燃烧学—第4章1

1、燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系1燃烧学 燃烧学燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系2第第4 4章章 可燃气体的燃烧可燃气体的燃烧 4.1 4.1 预混气中火焰的传播理论预混气中火焰的传播理论 4.2 4.2 层流火焰传播速度及其传播机理层流火焰传播速度及其传播机理 4.3 4.3 可燃气体爆炸可燃气体爆炸 4.4 4.4 爆炸极限理论及计算爆炸极限理论及计算 4.5 4.5 爆轰爆轰 4.6 4.6 气体爆炸的预防气体爆炸的预防 4.7 4.7 湍流燃烧和扩散燃烧湍流燃烧和扩散燃烧 燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消

2、防工程系3可燃气体燃烧的形式可燃气体燃烧的形式 扩散燃烧扩散燃烧 预混燃烧预混燃烧燃气燃气氧气氧气燃气燃气+ 空空(氧氧)气气燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系44.1预混气中火焰的传播理论 预混气中火焰的传播预混气中火焰的传播分为两种形式分为两种形式v 缓燃缓燃( (正常火焰传播）正常火焰传播）v 爆震（爆轰）爆震（爆轰） 缓燃缓燃( (正常火焰传播）正常火焰传播）v 火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播并进入反应区而引起化学反应，导致火焰传播v 传播速

3、度一般不大于传播速度一般不大于1 13m/s3m/s 爆震（爆轰）爆震（爆轰）v 火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。应的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。v 传播速度很高，常大于传播速度很高，常大于1000m/s1000m/s，超音速超音速燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系5v 假定假定 混合气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动混合气的流动

4、（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动 忽略粘性力；忽略粘性力； 其燃烧前后的定压比热容其燃烧前后的定压比热容c cp p为常数；为常数； 与管壁无摩擦、无热交换与管壁无摩擦、无热交换 v 燃烧波的传播速度燃烧波的传播速度 = = 流速流速u u图图4-1 4-1 燃烧过程示意图燃烧过程示意图 -火焰驻定火焰驻定P Pp p,u,up pp p,h,hp pT Tp p,u,u,h,hT T燃燃烧烧区区一维定常流动的平面波一维定常流动的平面波- 火焰驻定火焰驻定燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系6连续方程：连续方程：（质量平衡）（质量平衡） 常数muuPP动量方程：

5、动量方程： 2)(upuupPPPP常数常数 能量方程：能量方程： 2222uhuhPP常数常数 状态方程：状态方程： RTp或或 PPPPTRpTRpTTchhTTchhpPpPPQTcTchhQhhhpPpPPP*2222uTcQuTcpPPp热量热量( (焓焓) )方程：方程： P Pp p,u,up pp p,h,hp pT Tp p,u,u,h,hT T燃燃烧烧区区Ph*h燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系7常数muuPP22upupPPP22222muuPP连续方程：连续方程：（质量平衡）（质量平衡） 动量方程：动量方程： 2222mumuPPPPPmp

6、mp222222211PPPPuumpp燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系82222211PPPPuumpp瑞利（瑞利（Rayleigh）方程）方程瑞利（瑞利（Rayleigh）直线）直线横坐标：横坐标： 1/P纵坐标：纵坐标： pP斜率：斜率：-m2瑞利（瑞利（Rayleigh）方程）方程112PPmpppP1/P（p ，1/）燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系9QTcTchhpPpPPPPPppm1121111122 1/1 vppccRcpRTRTpQppppPPPP112112222222222222112212222PPPPPP

7、PPmuuuuhhuhuh211mppPPQppTTcppQTcTcPPPpPPpPp1121)(1121燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系10QppppPPPP11211休贡纽（休贡纽（Hugoniot）方程）方程（雨果尼特）（雨果尼特）休贡纽方程休贡纽方程休贡纽方程曲线休贡纽方程曲线横坐标：横坐标： 1/P纵坐标：纵坐标： pPpP1/P燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系11（p，1/）图图4-2 燃烧的状态图燃烧的状态图pPA休贡纽曲线休贡纽曲线瑞利曲线瑞利曲线（）Q1Q2Q2Q1BDEC F上上C-J点点下下C-J点点（）（）GH

