冉景煜版 工程燃烧学--第 06 章

1、重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第六章第六章 燃烧火焰及传播特性燃烧火焰及传播特性热能工程系热能工程系火焰特性火焰特性火焰传播火焰传播 层流火焰层流火焰 湍流火焰湍流火焰 火焰稳定的基本原理火焰稳定的基本原理 燃烧反应控制区燃烧反应控制区 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute o

2、f E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第一节第一节 火焰特性火焰特性热能工程系热能工程系火焰概念火焰概念火焰结构火焰结构火焰种类火焰种类火焰本质火焰本质重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University

3、 l由由燃烧前沿燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域，称为和正在燃烧的质点所包围的区域，称为火焰火焰。l火焰是一种火焰是一种状态状态或或现象现象，是可燃物质和助燃物混合后迅速，是可燃物质和助燃物混合后迅速反应转变为反应转变为燃烧产物燃烧产物的的化学过程化学过程中出现的可见光或其他的中出现的可见光或其他的物理物理表现形式表现形式。l燃烧是燃烧是化学现象化学现象， 同时也是一种同时也是一种物理现象物理现象。31.火焰概念火焰概念重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Envir

4、onment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l火焰结构火焰结构：火焰一般分为三个部分。（火焰一般分为三个部分。（1 1）焰心焰心。中心的。中心的黑暗部分，由能燃烧而还未燃烧的气体所组成。（黑暗部分，由能燃烧而还未燃烧的气体所组成。（2 2）内内焰焰。包围焰心的最明亮部分，是气体未完全燃烧的部分。包围焰心的最明亮部分，是气体未完全燃烧的部分。含着含着碳碳粒子，被烧热发出强光，因供氧不足，燃烧不完全粒子，被烧热发出强光，因供氧不足，燃烧不完全，温度温度最低，有还原作用。（最低，有还原作用。（3 3）外焰外焰。最外层蓝色

5、的区。最外层蓝色的区域域。是气体是气体完全燃烧完全燃烧的部分。因供氧充足，燃烧完全，温的部分。因供氧充足，燃烧完全，温度最高，有氧化作用。度最高，有氧化作用。火焰温度火焰温度由内向外依次增高由内向外依次增高。42.火焰火焰结构结构重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 焰心焰心内焰内焰外焰外焰重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所

6、I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3.3.火焰的分类火焰的分类l按按燃料种类燃料种类：煤气火焰煤气火焰，油雾火焰油雾火焰，粉煤火焰粉煤火焰。l按燃料和氧化剂的按燃料和氧化剂的预混程度预混程度：预混燃烧（动力燃烧）火焰预混燃烧（动力燃烧）火焰，扩散燃烧火焰扩散燃烧火焰，部分预混火焰部分预混火焰。l按按气体的流动气体的流动性质性质：层流火焰层流火焰，湍流火焰。湍流火焰。l按火焰中的按火焰中

7、的相成分相成分：均相火焰均相火焰，非均相（异相）火焰非均相（异相）火焰。l按火焰的按火焰的几何形状几何形状：直流锥形火焰直流锥形火焰，旋流火焰或大张角火旋流火焰或大张角火焰焰，平火焰平火焰。6重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 4.4.火焰的本质火焰的本质l火焰的本质是放热反应中反应区周边空气分子加热而高速运动，伴随火焰的本质是放热反应中

8、反应区周边空气分子加热而高速运动，伴随着发光的现象。火焰内部其实就是不停着发光的现象。火焰内部其实就是不停被激发而游动的气态分子被激发而游动的气态分子。l在火焰在火焰焰心焰心部分部分，粒子运动速度低，粒子运动速度低，光谱光谱集中在集中在红外区红外区，温度低，亮，温度低，亮度度低低；内焰部分内焰部分粒子运动速度中等，光谱集中在粒子运动速度中等，光谱集中在可见光可见光部分，亮度较部分，亮度较高，温度较高；高，温度较高；外焰外焰部分部分粒子运动速度最快，光谱集中在粒子运动速度最快，光谱集中在紫外区紫外区，温，温度最高，亮度高。度最高，亮度高。l反应区向外释放的能量从焰心至外焰逐渐升高，然后急剧下降，

