流動類型，火焰正常傳播又可分為層流火焰?zhèn)鞑ズ臀闪骰鹧鎮(zhèn)鞑煞N形式。1）層流火焰?zhèn)鞑ィ寒?dāng)可燃混合物處于靜止?fàn)顟B(tài)或?qū)恿鬟\(yùn)動狀態(tài)時，例如在一個直徑一定的管子里，可燃混和氣著火部分向未燃部分導(dǎo)熱和擴(kuò)散活性粒子，火焰鋒面不斷向未燃部分推進(jìn)，使其完成著火過程，這稱為層流火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

1）層流火焰?zhèn)鞑恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ヌ卣?：管徑的大小，主要由于管壁的散熱，對火焰?zhèn)鞑ビ休^大的影響。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，取決于可燃混合物的物理化學(xué)性質(zhì)。

層流火焰?zhèn)鞑ヌ卣?：層流火焰?zhèn)鞑榫徛紵鹧鎮(zhèn)鞑?，依靠?dǎo)熱或擴(kuò)散使未燃?xì)怏w混合物溫度升高，火焰一層一層依次向未燃部分傳播。2）紊流火焰?zhèn)鞑ノ闪骰鹧鎮(zhèn)鞑ィ寒?dāng)火焰?zhèn)鞑ミ^程中可燃混合氣處于紊流狀態(tài)時，熱量和活性粒子的傳輸就會大大加速，因而加快了火焰的傳播，這稱為紊流火焰?zhèn)鞑?。特征：紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可燃混合氣體的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還與氣流的湍動程度有關(guān)。紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，在200cm/s以上。一般工業(yè)技術(shù)的燃燒都屬于紊流火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

3）電站煤粉鍋爐爐膛內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ卣麟娬久悍坼仩t爐膛內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ィ赫Ｇ闆r下為緩慢燃燒的紊流火焰?zhèn)鞑??？扇嘉镌谀骋痪植繀^(qū)域著火后，火焰從這個區(qū)域向前移動，逐步傳播和擴(kuò)散出去。火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s1~3m/s。如果燃燒工況不好，比如燃燒不完全，會有可燃物質(zhì)在爐膛內(nèi)聚集，當(dāng)未燃混合物數(shù)量增多到某一濃度時，絕熱壓縮將逐漸增強(qiáng)，緩慢的火焰?zhèn)鞑ミ^程就可能自動加速，轉(zhuǎn)變?yōu)楸ㄐ匀紵?）電站煤粉鍋爐爐膛內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ヌ卣鳡t膛出現(xiàn)爆燃燒時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，可達(dá)1000~3000m/s，溫度極高，達(dá)6000℃；壓力極大，達(dá)2.0265ＭPa（20.67大氣壓）。爆燃是由于可燃物質(zhì)以很高的速度燃燒，燃燒生成熱來不及散失，使?fàn)t內(nèi)溫度迅速升高，高溫?zé)煔饨^熱膨脹，產(chǎn)生壓力波，使未燃混和物絕熱壓縮，火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆偬岣?，產(chǎn)生爆炸燃燒。爆燃會造成嚴(yán)重事故，應(yīng)該避免這種現(xiàn)象在鍋爐運(yùn)行中出現(xiàn)。

理論分析法21三、可燃混合物火焰正常傳播速度確定或?qū)嶒?yàn)方法三、可燃混合物火焰正常傳播速度確定過量空氣系數(shù)的影響燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響混合可燃物初始溫度T0的影響火焰溫度的影響壓力的影響惰性物質(zhì)含量的影響可燃?xì)怏w混合物性質(zhì)影響23四、火焰正常傳播速度的影響因素1、過量空氣系數(shù)