8、（）1/A/ 1/ 11/12PPppM燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系122211ppuPPPPpppu11/12212pRTc/ 1/ 11/12PPppM其中M为马赫数。 2222211PPPPuumpp燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系13讨论：讨论： v （p，1/）是初态）是初态v 通过（通过（p，1/）点，将平面分成四个区域。）点，将平面分成四个区域。过程的终态只过程的终态只能发生在能发生在、区区，不可能发生在不可能发生在、区区v 交点交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态等是可能的终态。v 区域（区域（）是爆震

9、区）是爆震区，而，而区域（区域（）是缓燃区）是缓燃区。v 区域（区域（），），1/P p,即经过燃烧波后气体被压缩。即经过燃烧波后气体被压缩。M1，燃烧波以超音速在混合气中传播的，燃烧波以超音速在混合气中传播的 v 区域区域（），），1/P1/，pP p，即经过燃烧波后气体膨胀。，即经过燃烧波后气体膨胀。M1/ 1/ 11/12PPppM1/ 1/ 1/12PPppM燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系14v 瑞利与休贡纽曲线分别相切于瑞利与休贡纽曲线分别相切于B、G两点。两点。B点称为上恰普曼点称为上恰普曼-乔给特（乔给特（Chapman-Jouguet）点，简称）

10、点，简称C-J点，具有终点点，具有终点B的的波称为波称为C-J爆震波。爆震波。AB段称为强爆震，段称为强爆震，BD段称为弱爆震。段称为弱爆震。v EG段为弱缓燃波，段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波。大多数的燃烧过程段称为强缓燃波。大多数的燃烧过程是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义的将是的将是EG段的弱缓燃波，而且是段的弱缓燃波，而且是M0v 当当Q0时，则休贡纽曲线通过初态（时，则休贡纽曲线通过初态（p，1/）点，这就是）点，这就是普通的气体力学普通的气体力学激波激波。燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防

11、工程系15比值比值常见的比值大小常见的比值大小爆轰爆轰正常火焰传播正常火焰传播u/a5100.00010.03uP/u0.40.746PP/P13550.980.976TP/T821416P/1.42.60.060.25气体中爆轰和正常火焰传播间定性差别气体中爆轰和正常火焰传播间定性差别 燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系164.2 4.2 层流火焰传播速度及其传播机理层流火焰传播速度及其传播机理 火焰传播速度的定义火焰传播速度的定义v 火焰前沿（前锋、波前）火焰前沿（前锋、波前） 一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反应区开始由点燃的一层一层的混合气依次着火，薄薄

12、的化学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿分界线，称这层薄薄的化学反应发光区为火焰前沿 v 火焰位移速度及火焰法向传播速度火焰位移速度及火焰法向传播速度 火焰位移速度是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前火焰位移速度是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。进速度，其前沿的法向指向未燃气体。 位移速度为位移速度为 火焰法向传播速度是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法火焰法向传播速度是指火焰相对于无穷远处的未燃混合

13、气在其法线方向上的速度。线方向上的速度。 火焰法向传播速度火焰法向传播速度S S1 1为为当气流速度当气流速度w wn n0 0时，时，S S1 1u u，这时所观察到的火焰移动的速度就是，这时所观察到的火焰移动的速度就是火焰传播速度火焰传播速度dtdnu nwuS1燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系174.2.2火焰焰锋结构图图4-3 稳定的平面火焰前锋稳定的平面火焰前锋（火焰焰锋宽度）（火焰焰锋宽度）PCSLT CCC0TT0ooaaT=f1（x）C=f2（x）W=f3（x）活化中心活化中心W新鲜混合气新鲜混合气已燃气体已燃气体x预热区预热区反应区反应区 火焰前

14、锋的宽度极火焰前锋的宽度极小，但出现极大的小，但出现极大的温度梯度温度梯度dT/dxdT/dx和浓和浓度梯度度梯度dC/dxdC/dx，因而，因而火焰中有强烈的热火焰中有强烈的热流和扩散流流和扩散流 热流的方向从高温热流的方向从高温火焰向低温新鲜混火焰向低温新鲜混合气，而扩散流的合气，而扩散流的方向则从高浓度向方向则从高浓度向低浓度，新鲜混合低浓度，新鲜混合气的分子、燃烧产气的分子、燃烧产物分子、游离基均物分子、游离基均扩散扩散 燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系184.2.34.2.3层流火焰传播速度层流火焰传播速度马兰特简化分析马兰特简化分析 物理模型物理模型

