第五章 火焰传播和火焰稳定性

1、第五章第五章火焰传播和火焰稳定性火焰传播和火焰稳定性刘雪玲天大热能工程系研究的问题研究的问题n层流火焰传播速度n湍流火焰传播速度n影响火焰传播的因素n火焰稳定性问题。火焰分类火焰分类预混合火焰锥体预混合火焰锥体按火焰面位置：移动火焰和驻定火焰移移移动火焰移动火焰基本概念基本概念n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。n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。层流火焰层流火焰 湍流火焰湍流火焰按预混气流动状态：层流火焰和湍流火焰火焰前沿（前锋、波前）火焰前沿（前锋、波前）已已

2、燃燃气气新鲜混气新鲜混气火火焰焰前前沿沿已燃的区域和未燃的区域之间形成的分界线特征尺寸极薄，可看成几何面发光的火焰层，化学反应区火焰的传播速度火焰的传播速度已燃气已燃气未燃气未燃气ndn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。平面火焰的传播方式平面火焰的传播方式n正常火焰传播速度（缓焰波） 预混气火焰前锋燃烧产物爆震波火焰前锋多个火焰中心电电点点火火v不正常火焰传播（爆震波） 层流火焰传播理论层流火焰传播理论层流火焰传播理论分为： 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

3、同时起作用。火焰结构及其特征pcCf,0T0TiTm火焰前锋驻定u0=uLTm,Cf,00up,Tmpi+x-xw火火焰焰结结构构及及参参数数分分布布示示意意图图Cf00火焰结构及其特征火焰结构及其特征n火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反应区n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n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。燃烧前沿的导热微分方程燃烧前沿的导热微分方程对于绝热条件，火焰面的边界条件为能量微分方程为：WQdxdTdxddxdTCupL00,0,0dxdTTTxdxdTTTxm层流火焰传播速度层流火

4、焰传播速度uL表达式（表达式（1）n在预热区：反应速度W近似为零积分后：dxdTdxddxdTCupL000TTCudxdTipLp泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解边界条件：iTTxdxdTTTx,0,p0层流火焰传播速度层流火焰传播速度uL表达式（表达式（2） 在反应区：反应区温度升高所消耗的能量近似为零积分后：边界条件：ipmTTxdxdTTTx,;0,022WQdxTdmiTTCWQdTdxdT2WQdxdTdxddxdTCupL0层流火焰传播速度层流火焰传播速度uL表达式（表达式（2）拐点处：00TTCudxdTipLp则求得传播速度为：CPdxdTdxdT202202TTC

5、WQdTuiPTTLmimiTTCWQdTdxdT2层流火焰传播速度层流火焰传播速度uL表达式（表达式（3）因为预热区反应速度很小因为反应区温度变化不大:火焰传播速度为：层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关iTTWdT00mimTTTTWdTWdT000TTTTmiWQTTWdTQTTWQdTmmiTTmTTi00002202TTCWQumPL在固定火焰、稳定燃烧条件下：导入热量获得热焓量ATTQLmD/0)(00TTCAuQmPLh火焰传播速度WauLPCa0tAQtmCQpLLu宏观角度分析：选定燃料的火焰速度计算公式选定燃料的火焰速度计算公式 往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压

6、力下的经验公式：22refL,)(MMBBu 参考温度下：式中： ) 1(22. 016. 0) 1(8 . 018. 2Ydil2：稀释剂的浓度：当量比；数；：由燃料类型确定的常、MMBBatmPKTrefref1298、参考状态指： )1.21(/dilrefrefrefL,YPPTTuuL 时：KT350燃料(cm/s)(cm/s)甲醇丙烷异辛烷RMFD-3031.11.081.131.1336.9234.2226.3227.58-140.51-138.65-84.72-78.34MMB2B例题：例题：针对下述几种工况，对汽油空气混合物在 下的层流火焰速度进行比较：（1）参考状态：（2）