在燃燒過程中，為了使燃料盡可能地完全燃燒，實(shí)際供給的空氣量一般要多于按化學(xué)當(dāng)量比例混合的理論空氣量，實(shí)際空氣量與理論空氣量之比稱為過量空氣系數(shù)α。24理論火焰的正常傳播速度在α=1時最大。實(shí)驗(yàn)表明，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葀Hmax發(fā)生在含可燃物濃度稍濃，即比化學(xué)當(dāng)量的比例稍大的混合物中（即α＜1）。這一現(xiàn)象至今尚未有令人滿意的解釋。

vH可能的原因：最高燃燒溫度也是偏向富燃燃燒區(qū)的；在燃料比較富裕的情況下，火焰中自由基H，OH等濃度較大，鏈鎖反應(yīng)的鏈斷裂率較少，因而反應(yīng)速度較快。實(shí)驗(yàn)表明，碳?xì)浠衔飗Hmax的值發(fā)生在α=0.96處，且該α值不隨壓力與溫度改變。26vH

幾種氣體在與空氣混合時的火焰?zhèn)鞑舛葮O限（在0.1MPa，20℃時）

氣體濃度下限，%濃度上限，%最高火焰?zhèn)鞑ニ俣圈?1時的傳播速度，m/s所處濃度，%速度，m/s氫H2

6.565.2422.671.6乙炔C2H2

3.552.3101.351.0乙烯C2H4

4.014.070.630.5一氧化碳CO16.370.9430.420.3甲烷CH4

6.311.910.50.370.28不同燃料的火焰正常傳播速度差別很大，H2的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡?；CO的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低。碳?xì)漕惾剂系姆肿恿坑?，可燃性的范圍就愈窄。對于飽和碳?xì)浠衔铮ㄍ闊N類），其最大火焰?zhèn)鞑ニ俣龋?.7m/s）幾乎與分子中的碳原子數(shù)n無關(guān)，而對于一些非飽和碳?xì)浠衔铮ㄏN及炔烴類），碳原子數(shù)較小的燃料，其層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s較大。當(dāng)n增大到4時，vH的值將陡降，而后，隨n進(jìn)一步增大而緩慢下降，直到n≥8時，就接近于飽和碳?xì)浠衔锏膙H值。282.燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響碳?xì)浠衔锶剂匣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葀H大小順序?yàn)椋?/p>

（vH）炔>（vH）烯>（vH）烷。vH3、初始溫度初溫對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懗鯗貙Σ煌剂匣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憊HvH3、初始溫度溫度對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懞艽?。初始溫度T∞升高，理論燃燒溫度Tm也會升高，這樣火焰?zhèn)鞑ニ俣葧S溫度呈指數(shù)增大。因此如果將氣體預(yù)先加熱后再送人燃燒室，則火焰?zhèn)鞑ニ俣饶艿靡蕴岣摺Ｈ绻麑怏w混合物預(yù)先加熱到著火溫度Tzh，則火焰?zhèn)鞑ニ俣仍谏鲜龅睦碚撋蠎?yīng)趨向于無限大。3、混合可燃物初始溫度T0的影響

混合可燃物初始溫度T0對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊戯@著。提高可燃物初始溫度T0，則氣體分子運(yùn)動動能增大，傳熱增強(qiáng)且分子碰撞頻率加大，可大大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)速度，從而提高火焰?zhèn)鞑ニ俣取?24.火焰溫度的影響

Tr對vH的影響顯然是很強(qiáng)的，可以說vH主要取決于Tr。當(dāng)Tr超過2500K時，對vHmax影響更大。因?yàn)樵诟邷叵?，氣體離解反應(yīng)的加速，從而使自由基的濃度大大增加。作為鏈載體的自由基的擴(kuò)散，既促進(jìn)了反應(yīng)，又增強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑ァ?3火焰?zhèn)鞑ニ俣葀H與壓力具有下列關(guān)系：m為劉易斯壓力指數(shù)，對于各種不同碳?xì)浠衔锏目扇蓟旌蠚?，m值可由下圖給出（m=n/2-1）。

345、壓力影響一般燃燒反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)n為1~2

當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低，即vH＜0.5m/s，此時，因m＜0，所以隨著壓力下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅划?dāng)0.5＜vH＜1m/s時，因m=0，故火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力無關(guān)；而當(dāng)vH＞1m/s時，因m＞0，則火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著壓力增大而增大。