9、使火反应区向外释放的能量从焰心至外焰逐渐升高，然后急剧下降，使火焰有较清晰的轮廓，火焰与周围空气的焰有较清晰的轮廓，火焰与周围空气的边界处边界处即即反应能量骤减处反应能量骤减处。7重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第二节第二节 火焰传播火焰传播热能工程系热能工程系火焰传播的基本概念火焰传播的基本概念火焰传播的基本方式火焰传播的基本方式 可燃

10、混合物火焰正常传播速度确定可燃混合物火焰正常传播速度确定 火焰正常传播速度的影响因素火焰正常传播速度的影响因素 火焰传播界限、淬熄距离、临界直径火焰传播界限、淬熄距离、临界直径 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 一、火焰传播的基本概念l当一个当一个外来高温热源外来高温热源将可燃混合物的某一局部点燃着火时将可燃混合物的某一局部点燃着火时，

11、将形成一个，将形成一个薄层火焰面薄层火焰面，依靠，依靠导热导热作用将能量输送给火作用将能量输送给火焰邻近的冷混合物层，使混合气温度升高而焰邻近的冷混合物层，使混合气温度升高而引起化学反应引起化学反应而燃烧而燃烧。这样。这样一层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整一层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个可燃混合物，这种现象个可燃混合物，这种现象称为称为火焰传播火焰传播。9重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University

12、nvironment, Chongqing University 一、火焰传播的概念一、火焰传播的概念火焰传播示意图火焰传播示意图 假设在一管道容器中充假设在一管道容器中充满了均匀的可燃混合气，满了均匀的可燃混合气，当用电火花或其它加热方当用电火花或其它加热方式在混合气的某一局部，式在混合气的某一局部，例如在管子开口处加热而例如在管子开口处加热而使气体燃料着火，使气体燃料着火，并形成并形成火焰。火焰。 此后依靠此后依靠导热的作用将能量输送给火焰邻近的冷混合气导热的作用将能量输送给火焰邻近的冷混合气层，使混合气温层，使混合气温度升高而引起化学反应，并形成度升高而引起化学反应，并形成新的火焰新的火

13、焰，这样，这样，一层一层的新鲜混合气一层一层的新鲜混合气依次着火，也即薄薄的化学反应区开始由点燃的地方以一定速度向未燃混依次着火，也即薄薄的化学反应区开始由点燃的地方以一定速度向未燃混合气均匀地传播。合气均匀地传播。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 火焰前沿火焰前沿l 已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，已燃区与未燃区之间形成了明显的

14、分界线，化学反应发光区为火焰前沿（或称为化学反应发光区为火焰前沿（或称为火焰锋面）。火焰锋面）。如图所示。如图所示。n火焰传播，指当可燃混合物在某一区域被点燃后，火焰从火焰传播，指当可燃混合物在某一区域被点燃后，火焰从这个区域以一定速度往其他区域传播开去的现象。这个区域以一定速度往其他区域传播开去的现象。该速度为该速度为火焰传播速度。火焰传播速度。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment

15、, Chongqing University 火焰传播速度火焰传播速度l火焰传播速度，火焰传播速度，指燃料燃烧的火焰锋面在法线方向上的移动指燃料燃烧的火焰锋面在法线方向上的移动速度。速度。n火焰在管道中传播，由于管壁的火焰在管道中传播，由于管壁的摩擦摩擦，管道轴心线上的传，管道轴心线上的传播速度要比近管壁处大。播速度要比近管壁处大。粘性使火焰面略呈抛物线的形状，粘性使火焰面略呈抛物线的形状，而不是完全对称的火焰锥。而不是完全对称的火焰锥。浮力浮力的作用又使抛物面变形。同的作用又使抛物面变形。同时由于时由于散热散热，管壁对火焰还有，管壁对火焰还有淬熄作用淬熄作用，当管径太小时，将，当管径太小时，