15、（）（）CTmTiTx图图4-4 火焰前沿中的温度分布火焰前沿中的温度分布（）预热区）预热区（）反应区）反应区马兰特简化分析的基本思想马兰特简化分析的基本思想： 若由若由区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度T Ti i，则火焰就，则火焰就能保持温度的传播能保持温度的传播 燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系19设反应区中温度分布为线性分布设反应区中温度分布为线性分布 cimTTdxdT热平衡方程式为热平衡方程式为 cimipTTFKTTGc因为：因为： lSFuFGcimiplTTKTTcS或者或者 ciimci

16、pimlTTTTaTTcTTKS式中式中 pcKasslclcWfSS因为：因为： 燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系20ssiimlfWTTTTaS层流火焰传播速度层流火焰传播速度S Sl l与导温系数与导温系数a a及化学反应速度及化学反应速度W Ws s的平方根成正比的平方根成正比 mRTEnsnossefKWpcKaTTcefKTTKSipRTEnnosilm21222nnnlPPS 对于二级反应，火焰传播速度对于二级反应，火焰传播速度S Sl l将与压力无关。大多数碳氢化合将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近物与氧的反应，其反应级数接近

17、2 2，因此火焰传播速度，因此火焰传播速度S Sl l与压力关与压力关系不大。实验也证明了这个结论。系不大。实验也证明了这个结论。燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系214.2.4 影响燃烧速度的因素 （1 1）燃料）燃料/ /氧化剂比值的影响氧化剂比值的影响 （2 2）燃料结构的影响）燃料结构的影响 （3 3）压力的影响）压力的影响 （4 4）混合物初始温度的影响）混合物初始温度的影响 （5 5）火焰温度的影响）火焰温度的影响 （6 6）惰性添加剂的影响）惰性添加剂的影响 （7 7）活性添加剂的影响）活性添加剂的影响 燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安

18、全与消防工程系22图4-5混合物成分对燃烧速度的影响燃料体积分数u0/cm.s-1020406080 1004080120160200240280CO/O2H2/air024681012102030405060乙烷乙醚环己烷苯戊烷丙稀丙酮甲烷乙烯二硫化碳空气中燃料体积分数图4-6燃料百分数对燃烧速度的影响u0/cm.s-1（1 1）燃料）燃料/ /氧化剂比值的影响氧化剂比值的影响 TTcefKTTKSipRTEnnosilm2燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系23（2 2）燃料结构的影响）燃料结构的影响 1234123456碳原子数图4-7饱和碳氢化合物及非饱和碳氢

19、化合物炔属烃烯属烃烷属烃u0/丙烷的u0max7201001000-0.3-0.2-0.100.10.20.3图4-8 压力对燃烧速度的影响u0/cm.s-1u0pn中的n值（3 3）压力的影响）压力的影响 TTcefKTTKSipRTEnnosilm燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系24（4 4）混合物初始温度的影响）混合物初始温度的影响 0100Ts增加燃料u0/cm.s-1图4-9来流温度对燃烧速度的影响01002003004005006007004080120160200Ts/Ku0/cm.s-1C2H4/airC3H8/airCH4/air图4-10来流温

20、度对燃烧速度的影响TTcefKTTKSipRTEnnosilm2燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系25（5 5）火焰温度的影响）火焰温度的影响 121620242804080120160200Tf/100C8H18/N2O/N2CS2,C8H18/O2/N2氮化合物，硝酸氮化合物，硝酸盐，盐，乙醇，乙醚乙醇，乙醚碳 氢 化 合 物碳 氢 化 合 物/O2/N2H2/O2/N2图图4-11火焰温度对燃烧速度的影火焰温度对燃烧速度的影响响TTcefKTTKSipRTEnnosilm2燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系26（6 6）惰性添加剂的

21、影响）惰性添加剂的影响 0燃料燃料u0 增加惰性气体增加惰性气体图图4-12添加剂对燃烧速度的影响添加剂对燃烧速度的影响0204060801002004006008001000被惰性气体置换的被惰性气体置换的O2CH4/O2图图4-13惰性组分对燃烧速度的影响惰性组分对燃烧速度的影响置换用的置换用的N2惰性气体惰性气体CO2CO/O2H2/O2u0/cm.s-1燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系27（7 7）活性添加剂的影响）活性添加剂的影响 在在CO/air火焰中增加少量的火焰中增加少量的H2后由于链反应效应可使燃烧速度大为后由于链反应效应可使燃烧速度大为增加。增