356.惰性物質(zhì)含量的影響在可燃混合氣體中摻入惰性組分會影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?。一方面，摻入的惰性氣體一般不參與燃燒過程，直接影響燃燒溫度，從而影響燃燒速度。另一方面，惰性物質(zhì)的加入，在一定程度上將改變可燃混合氣體的熱物理性質(zhì)，在也將影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?shí)驗(yàn)表明，摻入惰性組分量越大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍降?。此外，惰性組分還將縮小可燃界限，并使最大火焰?zhèn)鞑ニ俣认蛉剂蠞舛葴p小方向移動。3637387、燃料性質(zhì)及添加劑vHvHvH五、火焰?zhèn)鞑ソ缦藁鹧鎮(zhèn)鞑ツ軌虼嬖诘臐舛确秶凶龌鹧鎮(zhèn)鞑ソ缦蓿ɑ蚍Q火焰?zhèn)鞑シ秶??？扇嘉镌诨旌衔镏械臐舛鹊陀谀持刀拐鞑ニ俣葹榱愕臐舛戎捣Q為下限；高于某值而使正常速度為零的濃度值稱為上限。

六、淬熄距離與臨界直徑在鄰近容器壁面只有數(shù)毫米之內(nèi)的地方，壁面的散熱作用十分強(qiáng)烈，以至火焰不能傳播。這段距離稱為淬熄距離。在很細(xì)的管子里，壁面散熱十分強(qiáng)烈，以致火焰也不能傳播。這時的管徑叫做臨界直徑。凸出的曲面的火焰鋒面暴露在低溫的可燃混合物之中，幾面受到冷卻，火焰鋒面溫度將降低，所以火焰?zhèn)鞑ニ俣纫惨档鸵恍?。反凹進(jìn)去曲面的火焰鋒面，火焰鋒面對其前面的低溫可燃混合物形成鉗形包圍，幾面導(dǎo)熱的結(jié)果使可燃混合物升溫加快，結(jié)果火焰?zhèn)鞑ニ俣葘⒃龃笠恍?/p>

第三節(jié)層流火焰熱能工程系

預(yù)混可燃混合物在流速不高（層流狀態(tài)）的下的燃燒火焰，稱為層流火焰。層流火焰焰鋒結(jié)構(gòu)層流火焰?zhèn)鞑ダ碚搶恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣热绻诒旧鸁糁惫軆?nèi)的預(yù)混可燃?xì)怏w流動為層流，則在管口處可得到穩(wěn)定的正錐形火焰前鋒。在如果層流火焰在管道內(nèi)傳播，則焰鋒呈拋物線形；若在管內(nèi)的層流預(yù)混可燃?xì)饬髦邪惭b火焰穩(wěn)定器，則會形成錐形焰鋒。層流中的火焰前鋒形狀是多種多樣的。但在焰鋒面的兩側(cè)必然是未燃的預(yù)混可燃混合物氣體和已燃的煙氣，在很薄的焰鋒面內(nèi)進(jìn)行著劇烈的燃燒化學(xué)反應(yīng)和強(qiáng)烈的兩類氣體混合。421、層流火焰焰鋒結(jié)構(gòu)形狀一、層流火焰焰鋒結(jié)構(gòu)（1）火焰前鋒是一很窄的區(qū)域，它在這很窄的寬度內(nèi)（由截面0-0到a-a）完成化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)和物質(zhì)擴(kuò)散等過程，并且由于火焰前鋒的寬度和表面曲率很小，可以認(rèn)為在焰鋒內(nèi)溫度和濃度只是坐標(biāo)x的函數(shù)。432、層流火焰焰峰特性火焰前鋒在火焰前鋒內(nèi)，95%~98%的燃料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)?；鹧嫜驿h的寬度很小，但在此寬度內(nèi)溫度和濃度變化很大，出現(xiàn)極大的溫度梯度dT/dx和濃度梯度dc/dx。熱流的方向從高溫火焰向低溫新鮮混合氣，而擴(kuò)散流的方向則從高濃度向低濃度，反之，燃燒產(chǎn)物分子，如已燃?xì)怏w中的自由基和活化中心則向新鮮混合氣方向擴(kuò)散。44火焰前鋒（2）火焰前鋒存在極大的溫度梯度dT/dx和濃度梯度dc/dx，有強(qiáng)烈的熱流和擴(kuò)散流。在火焰前鋒厚度的很大一部分區(qū)域