16、将不能维持火焰传播。不能维持火焰传播。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 二、火焰传播的形式二、火焰传播的形式 如果在静止的可燃混合气中某处发生了化学反应，则随如果在静止的可燃混合气中某处发生了化学反应，则随着时间的进展，此反应将在混合气中传播，根据反应机理的着时间的进展，此反应将在混合气中传播，根据反应机理的不同，不同，稳定的火焰传播可

17、划分为稳定的火焰传播可划分为正常传播（或称为缓燃）正常传播（或称为缓燃）和和爆燃爆燃两种形式。两种形式。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1. 火焰正常传播火焰正常传播l火焰正常传播火焰正常传播是是依靠依靠导热导热和和分子扩散分子扩散使未燃混合气温度升高，使未燃混合气温度升高，并进入反应区而引起化学反应，从而使并进入反应区而引起化学反应

18、，从而使燃烧波不断向未燃混合燃烧波不断向未燃混合气中推进气中推进。l速度一般不大于速度一般不大于1-3m/s 。l正正常传播是稳定的常传播是稳定的，在，在一定的物理、化学条件下一定的物理、化学条件下（例如温度、（例如温度、压力、浓度、混合比等），压力、浓度、混合比等），其其传播速度是一个不变的常数传播速度是一个不变的常数。l从从管子开口端点燃可燃混合气，火焰向内传播即为正常传播管子开口端点燃可燃混合气，火焰向内传播即为正常传播。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E En

19、vironment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2. 爆燃传播爆燃传播l而而爆燃传播爆燃传播不是通过传热和传质发生的，它是不是通过传热和传质发生的，它是依靠依靠激波的压激波的压缩作用缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应，从而使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混合气推进。使燃烧波不断向未燃混合气推进。l传播速度很高，可达传播速度很高，可达10004000m/s，这与正常火焰传播速度，这与正常火焰传播速度形成了明显的对照，其形成了明显的对照，其传播过程也是稳定的传播过程也是稳定

20、的。 l正常传播和爆燃之间会有过渡区，属于不稳定的传播形式。正常传播和爆燃之间会有过渡区，属于不稳定的传播形式。l从管子的从管子的封闭端点燃可燃混合气封闭端点燃可燃混合气，则会发生，则会发生爆燃爆燃。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3.3.火焰正常传播类型火焰正常传播类型l根据燃料气流的流动类型，根据燃料气流的流动类型，火焰正常传播

21、又可分为火焰正常传播又可分为层流火焰层流火焰传播传播和和紊流火焰传播紊流火焰传播两种形式。两种形式。l1）层流火焰传播：）层流火焰传播：当可燃混合物处于静止状态或层流运动当可燃混合物处于静止状态或层流运动状态时状态时，例如在一个直径一定的管子里，可燃混和气着火部，例如在一个直径一定的管子里，可燃混和气着火部分向未燃部分导热和扩散活性粒子，火焰锋面不断向未燃部分向未燃部分导热和扩散活性粒子，火焰锋面不断向未燃部分推进，使其完成着火过程，这称为分推进，使其完成着火过程，这称为层流火焰传播层流火焰传播。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute

22、 of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1 1）层流火焰传播）层流火焰传播l层流火焰传播特征层流火焰传播特征 1：管径的大小，主要由于管径的大小，主要由于管壁的散管壁的散热热，对火焰传播有较大的影响。，对火焰传播有较大的影响。层流火焰传播速度，取层流火焰传播速度，取决于可燃混合物的物理化学性质决于可燃混合物的物理化学性质。 l层流火焰传播特征层流火焰传播特征 2：层流火焰传播为层流火焰传播为缓慢燃烧火焰传缓慢燃烧火焰传播播，依靠，依靠导

23、热或扩散使未燃气体混合物温度升高导热或扩散使未燃气体混合物温度升高，火焰，火焰一层一层依次向未燃部分传播。一层一层依次向未燃部分传播。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 2 2）紊流火焰传播）紊流火焰传播l紊流火焰传播：紊流火焰传播：当火焰传播过程中可燃混合气处于当火焰传播过程中可燃混合气处于紊流状态紊流状态时，热量和活性粒子的传输就会大