22、加。02040608050100150200250H2 CO100 080 2060 4040 6020 800 100空气中的燃料量u0/cm.s-1图4-14 H2CO混合剂在空气中燃烧的速度燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系284.3 可燃气体爆炸 4.3.14.3.1预混气爆炸的温度计算预混气爆炸的温度计算v 以乙醚为例说明预混气爆炸时的温度计算以乙醚为例说明预混气爆炸时的温度计算v 密闭容器中乙醚和空气的预混气的燃烧，由于燃烧速度快，密闭容器中乙醚和空气的预混气的燃烧，由于燃烧速度快，热量来不及散发，可近似看作热量来不及散发，可近似看作绝热等容燃烧绝热等容

23、燃烧，燃烧产生的热，燃烧产生的热量全部用来加热燃烧产物。如果乙醚与空气的比值为化学当量全部用来加热燃烧产物。如果乙醚与空气的比值为化学当量比，并已知燃烧热、燃烧产物量及热容，就可以计算出乙量比，并已知燃烧热、燃烧产物量及热容，就可以计算出乙醚爆炸时的最高温度。醚爆炸时的最高温度。v 理论燃烧温度的计算理论燃烧温度的计算v 爆炸温度的计算爆炸温度的计算298TCVQpiil298TCVQViil燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系29 4.3.24.3.2可燃混气爆炸压力的计算可燃混气爆炸压力的计算v 爆炸前：爆炸前：n1、T1、P1、V1，v 爆炸后：爆炸后：n2、T

24、2、P2、V2（V1）v 则有：则有：P1V1n1RT1，P2V1n2RT2。两式相除得：。两式相除得：v 以乙醚为例：以乙醚为例：C4H10O +6 (O2+3.76N2) = 4CO2 + 5H2O + 63.76N2 n1 = 29.6 n2 = 31.6112212TnTnPP 9MPa9 . 0)25273(6 .29)2500273(6 .311 . 0112212TnTnPP燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系30某些物质的最大爆炸压力某些物质的最大爆炸压力物质物质爆炸压力爆炸压力（105Pa）物质物质爆炸压力爆炸压力（105Pa）乙醛乙醛7.3环乙烷环

25、乙烷8.6丙酮丙酮8.9丙稀丙稀8.6乙炔乙炔10.3二硫化碳二硫化碳7.8乙醚乙醚9.2硫化氢硫化氢5.0乙醇乙醇7.5氯乙烯氯乙烯6.8乙烯乙烯8.9氢氢7.4环氧乙烷环氧乙烷9.9丙烷丙烷8.6苯苯9.0正戊烷正戊烷8.7燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系314.3.3 4.3.3 爆炸时的升压速度爆炸时的升压速度1133PVtSPKPlldKTnTnTnTnKd134112221122(Pa/s) 12tPPV0 40 80 120 160图图4-16 甲烷爆炸时升压速度甲烷爆炸时升压速度计算值计算值（9L球）球）试验值试验值（9L圆柱体）圆柱体）时间（时间

26、（ms）压力（压力（1105Pa）8246燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系32某些可燃气和蒸气的最大爆炸压力和升压速度名称浓度（体积）初压（105）Pa最大爆炸压力（105Pa）最大压力上升速度（105Pa/s）平均压力上升速度（105Pa/s）氢3517.32703730甲烷1017.3533492乙烷717.9464128己烷318.7456117环己烷318.6452121丙酮618.5405119苯418.6500118燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源学院安全与消防工程系334.3.4 4.3.4 爆炸威力指数爆炸威力指数 爆炸威力指数最大爆炸压力爆炸威力指数最大爆炸压力平均平均升压速度升压速度几种可燃气的爆炸威力指数（1010Pa2/s） 4.3.54.3.5爆炸总能量爆炸总能量爆炸总能量可用下式计算爆炸总能量可用下式计算： VQEv气体名称威力指数气体名称威力指数氢5329环己烷1041甲烷676丙酮1012乙烷1011苯1014己烷1018乙炔8859燃烧学燃烧学-第四章第四章中国矿业大学能源