7、典型的电火化点火的条件，即： （3）条件与（2）相当，但有15的废气回流量。8 . 0atmPKT38.18,685atmPKTrefref1298、影响火焰传播速度的因素影响火焰传播速度的因素n燃料、氧化剂性质及其混合比n压力n初始温度n添加剂燃料、氧化剂性质及其混合比影响燃料、氧化剂性质及其混合比影响n燃料种类 火焰传播速度不同是由于燃料的热物理性质和化学反应性质不同造成。甲烷 乙烷丙烷丁烷乙烯 氢气CO人工煤气0.430.450.4870.4720.4530.793.45-3.570.175-0.191.0常用燃料层流时的火焰传播速度（=1）v燃料浓度的影响火焰传播只发生在一定浓度界限内

8、,燃料气过贫或过富，火焰都无法传播。在火焰传播浓度界限之外，传播速度等于零。 两者都在化学恰当比浓度XFS附近达到最大火焰传播速度。氢气预混气比一氧化碳预混气的火焰传播浓度界限要窄得多。280H2/空气CO/O2 0 20 40 60 80 10004080120160200240XfuL压力的影响压力的影响压力对火焰传播速度的影响取决于反应的压力指数（n-2)/2压力指数对uL的影响2/10WuLnpW 20nLpu0p22npuL20nLpu0-0.30.3201001000(n-2)/2uL2n2n初始温度的影响初始温度的影响初始温度提高 实验结果mLTu0m=1.52 经验公式2021

9、3011045. 0TTuuLLcm/s预热到着火的时间缩短燃烧反应带温度提高反应速度加快气体导热系数增加 气体密度减小。火焰传播速度增大添加剂的影响添加剂的影响n活性添加剂（H2） 火焰传播界限和火焰传播速度随活性添加剂浓度改变而发生明显变化。n惰性添加剂（CO2、N2、He） 火焰传播速度减小，火焰传播界限缩小，火焰传播极限向燃料浓度减小方向偏移。n催化剂（铂、钯、铯） 加入混合气中对火焰传播速度有明显的影响。加入H2对CO预混气uL的影响加入CH4对CO预混气uL的影响活性添加剂H2 CO%0 100100 00 40 800250uLXfCH4 CO%100001000 40 7006

10、0uLXf惰性添加剂0.81.400.5uL(m/s)当量比0.81.400.5uL(m/s)当量比加入N2对甲烷uL的影响加入CO2对甲烷uL的影响0%N250%N258.8%N20%CO225%CO232.1%CO2催化剂的影响催化剂的影响 CO/空气反应中加入水蒸汽： 干CO/空气： 潮湿CO/空气：m/s4020Lum/s106LuLu，浓度活性中心W)OHH,(层流火焰传播速度的测量方法层流火焰传播速度的测量方法肥皂泡法球弹法平面火焰法本生灯法测定方法分类 移动火焰测定法 驻定火焰测定法测定方法：肥皂泡法实际火焰传播速度公式：ddrauL1其中fdDa03缺点：并非所有混气适用受水分

11、影响实现困难移动火焰测量法球弹法球弹法火焰传播速度ddpkprrRddruL2333优点 可测定不同压力下、温度下的以及高压情况下的火焰传播速度 只适用火焰传播速度快的混合气移动火焰测量法移动火焰测量法平面火焰法n驻定火焰测量法n使用专门的火焰烧嘴n火焰传播速度等于气流速度n测量的结果准确n适用于火焰传播速度较低的预混气体。网格网格平面火焰平面火焰整流网整流网预混气预混气惰性气体惰性气体本生灯法本生灯法平均的层流火焰传播速度：sinuuL或者22RHRVuL 驻定火焰测定法RHLu湍流火焰传播不同燃烧速率时湍流火焰表面不同燃烧速率时湍流火焰表面窄缝燃烧湍流火焰表面窄缝燃烧湍流火焰表面层流火焰和

12、湍流火焰的不同层流火焰和湍流火焰的不同层流火焰层流火焰湍流火焰湍流火焰外观清晰，火焰层薄外观清晰，火焰层薄外观模糊，火焰层厚外观模糊，火焰层厚长度较长长度较长长度较短长度较短火焰稳定，表面光滑火焰稳定，表面光滑火焰抖动，呈毛刷状火焰抖动，呈毛刷状燃烧时较安静燃烧时较安静燃烧时有噪声燃烧时有噪声流动面积小，粘度系数大流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小流动面积大，粘度系数小湍流火焰传播特点：层流火焰湍流火焰 湍流使火焰面变弯曲，增大反应面积 湍流加剧了热和活性中心的输运速率，增大燃烧速率 湍流缩短混合时间，提高燃烧速率 湍流燃烧，燃烧加强，反应率增大预混气火焰传播速度的实验结果Re23