24、大加速时，热量和活性粒子的传输就会大大加速，因而加快了火焰，因而加快了火焰的传播，这称为紊流火焰传播。的传播，这称为紊流火焰传播。l特征：特征：紊流火焰传播速度不仅与紊流火焰传播速度不仅与可燃混合气体的物理化学性可燃混合气体的物理化学性质有关质有关，还与气流的湍动程度还与气流的湍动程度有关。有关。 紊流火焰传播速度较快，在紊流火焰传播速度较快，在200cm/s以上。一般工业技以上。一般工业技术的燃烧都属于紊流火焰传播。术的燃烧都属于紊流火焰传播。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy &

25、amp; E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3）电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播特征电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播特征l电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播：电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播：l正常情况正常情况下为下为缓慢燃烧的紊流火焰传播缓慢燃烧的紊流火焰传播。可燃物在某一局部。可燃物在某一局部区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出区域着火后，火焰从这个区域向前移动，逐步传播和扩散出去。去。火焰传播火焰传播速度约速度约13m/s。l如果如果燃烧工况不好燃烧工况不好，比如燃烧不完全，会有可燃物质

26、在炉膛，比如燃烧不完全，会有可燃物质在炉膛内聚集，当未燃混合物数量增多到某一浓度时，绝热压缩将内聚集，当未燃混合物数量增多到某一浓度时，绝热压缩将逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为逐渐增强，缓慢的火焰传播过程就可能自动加速，转变为爆爆炸性燃烧炸性燃烧。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3）电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播特征

27、电站煤粉锅炉炉膛内的火焰传播特征l炉膛炉膛出现爆燃烧出现爆燃烧时，时，火焰传播速度极快火焰传播速度极快，可达，可达10003000m/s，温度极高温度极高，达，达6000；压力极大压力极大，达，达2.0265Pa （20.67大气大气压）。压）。l爆燃是由于可燃物质以很高的速度燃烧，燃烧生成热来不及散爆燃是由于可燃物质以很高的速度燃烧，燃烧生成热来不及散失，失，使炉内温度迅速升高，高温烟气绝热膨胀，产生压力波使炉内温度迅速升高，高温烟气绝热膨胀，产生压力波，使未燃混和物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，产生使未燃混和物绝热压缩，火焰传播速度迅速提高，产生爆炸燃爆炸燃烧。烧。l爆燃爆燃会造成严重事

28、故，应该避免这种现象在锅炉运行中出现会造成严重事故，应该避免这种现象在锅炉运行中出现。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l理论分析法理论分析法21三、可燃混合物火焰正常传播速度确定0limHndnvd pHnvvw或或重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energ

29、y & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l实验方法实验方法三、可燃混合物火焰正常传播速度确定2200LSrhrvHLqvS2200vHqvhrr重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l过量空气系数的影响过

30、量空气系数的影响l燃料化学结构的影响燃料化学结构的影响l混合可燃物初始温度混合可燃物初始温度T T0 0的影响的影响l火焰温度的影响火焰温度的影响l压力的影响压力的影响l惰性物质含量的影响惰性物质含量的影响l可燃气体混合物性质影响可燃气体混合物性质影响23四、火焰正常传播速度的影响因素重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 1、过量空气系数、

31、过量空气系数 l在燃烧过程中，为了使燃料尽可能地完全燃烧，实际供给的在燃烧过程中，为了使燃料尽可能地完全燃烧，实际供给的空气量一般要多于按化学当量比例混合的理论空气量，空气量一般要多于按化学当量比例混合的理论空气量，实际实际空气量与理论空气量之比空气量与理论空气量之比称为称为过量空气系数过量空气系数。24重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University

32、 l理论火焰的正常传播速度在理论火焰的正常传播速度在=1 =1 时最大。实验表明时最大。实验表明，最大火焰传播速度，最大火焰传播速度v vH Hmaxmax发生在含可燃物浓度稍浓，发生在含可燃物浓度稍浓，即比化学当量的比例稍大的混合物中（即即比化学当量的比例稍大的混合物中（即1 1）。）。这一现象至今尚未有令人满意的解释。这一现象至今尚未有令人满意的解释。 vH重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvi

33、ronment, Chongqing University l可能的原因：最高可能的原因：最高燃烧温度燃烧温度也是也是偏向富燃燃烧区偏向富燃燃烧区的；在燃的；在燃料比较富裕的情况下，火焰中料比较富裕的情况下，火焰中自由基自由基H H，OHOH等等浓度较大浓度较大，链，链锁反应的链断裂率较少，因而反应锁反应的链断裂率较少，因而反应速度较快速度较快。l实验表明，碳氢化合物实验表明，碳氢化合物vHmax的值发生在的值发生在=0.96=0.96处，且该处，且该值值不随压力与温度改变不随压力与温度改变。26vH重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitut

34、e of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 几种气体在与空气混合时的火焰传播浓度极限（在几种气体在与空气混合时的火焰传播浓度极限（在0.1MPa，20时）时） 气体气体 浓度下限，浓度下限，% 浓度上限，浓度上限，% 最高火焰传播速度最高火焰传播速度 =1时的传时的传播 速 度 ，播 速 度 ，m/s 所处浓度，所处浓度，% 速度，速度，m/s 氢氢H2 6.5 65.2 42 2.67 1.6 乙炔乙炔C2H2 3.5 52.3 10

35、1.35 1.0 乙烯乙烯C2H4 4.0 14.0 7 0.63 0.5 一 氧 化 碳一 氧 化 碳CO 16.3 70.9 43 0.42 0.3 甲烷甲烷CH4 6.3 11.9 10.5 0.37 0.28 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l不同燃料的火焰正常传播速度差别很大，不同燃料的火焰正常传播速度差别很大，H H2 2

36、的火焰传播速度最高的火焰传播速度最高；COCO的火焰传播速度较低的火焰传播速度较低。l碳氢类燃料的碳氢类燃料的分子量愈大，可燃性的范围就愈窄分子量愈大，可燃性的范围就愈窄。对于饱和碳氢化对于饱和碳氢化合物（合物（烷烃类烷烃类），其最大火焰传播速度（），其最大火焰传播速度（0.7 m/s0.7 m/s）几乎与分子中的）几乎与分子中的碳原子数碳原子数n n无关，而对于一些非饱和碳氢化合物（无关，而对于一些非饱和碳氢化合物（烯烃烯烃及及炔烃类炔烃类），），碳原子数较小的燃料，其层流火焰传播速度却较大。当碳原子数较小的燃料，其层流火焰传播速度却较大。当n n增大到增大到4 4时时，v vH H的值将陡

37、降，而后，随的值将陡降，而后，随n n进一步增大而缓慢下降，直到进一步增大而缓慢下降，直到n n88时，时，就接近于饱和碳氢化合物的就接近于饱和碳氢化合物的v vH H值。值。282. 燃料化学结构的影响燃料化学结构的影响重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 碳氢化合物燃料火焰传播速度碳氢化合物燃料火焰传播速度vH大小顺序为：大小顺序为：

38、（vH）炔）炔（vH）烯）烯（vH）烷）烷 。vH重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3 3、初始温度、初始温度初温对火焰传播速度的影响初温对火焰传播速度的影响 初温对不同燃料火焰传播速度的影响初温对不同燃料火焰传播速度的影响 vHvH重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of

39、E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3 3、初始温度、初始温度l温度对火焰传播速度影响很大。初始温度温度对火焰传播速度影响很大。初始温度T升高，理论升高，理论燃烧温度燃烧温度Tm也会升高，这样火焰传播速度会随温度呈指也会升高，这样火焰传播速度会随温度呈指数增大。数增大。因此如果将气体预先加热后再送人燃烧室，则因此如果将气体预先加热后再送人燃烧室，则火焰传播速度能得以提高。如果将气体混合物预先加热火焰传播速度能得以提高。如果将气体混合物预先加