，化學(xué)反應(yīng)速度很小，這部分稱為可燃混合物的“預(yù)熱區(qū)”?；瘜W(xué)反應(yīng)主要集中在很窄的區(qū)域

中，在這個區(qū)域內(nèi)反應(yīng)速度、溫度和活化中心的濃度都達(dá)到了最大值。稱為“化學(xué)反應(yīng)區(qū)”，也稱為火焰前鋒的“化學(xué)寬度”。預(yù)熱區(qū)”溫度和濃度的變化主要由于導(dǎo)熱和擴(kuò)散，新鮮混合氣在此處得到加熱。在“化學(xué)反應(yīng)區(qū)”，化學(xué)反應(yīng)速度隨著溫度的升高按指數(shù)函數(shù)規(guī)律急劇的增大，反應(yīng)物濃度不斷減少。45預(yù)熱區(qū)化學(xué)反應(yīng)區(qū)（3）存在“預(yù)熱區(qū)”和“化學(xué)反應(yīng)區(qū)”。層流火焰?zhèn)鞑ダ碚撃壳坝袩崃碚摵蛿U(kuò)散理論兩種。1、熱力理論：

火焰中化學(xué)反應(yīng)主要是由于熱量的導(dǎo)入使分子熱活化而引起的，所以火焰前沿的反應(yīng)區(qū)在空間中的移動決定于從反應(yīng)區(qū)向新鮮預(yù)混可燃混合物傳熱的傳導(dǎo)率。

熱力理論并不否認(rèn)火焰中心有活化中心存在和擴(kuò)散，但認(rèn)為在一般的燃燒過程中活化中心的擴(kuò)散對化學(xué)反應(yīng)速度的影響不是主要的。46二、層流火焰?zhèn)鞑ダ碚?、擴(kuò)散理論

層流火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧鎮(zhèn)鞑ピ诨鹧嬷蟹肿拥倪w移不僅是由于強(qiáng)迫對流的作用，而且還由于擴(kuò)散的作用。熱量的遷移不僅靠對流，也有導(dǎo)熱。因此，預(yù)混可燃?xì)獾娜紵粌H受化學(xué)動力控制，而且還受擴(kuò)散作用的控制。因而，層流火焰?zhèn)鞑ブ谢鹧媲把卦陬A(yù)混氣中的移動，主要是由于反應(yīng)區(qū)放出之熱量不斷向新鮮混合氣中傳遞及新鮮混合氣不斷向反應(yīng)區(qū)中擴(kuò)散的結(jié)果。

火焰中的化學(xué)反應(yīng)主要是由活化中心（如H、OH等）向新鮮預(yù)混可燃混合物擴(kuò)散，促使其鏈鎖反應(yīng)發(fā)展所致。4748三、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣热剂侠碚摽諝饬縇o（kg/kg）燃料體積濃度（%）著火限時過量空氣系數(shù)火焰?zhèn)鞑ニ俣葀Hmax（cm/s）對應(yīng)于vHmax體積濃度（%）化學(xué)當(dāng)量著火下限著火下限下限上限氫34.529.54.07510.10.1431542.2乙炔13.257.752.5813.570.181708.9乙烯14.86.562.7342.511.3568.37.4甲烷17.239.55151.980.3933.89.96苯13.32.731.47.11.960.3640.73.34丙烯14.84.472.0112.280.3743.85.04三、層流火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤筛鶕?jù)相關(guān)方程求出層流火焰?zhèn)鞑シ匠蹋悍Q為層流火焰?zhèn)鞑シ匠?。層流火焰?zhèn)鞑ニ俣冉庠摲匠蹋夯鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣扰c熱擴(kuò)散率及化學(xué)反應(yīng)速率的乘積的平方根成正比，即火焰?zhèn)鞑ミ^程既受擴(kuò)散過程控制，又受化學(xué)動力因素的控制。

熱擴(kuò)散率化學(xué)反應(yīng)速率層流火焰?zhèn)鞑ニ俣忍卣?）一般火焰正常傳播速度的數(shù)量級是1~100cm/s，火焰鋒面厚度很小，不到1毫米