13、00, 实验图形实验图形1LTuu，层流状态 2300Re6000, 21ReLTuu，小尺度湍流火焰 6000Re18000, BAuuLT0Re，大尺度湍流火焰1）邓克尔实验0 4 8 12 16 Re 20X10012345uT/uLRe对火焰传播速度的影响小尺度大尺度返回3) 达郎托夫经验公式预混气火焰传播速度的实验结果2）博林杰威廉姆斯经验公式24.0026.0Re18.0duuLT3 . 04 . 07 . 06 . 0)()(3 . 5LLTuuuu3 . 04 . 07 . 06 . 0)()(3 . 5LTLuuuuu时，预混气火焰传播速度的实验结果) ,()Re,(0uuf

14、uufuLTLT湍流火焰传播经验公式总结：湍流火焰传播速度影响因素： 混合气性质、浓度、初温、初压，流动状态 湍流火焰传播速度： 混合气的物理化学性质 流动状态（Re）湍流火焰传播理论n皱折表面理论 湍流脉动火焰面皱褶变形燃烧反应表面积增大燃烧速度增大湍流火焰传播速度增大 实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。n容积扩散理论。 湍流混合强度决定了火焰传播速度。 实质：湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，实质：湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。皱折表面理论层流及湍流火焰前锋示意图：1）

15、小尺度湍流火焰传播速度模型21ReluuuLT)(Ll 湍流火焰传播速度：)/(ca 混合气的物理化学性质 流动状态（Re）层流：auL湍流：TTau aauuTLT)/(caTTlu湍流扩散系数（涡粘性系数）：ReduluaaT21ReluuuLT邓克尔用本生灯湍流火焰实验证实了此式。皱折表面理论模型2）大尺度弱湍流火焰传播速度模型aluaauuLT121LLTLTuuAAuu进一步发展的小尺度湍流火焰传播速度模型LLuul,皱折表面理论模型3）大尺度强湍流火焰传播速度模型DLTuuu12LDluu12LLTluuu4）达朗托夫假定气团l0火焰速度uM=uL+u气团尺寸减小l火焰速度变为uL

16、LLuul,皱折表面理论模型0lluuuddlLMLLTuuCuuu1ln火焰向气团内部的传播速度：3 . 04 . 07 . 06 . 0)()( 3 . 5LLTuuuu与实验结论相吻合。容积扩散理论微团多个新的微团强湍流脉动作用整体燃烧与其他微团结合边混合边反应达到着火条件没达到着火条件湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。性及着火燃烧条件有关。湍流混合强度决定了火焰传播速度。湍流混合强度决定了火焰传播速度。湍流两种燃烧模型判据表面燃烧模型保持了层流火焰前锋的基本结构，燃烧表面积增大。解释弱湍流。容积燃烧

17、模型混合气微团受到脉动的冲击，表面燃烧已不存在，而是微团整体的反应。解释强湍流。判据K定义：湍流脉动特征时间火焰前锋燃烧特征时间mCCmLLttttuluK11/大尺度弱湍流：: ),( 1LLuulK皱褶表面理论起主要作用大尺度强湍流：),( 1LLuulK容积燃烧理论起主要作用大尺度较强湍流：）（LLuulK,1两个理论都可以用火焰的稳定性火焰稳定概念： 没吹熄（脱火），没回火； 火焰区位置和体积稳定。主要内容： 火焰稳定的条件 稳定火焰的方法一维平面火焰稳定的条件w0=uL,火焰驻定点火w0uLuLuLw0w0uL,产生吹熄（脱火）火焰稳定条件uLw0本生灯口层流火焰稳定机理本生灯火焰特