40、热到到着火温度着火温度Tzh，则火焰传播速度在上述的理论上应趋向，则火焰传播速度在上述的理论上应趋向于无限大。于无限大。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 3、混合可燃物初始温度混合可燃物初始温度T0的影响的影响 l混合可燃物初始温度混合可燃物初始温度T T0 0对火焰传播速度影响显著。对火焰传播速度影响显著。l提高可燃物初始温度提高可燃

41、物初始温度T T0 0，则气体，则气体分子运动动能分子运动动能增大，传热增大，传热增强且分子碰撞频率加大，可大大促进化学反应速度，从增强且分子碰撞频率加大，可大大促进化学反应速度，从而提高火焰传播速度。而提高火焰传播速度。32重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 4. 火焰温度的影响火焰温度的影响 lTr对对vH的影响显然是很强的，可的影响

42、显然是很强的，可以说以说vH主要取决于主要取决于Tr。l当当Tr超过超过2500 K时，对时，对vHmax影响影响更大。因为在高温下，更大。因为在高温下，气体离解气体离解反应反应的加速，从而使的加速，从而使自由基自由基的浓的浓度大大增加。作为链载体的自由度大大增加。作为链载体的自由基的扩散，既促进了反应，又增基的扩散，既促进了反应，又增强了火焰传播强了火焰传播。33重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University n

43、vironment, Chongqing University l火焰火焰传播速度传播速度vH与压力具有下列关系：与压力具有下列关系： lm为为刘易斯压力指数刘易斯压力指数，对于各种不同碳氢化合物的可燃混，对于各种不同碳氢化合物的可燃混合气，合气，m值可由下图给出（值可由下图给出（m=n/2-1）。）。 mHvp345、压力影响、压力影响Hmvp一般燃烧反应的反应级数一般燃烧反应的反应级数n为为12 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chon

44、gqing University nvironment, Chongqing University l当火焰传播速度较当火焰传播速度较低低，即，即vH 0.5m/s，此时，因，此时，因m0，所以随着压力，所以随着压力下降下降，火，火焰传播速度焰传播速度增大增大；l当当0.5 vH 1m/s时，因时，因m=0，故火焰传播速度与压，故火焰传播速度与压力力无关无关；l而当而当vH 1m/s时，因时，因m0，则火焰传播速度随着压力则火焰传播速度随着压力增大而增大增大而增大。 35重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy &

45、amp; nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 6. 惰性物质含量的影响惰性物质含量的影响l在可燃混合气体中掺入惰性组分会影响火焰传播速度。一在可燃混合气体中掺入惰性组分会影响火焰传播速度。一方面，掺入的惰性气体一般不参与燃烧过程，直接方面，掺入的惰性气体一般不参与燃烧过程，直接影响燃影响燃烧温度烧温度，从而影响燃烧速度。另一方面，惰性物质的加入，从而影响燃烧速度。另一方面，惰性物质的加入，在一定程度上将改变可燃混合气体的，在一定程度上将改变可燃混合气体的热物理性质热物理

46、性质，在也，在也将影响火焰传播速度。将影响火焰传播速度。l实验表明，掺入实验表明，掺入惰性组分量越大惰性组分量越大，火焰传播速度越低火焰传播速度越低。此。此外，惰性组分还将外，惰性组分还将缩小可燃界限缩小可燃界限，并使，并使最大火焰传播速度最大火焰传播速度向燃料浓度减小方向移动向燃料浓度减小方向移动。36重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University

47、 3722(1 0.010.012)HHNCOvvxx重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 387 7、燃料性质及添加剂、燃料性质及添加剂vH vH vH 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment,

48、 Chongqing University nvironment, Chongqing University 五、火焰传播界限五、火焰传播界限l火焰传播能够存在的浓度范围叫做火焰传播能够存在的浓度范围叫做火焰传播界限火焰传播界限（或称火（或称火焰传播范围）。焰传播范围）。l可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常传播速度为零可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常传播速度为零的浓度值称为的浓度值称为下限下限；高于某值而使正常速度为零的浓度值；高于某值而使正常速度为零的浓度值称为称为上限上限。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E