。2）火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c化學(xué)反應(yīng)速率的平方根成比例。因?yàn)榛鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣容^易測定，因此常常采用測定火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆椒▉硌芯炕瘜W(xué)反應(yīng)速率的變化規(guī)律。第四節(jié)湍流火焰熱能工程系

湍流燃燒及其特點(diǎn)紊流火焰分類皺折表面燃燒理論容積燃燒理論影響湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩兀?）相比層流火焰，湍流火焰厚度增加，高度變短。（2）反應(yīng)區(qū)要比層流火焰鋒面厚得多，已不能看作是一個幾何面。觀察到的火焰面是混亂的、毛刷狀的，還經(jīng)常伴有噪聲和脈動。（3）湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣冗h(yuǎn)大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?。?）在湍流中，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H取決于可燃混合氣的性質(zhì)和組成，而且在很大程度上受到強(qiáng)烈的氣流湍動的影響。52一、湍流燃燒及其特點(diǎn)1.小尺度湍流火焰2.大尺度湍流火焰3.大尺度弱湍流火焰4.大尺度強(qiáng)湍流火焰53二、湍流火焰分類54在湍流火焰中，如同在湍流的流體中一樣，有許多大小不同的微團(tuán)在不規(guī)則地運(yùn)動。如果這些微團(tuán)的平均尺寸小于可燃混合氣體在層流下的火焰鋒面厚度就稱之為小尺度的湍流火焰；反之，稱為大尺度的湍流火焰。

將微團(tuán)的脈動速度w’與層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葀H比較，如果w’＞

vH，則稱為大尺度強(qiáng)湍流火焰；反之，稱為大尺度弱湍流火焰。1.小尺度的紊流火焰

2.大尺度弱紊流火焰

由于微團(tuán)脈動速度小于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，則微團(tuán)不能沖破火焰鋒面，但由于微團(tuán)尺寸大于層流火焰鋒面厚度，所以火焰鋒面受到扭曲vHvH3.大尺度強(qiáng)紊流火焰

由于微團(tuán)尺寸和脈動速度均大于層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?，故此時不存在連續(xù)的火焰鋒面vH4.湍流火焰播速度比層流時增加很多

（1）湍流脈動使火焰變形，從而使火焰表面積增加，但是曲面上的法向燃燒速度仍保持為層流火焰?zhèn)鞑ニ俣葀H。（2）湍流脈動增加了熱量和活性粒子的傳遞速度，這時，具有特定反應(yīng)速率的反應(yīng)區(qū)在起作用，因此增大了垂直于火焰表面的法向?qū)嶋H燃燒速度。（3）湍流脈動加快了已燃?xì)夂臀慈細(xì)獾幕旌?，使火焰本質(zhì)上成為較均勻混合的反應(yīng)物，而均相反應(yīng)速率則取決于在混合過程中產(chǎn)生的已燃?xì)馀c未燃?xì)獾谋壤?。湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚?9德國的鄧克爾（1940）和蘇聯(lián)的謝爾金（1943）建立了湍流火焰的皺折表面理論。