18、点：n 外凸边缘火焰n 穿透距离（熄火距离）n 径向火焰传播速度不同 wn0最大，uL0最大 wnr最小，uLr最小wn0uL0wnruLr圆顶凸缘wn0uL0wnruLr圆顶凸缘本生灯口层流火焰稳定机理onLwwu900cosw， ，火焰伸长w ， ，火焰变短 米海尔松顾己定律或余弦定律wwwnuL理想火焰面理想火焰面 切向速度sinwwt火焰微元段速度分析圆锥形火焰自动稳定机理灯壁灯壁射流边界射流边界Rx1）管口0-0截面：外界大气外界大气ywiuLi0w0uL01w1uL1A2w2uL2BC3w3uL3D00wuL2）1-1截面 ： 1111AwuwuLL点：相切于、3）2-2截面 ：

19、22222222:,:CB:CBwuwuwuwuLLLL其余间点、相交于、4）3-3截面 ： 3333DwuwuLL点：相切于、点火热源区分析圆锥形火焰自动稳定机理区域收缩、火焰上移D灯壁射流边界回火区外界大气123Rw001yxwiuLiuL0A区域拉长、火焰下移点火热源区收缩为零，出现吹熄点火热源区进入喷嘴内，出现回火DAw,) 1DAw,)2max)3ww min)4ww回火和脱火的临界条件（1）20201rrww0020rwdrdwrr2000.022rwwrdrVr030.0840dwrVdrdwGrr体积流量：喷嘴出口流速分布：径向速度梯度：回火和脱火的临界条件（2）030.084

20、0dwrVdrdwGrr临界吹熄梯度GcrA临界回火梯度GcrB临界吹熄流量VcrA临界回火流量VcrBf(w)f(V)Gd00一定：喷嘴尺寸一定，即火焰吹熄火焰回火回火和脱火的临界条件（3）1）吹熄临界极限比较陡峭脱火区火焰稳定区回火区边界速度梯度G00.7 0.81.45000500102燃气相对浓度（1/）1.0 1.22) 富燃料混合气稳定燃烧的工作范围较大CH4/AIR混气火焰稳定特性3) 化学当量比附近，混合气最 容易回火，其临界速度梯度GcrB4) 混合气浓度确定，一固定喷嘴，回火临界梯度是一个常数constdwrVGcrcrcrB030.84回火与脱火的临界条件天然气天然气/空

21、气在不同喷嘴孔径时的空气在不同喷嘴孔径时的回火特性曲线回火特性曲线讨论：讨论：d0 易回火， GcrB d0 不易回火， GcrB d0 =constCf CfsCf Cfs最易回火GcrB Max回火与脱火的临界条件n讨论天然气天然气/空气在不同喷嘴孔径时的空气在不同喷嘴孔径时的吹熄特性曲线吹熄特性曲线熄熄火火d0 不易吹熄， GcrA d0 易吹熄， GcrA d0 =constCf GcrA 防止回火的办法基本方法基本方法1）喷口处的UL 2）混合气在喷口处w 具体措施：具体措施：1）减小喷嘴孔径大d0多个小d0，GcrB 2）冷却喷嘴头部T壁，T混合气，UL 3）减小混合气的1Cf偏离

22、Cfs，Cf UL 4）改进喷嘴结构和材料：外散热好,内散热不好, T混合气5）保持较高的喷嘴内压力6）采用扩散燃烧1 0w 高速混合气流的火焰稳定稳定火焰的方法钝体稳焰，旋转射流或逆喷射流稳焰，值班火焰稳焰，突扩通道或偏转射流稳焰钝体稳焰的机理 钝体稳焰器钝体：高速气流中放置的非流线型物体矩形截面V型截面圆形截面稳定性好稳定性差不同截面形状的钝体稳焰器钝体稳焰的机理回流区：截面上轴向速度为负值的区域环流区：回流区 外侧的顺流区回流区回流区环流区环流区iiV型槽（钝体）下游的流场火火焰焰钝体稳焰理论能量理论(1)n能量理论回流区热量新鲜混合气T0着火温度TB吸热回流区点火热源提供的能量：WQVQr混合气燃烧吸收的能量：)(0.TTCmQBps2.dwm)/(11gasairfConstpTdwQQnmrs速度梯度G钝体稳焰理论能量理论(2)讨论：)/(11gasairfConstpTdwQQnmrs表明混合气消耗能量与提供能量之比取决于混合气性质与燃烧反应条件Qs/Qr ，维持火焰稳定所需要的能量Qs/Qr 临界值， 火焰就熄火Qs/Qr 临界值VcrA，wcrA反应级