49、 Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University 六、淬熄距离与临界直径六、淬熄距离与临界直径l在在邻近容器壁面只有数毫米之内邻近容器壁面只有数毫米之内的地方，壁面的散热作用十分强烈，以的地方，壁面的散热作用十分强烈，以至火焰不能传播。这段距离称为至火焰不能传播。这段距离称为淬熄距离淬熄距离。l在在很细的管子里，壁面散热十分强烈很细的管子里，壁面散热十分强烈，以致火焰也不能传播。这时的管，以致火焰也不能传播。这时的管径叫做径叫做临界直径临界直径。 l凸出的

50、曲面的火焰锋面凸出的曲面的火焰锋面暴露在低温的可燃混合物之中，几面受到冷却，暴露在低温的可燃混合物之中，几面受到冷却，火焰锋面温度将降低，所以火焰锋面温度将降低，所以火焰传播速度也要降低一些火焰传播速度也要降低一些。l反凹进去曲面的火焰锋面反凹进去曲面的火焰锋面，火焰锋面对其前面的低温可燃混合物形成钳，火焰锋面对其前面的低温可燃混合物形成钳形包围，几面导热的结果使可燃混合物升温加快，结果形包围，几面导热的结果使可燃混合物升温加快，结果火焰传播速度将火焰传播速度将增大一些。增大一些。 重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E En

51、ergy & nergy & E Environment, Chongqing Universitynvironment, Chongqing University第三节第三节 层流火焰层流火焰热能工程系热能工程系预混可燃混合物在流速不高（层流状态）的下的燃烧火焰，称为预混可燃混合物在流速不高（层流状态）的下的燃烧火焰，称为层流火焰层流火焰。层流火焰焰锋结构层流火焰焰锋结构层流火焰传播理论层流火焰传播理论层流火焰传播速度层流火焰传播速度重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy

52、 & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l如果在本生灯直管内的预混可燃气体流动为层流，则在管口处可得如果在本生灯直管内的预混可燃气体流动为层流，则在管口处可得到稳定的到稳定的正锥形正锥形火焰前锋。在如果层流火焰在火焰前锋。在如果层流火焰在管道内传播管道内传播，则焰锋，则焰锋呈呈抛物线形抛物线形；若在管内的层流预混可燃气流中安装；若在管内的层流预混可燃气流中安装火焰稳定器火焰稳定器，则，则会形成会形成锥形焰锋锥形焰锋。l层流中的火焰前锋形状是多种多样的。但在焰锋面的两侧必然是层流中的火

53、焰前锋形状是多种多样的。但在焰锋面的两侧必然是未未燃的预混可燃混合物气体燃的预混可燃混合物气体和和已燃的烟气已燃的烟气，在很薄的焰锋面内进行着，在很薄的焰锋面内进行着剧烈的燃烧化学反应和强烈的两类气体混合。剧烈的燃烧化学反应和强烈的两类气体混合。421、层流火焰焰锋结构层流火焰焰锋结构形状形状一、层流火焰焰锋结构一、层流火焰焰锋结构重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongq

54、ing University l（1）火焰前锋是一很火焰前锋是一很窄窄的区的区域，它在这很窄的宽度内（域，它在这很窄的宽度内（由截面由截面0-0到到a-a）完成）完成化学反化学反应、热传导和物质扩散应、热传导和物质扩散等过等过程，并且由于火焰前锋的宽程，并且由于火焰前锋的宽度和度和表面曲率很小表面曲率很小，可以认，可以认为在焰锋内为在焰锋内温度和浓度只是温度和浓度只是坐标坐标x的函数的函数。432、层流火焰焰峰特性层流火焰焰峰特性火焰前锋火焰前锋重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy &a

55、mp; E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l在在火焰前锋内火焰前锋内，95% 98%的燃料发的燃料发生了化学反应。火焰焰锋的宽度很小生了化学反应。火焰焰锋的宽度很小，但在此宽度内温度和浓度变化很大，但在此宽度内温度和浓度变化很大，出现，出现极大的温度梯度极大的温度梯度dT/dx和浓度和浓度梯度梯度dc/dx。l热流热流的方向从高温火焰向低温新鲜混的方向从高温火焰向低温新鲜混合气，而合气，而扩散流扩散流的方向则从高浓度向的方向则从高浓度向低浓度，反之，燃烧低浓度，反之，燃烧产物分子产物分子，如