薩曼菲爾德和謝京科夫建立了容積燃燒理論，用來代替表面理論。

小尺度湍流火焰、大尺度弱湍流火焰可用湍流火焰的皺折表面理論來解釋。大尺度強(qiáng)湍流火焰一般用容積燃燒理論來解釋。

認(rèn)為在湍流工況中燃燒速度之所以會增大是由于在氣流脈動作用下使得火焰前沿表面產(chǎn)生彎曲，因而燃燒表面積FT增加，在每個可燃物微團(tuán)外表面上，燃燒速度和層流火焰法線傳播速度vH相同，因此湍流燃燒速度比層流燃燒速度的增大倍數(shù)應(yīng)等于因氣流脈動使火焰前沿表面積增大的倍數(shù)，即60三、湍流火焰?zhèn)鞑サ陌櫿郾砻嫒紵碚?.原理：湍流工況下火焰前沿幾種典型的工況火焰前沿起了微弱的摺皺火焰前沿被撕裂得四分五裂（1）、小尺度湍流火焰在2300≤Re≤6000范圍內(nèi)，湍流為小尺度的。此時只使火焰前沿起了微弱的摺皺，燃燒速度的增長主要是由于前沿內(nèi)傳熱傳質(zhì)過程變成湍流性質(zhì)，因此仍可采用層流火焰?zhèn)鞑ダ碚搧碛?jì)算，只不過此時應(yīng)用湍流參數(shù)來代替。對層流參數(shù)而言，有：層流：湍流：622.求取小尺度紊流只是增強(qiáng)了物質(zhì)的輸運(yùn)特性，從而使熱量和活性粒子的傳輸加速，而在其它方面則沒有什么影響.實(shí)際工程中常為Re＞6000，而且湍流尺度常大于1mm，因此工程火焰一般不能用上述分析進(jìn)行解釋（2）、大尺度弱湍流火焰63穩(wěn)定情況下，有：只要求出FT/FL，就可求出vT假設(shè)為錐體64（3）、大尺度強(qiáng)湍流火焰在燃盡時間τ內(nèi)，脈動距離為H=w‘τ燃燒距離為lT/2=vHτ燃燒從微團(tuán)外表面向內(nèi)推進(jìn)的速度為vH

主要用容積理論來解釋

四、湍流火焰?zhèn)鞑サ娜莘e燃燒模型65容積理論(1)容積理論認(rèn)為，在大尺度強(qiáng)湍動下燃燒的氣體微團(tuán)中，并不存在把未燃?xì)怏w和已燃?xì)怏w或燃燒產(chǎn)物截然分開的正?；鹧驿h面，燃燒反應(yīng)也不是僅僅發(fā)生在火焰鋒面厚度之內(nèi)。(2)在每個湍動的微團(tuán)內(nèi)部，一方面在進(jìn)行不同成分和溫度的物質(zhì)的迅速混合，同時也在進(jìn)行快慢程度不同的反應(yīng)。

(3)不同微團(tuán)運(yùn)動與燃燒狀態(tài)不一樣，同一微團(tuán)內(nèi)部不同部位狀態(tài)也不相同。但不同微團(tuán)間相互混雜。(4)每隔一定的平均周期，不同的氣團(tuán)就會因互相滲透混合而形成新的氣體微團(tuán)。新的微團(tuán)內(nèi)部各部分也各有其均勻的成分、溫度和速度。(5)各個微團(tuán)進(jìn)行程度不同的容積反應(yīng)的結(jié)果，達(dá)到著火條件的微團(tuán)即開始著火燃燒。

67vTvH1/2五、影響湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩?8湍流火焰?zhèn)鞑ブ饕芡牧髁鲃拥挠绊憽?.

隨著Re數(shù)的增加，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊谋戎甸_始迅速增大，以后逐漸增長。2.

當(dāng)Re＜2300時，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cRe無關(guān)；3.

當(dāng)2300≤Re≤6000時，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cRe的平方根成正比；4.

當(dāng)Re＞6000時，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰cRe成正比。第五節(jié)火焰穩(wěn)定的基本原理熱能與動力工程系

火焰穩(wěn)定的基本條件火焰穩(wěn)定的機(jī)理工程湍流燃燒火焰穩(wěn)定方法要求燃燒火焰保持穩(wěn)定，火焰鋒面需穩(wěn)定在一定的位置?；鹁嬗蓢娮靽姵龊?，火焰錐的形狀不可能是正錐形的，否則火炬就難以穩(wěn)定在燃燒室內(nèi)某一位置。反證過程：根據(jù)在火焰錐中正常法向傳播速度和燃料混合氣流速度之間的關(guān)系為：70一、火焰穩(wěn)定的基本條件試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在火炬根部出現(xiàn)有一圈

的點(diǎn)火環(huán)，在點(diǎn)火環(huán)內(nèi)

角等于零，這才能保證火炬頂部也不成尖錐形，而一般往往形成一個圓角。71綜上所述，為了確保燃料混合氣流中火焰的穩(wěn)定，必須具備兩個基本條件：（1）火焰?zhèn)鞑ニ俣葢?yīng)與可燃混合氣在火焰前鋒法線方向的分速度相等，即滿足余弦定律。（2）在火焰的根部必須有一個固定的點(diǎn)火源，且該點(diǎn)火源具有足夠的能量。72對于預(yù)混燃燒，混合氣流噴出并引燃后，在噴口附近形成錐形火焰，其錐角符合火焰穩(wěn)定的余弦定律.如果混合氣流流速過高，火焰將會從根部開始吹脫；反之，如果混合氣流流速過低，火焰則會引向噴口內(nèi)。73二、火焰穩(wěn)定的原理1、脫火當(dāng)燃料混合物的流量不斷增大時，各截面上混合物流速不斷增大，而火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊姆植际遣蛔兊?。最后在燃燒裝置出口的混合物流體流場中再也找不到一個傳播速度等于流速的地方，到處都是流速大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰鋒面再也找不到一個可以固定的地方。這樣就不可能建立點(diǎn)火環(huán)，可燃混合物再也不可能著火，便產(chǎn)生脫火。顯然，脫火主要是由于噴口出口氣流速度過高而引起的，故又常稱為吹脫。742、回火當(dāng)燃料混合物流量不斷減少時，各截面上的流速的分布都減小，而火焰?zhèn)鞑ニ俣缺３植蛔?。最后在燃燒裝置出口的混合物流體流場中再也找不到一個傳播速度等于流速的地方，到處都是流速小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，最后就燒到燃燒裝置里面去了，這便產(chǎn)生回火。753、離焰當(dāng)燃料混合物的流量不斷增大時，火焰面無法繼續(xù)保持穩(wěn)定，若火焰脫離噴口，懸舉在噴口上方，但不熄滅，這種現(xiàn)象稱為離焰。發(fā)生離焰時，火焰雖不立即熄滅，但此時火焰將吸入更多的二次空氣，使懸舉的火焰中燃?xì)鉂舛冉档?。若可燃混合氣流速繼續(xù)增大，火焰會出現(xiàn)吹熄現(xiàn)象。76燃燒器在工作時，不允許發(fā)生離焰、脫火或回火問題。脫火將造成燃?xì)庠谌紵壹捌渲車h(huán)境中的累積，一旦再遇到明火便會使大量燃?xì)庋杆僦?，從而造成大?guī)模爆燃，同時燃?xì)庖矔θ藛T造成毒害作用。回火則可能燒毀燃燒器，甚至引起燃燒器或儲氣罐發(fā)生爆炸，也可能導(dǎo)致火焰熄滅，從而造成嚴(yán)重后果。774、火焰穩(wěn)定原理要求燃燒設(shè)備中的火焰保持穩(wěn)定，火焰鋒面穩(wěn)定在一定的位置。要保證火焰鋒面穩(wěn)定在某一位置的必要條件是：可燃物向前流動的速度等于火焰鋒面可燃物火焰?zhèn)鞑サ乃俣龋@兩個速度方向相反，大小相等，因而火焰鋒面就靜止在其一位置上。

火焰穩(wěn)定的原理

A點(diǎn)看成是不動的點(diǎn)火源A點(diǎn)看成是不動的點(diǎn)火源vHvHvHvHvHvH穩(wěn)定火焰的根本原理是穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使之與氣流速度相匹配。

工程上希望燃料和氧化劑保持穩(wěn)定的化學(xué)反應(yīng)及放熱量，以便于控制和工程應(yīng)用。因此常要求燃燒設(shè)備中火焰穩(wěn)定在一定位置，即在一定位置著火，按一定速度發(fā)生劇烈反應(yīng)，并在一定位置燃盡和離開燃燒室。80三、工程湍流燃燒火焰穩(wěn)定方法工程上穩(wěn)定火焰的方法可分為三類：設(shè)置點(diǎn)火器，適時對主燃燒器提供點(diǎn)火能量。制造回流區(qū)，卷吸高溫?zé)煔?，?qiáng)化進(jìn)入燃燒室的燃料傳熱，滿足著火條件穩(wěn)定著火。改變?nèi)紵齾^(qū)的散熱條件，減小著火階段火焰的散熱損失，保持火焰區(qū)的足夠的溫度，穩(wěn)定火焰。穩(wěn)定火焰的根本原理是穩(wěn)定火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使之與氣流速度相匹配。