56、已，如已燃气体中的自由基和活化中心则向新燃气体中的自由基和活化中心则向新鲜混合气方向扩散。鲜混合气方向扩散。44火焰前锋火焰前锋（2）火焰前锋存在极大的温度梯度）火焰前锋存在极大的温度梯度dT/dx和浓度梯度和浓度梯度dc/dx，有强烈，有强烈的热流和扩散流。的热流和扩散流。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l在火焰前锋厚度的很大一部分

57、区域在火焰前锋厚度的很大一部分区域 ，化学反应速度很小，这部分称为可燃，化学反应速度很小，这部分称为可燃混合物的混合物的“预热区预热区”。化学反应主要集。化学反应主要集中在很窄的区域中在很窄的区域 中中，在这个区域内，在这个区域内反应速度、温度和活化中心的浓度都达反应速度、温度和活化中心的浓度都达到了最大值。称为到了最大值。称为“化学反应区化学反应区”，也，也称为火焰前锋的称为火焰前锋的“化学宽度化学宽度”。l预热区预热区”温度和浓度的变化主要由于温度和浓度的变化主要由于导导热和扩散热和扩散，新鲜混合气在此处得到加热，新鲜混合气在此处得到加热。在。在“化学反应区化学反应区”，化学反应速度随化学

58、反应速度随着温度的升高按指数函数规律急剧的增着温度的升高按指数函数规律急剧的增大，反应物浓度不断减少大，反应物浓度不断减少。45pc预热区预热区化学反应区化学反应区（3 3）存在）存在 “ “预热区预热区”和和“化学反应区化学反应区”。重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l层流火焰传播理论目前有层流火焰传播理论目前有热力理论热力理论和和扩

59、散理论扩散理论两种。两种。l1 1、热力理论热力理论： 火焰中化学反应主要是由于火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化热量的导入使分子热活化而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从于从反应区向新鲜预混可燃混合物反应区向新鲜预混可燃混合物传热的传热的传导率传导率。 热力理论并不否认火焰中心有活化中心存在和扩散，热力理论并不否认火焰中心有活化中心存在和扩散，但认为在一般的燃烧过程中但认为在一般的燃烧过程中活化中心的扩散对化学反应活化中心的扩散对化学反应速度的影响不是主要的速度的影响不是主要的。46二、层流火焰传播理论重庆大学能源与

60、环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University nvironment, Chongqing University l2、扩散理论扩散理论 层流火焰传播中火焰传播在火焰中分子的迁移不仅层流火焰传播中火焰传播在火焰中分子的迁移不仅是由于是由于强迫对流的作用强迫对流的作用，而且还由于，而且还由于扩散的作用扩散的作用。热量。热量的迁移不仅靠的迁移不仅靠对流对流，也有，也有导热导热。因此，预混可燃气的燃。因此，预混可燃气的燃烧不仅受烧不仅

61、受化学动力化学动力控制，而且还受控制，而且还受扩散作用扩散作用的控制。的控制。 因因而，层流火焰传播中火焰前沿在预混气中的移动，主要而，层流火焰传播中火焰前沿在预混气中的移动，主要是是由于反应区放出之热量不断向新鲜混合气中传递及新由于反应区放出之热量不断向新鲜混合气中传递及新鲜混合气不断向反应区中扩散的结果鲜混合气不断向反应区中扩散的结果。 火焰中的化学反应主要是由火焰中的化学反应主要是由活化中心活化中心（如（如H、OH等）等）向向新鲜预混可燃混合物扩散，促使其链锁反应发展所致。新鲜预混可燃混合物扩散，促使其链锁反应发展所致。47重庆大学能源与环境研究所重庆大学能源与环境研究所 I Institute of nstitute of E Energy & nergy & E Environment, Chongqing University