81工程上應(yīng)用的火焰都是湍流火焰，氣流速度和Re數(shù)比較高，因此可以減少回火現(xiàn)象，而應(yīng)主要防止脫火。穩(wěn)定火焰的核心方法：保持著火區(qū)局部高溫。包括:（1）值班火焰；（2）鈍體穩(wěn)燃；（3）小股反向射流；（4）旋轉(zhuǎn)射流；（5）大速差射流與雙通道穩(wěn)燃；（6）受限射流：1）突擴(kuò)噴口穩(wěn)燃；2）

內(nèi)凹表面穩(wěn)燃；3）

罐式穩(wěn)燃器。82工程上穩(wěn)定火焰的具體方法（1）值班火焰在流速較高的預(yù)混可燃?xì)饬鞲浇胖靡粋€流速較低的穩(wěn)定的小型點(diǎn)火火焰，使主氣流受到小火焰不間斷的點(diǎn)燃，只要小火焰的點(diǎn)火能量足夠，主火焰就能夠保持。83通過分離的縫管將少量燃料引到主燃燒器邊緣，使之先點(diǎn)燃產(chǎn)生小火焰，然后用小火焰點(diǎn)燃主燃燒器，形成主火焰。缺點(diǎn)：導(dǎo)致燃料泄露。（2）鈍體穩(wěn)燃鈍體穩(wěn)燃是利用物體的幾何形狀造成低速區(qū)的典型。氣體繞過鈍體時，鈍體后部的反向壓力梯度增大，能夠形成較大的回流區(qū)，可以反卷高溫?zé)煔獬蔀闊嵩?，有利于穩(wěn)定著火和燃燒。鈍體頭部為圓盤，流動阻力損失較大，圓柱體次之，彈頭狀最小。鈍體常用耐溫耐磨的材料制成。84（3）小股反向射流采用小股高速反向射流噴入可燃主氣流中，形成低速區(qū)，原理上和鈍體接近，但主氣流的阻力損失較小，小股射流介質(zhì)可使用壓縮空氣，也可以使用蒸汽。（4）旋轉(zhuǎn)射流利用旋轉(zhuǎn)射流的離心作用，在燃燒室的噴口軸線附近形成回流區(qū),它將高溫?zé)煔饩砦交鹁娓縼砑訜崛剂匣旌衔铮_(dá)到穩(wěn)燃效果8586小股反向射流旋轉(zhuǎn)射流（5）大速差射流與雙通道穩(wěn)燃煤粉氣流由主噴口噴出，接近音速的高速氣流從主氣流噴口周圍的小孔噴出。高速氣流卷吸中心煤粉射流中的空氣和細(xì)煤粉，回流區(qū)增大，改善了著火條件。燃燒器有兩個一次風(fēng)通道，兩股一次風(fēng)以貼壁射流的形式進(jìn)入突擴(kuò)段，所產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣亓髁颗c大速差射流產(chǎn)生的回流量相當(dāng)，因而有較強(qiáng)的穩(wěn)燃作用。8788大速差射流雙通道穩(wěn)燃磨損較大局部結(jié)焦現(xiàn)象腰部風(fēng)減小了結(jié)焦的可能性（6）受限射流突擴(kuò)噴口穩(wěn)燃：噴口截面突然擴(kuò)張，在噴口外圍形成旋渦，高溫燃燒產(chǎn)物回流至燃燒器噴口外緣附近，點(diǎn)燃剛噴出的可燃混合氣。內(nèi)凹表面穩(wěn)燃：燃燒室的壁面制造一定的凹槽，使該處形成回流區(qū)，從而達(dá)到穩(wěn)燃的目的。罐式穩(wěn)燃器：燃燒室內(nèi)布置一個帶有若干小孔的圓錐筒或圓柱筒?？扇蓟旌蠚庥尚】走M(jìn)入罐內(nèi)，罐頂則使罐內(nèi)形成滯止區(qū)，產(chǎn)生高溫?zé)煔饣亓?，在該處將氣體點(diǎn)燃，形成一種向外