第三节 扩散火焰及预混火焰

1、第三节第三节扩散火焰与预混火焰扩散火焰与预混火焰1 1、什么叫做、什么叫做扩散火焰和预混火焰？扩散火焰和预混火焰？2 2、扩散火焰、预混火焰形状？扩散火焰、预混火焰形状？3 3、扩散火焰和预混火焰有什么特点？扩散火焰和预混火焰有什么特点？一、扩散火焰和预混火焰的定义：一、扩散火焰和预混火焰的定义：1、扩散燃烧：、扩散燃烧： 可燃气体从喷口喷出，在喷口处与空气可燃气体从喷口喷出，在喷口处与空气中的氧气边扩散混合、边燃烧的现象，中的氧气边扩散混合、边燃烧的现象，称为扩散燃烧。称为扩散燃烧。例如：例如：管道、容器泄露口发生的燃烧，天然气井管道、容器泄露口发生的燃烧，天然气井口发生变得井喷。口发生变得

2、井喷。井喷井喷煤气泄露煤气泄露2、燃烧速度：、燃烧速度： 取决于可燃气体扩散速度。取决于可燃气体扩散速度。 气体扩散的快，扩散燃烧速度就快，气气体扩散的快，扩散燃烧速度就快，气体扩散多少，扩散燃烧反应就燃烧多少。体扩散多少，扩散燃烧反应就燃烧多少。3、扩散火焰：扩散火焰：扩散燃烧时所形成的火焰。扩散燃烧时所形成的火焰。4、预混燃烧：、预混燃烧： 可燃气体和氧气（或空气）预先混合成可燃气体和氧气（或空气）预先混合成均匀的混合气，混合气在燃烧器内进行均匀的混合气，混合气在燃烧器内进行着火、燃烧的过程称为预混燃烧。着火、燃烧的过程称为预混燃烧。也称也称动力燃烧动力燃烧，燃烧过程受燃烧过程受可燃可燃气

3、体的浓度、气体的浓度、初始温度初始温度、管道直径等化学动力学因素、管道直径等化学动力学因素的影响。的影响。例如：例如：使用气焊气割时，乙炔使用气焊气割时，乙炔和和氧气氧气的混合。的混合。本生灯。本生灯。本生灯本生灯5、燃烧速度：、燃烧速度： 取决于取决于可燃可燃气体的浓度、气体的浓度、初始温度初始温度、管、管道直径。道直径。过量空气系数，过量空气系数， 0.93；可以大大促进可以大大促进化学反应速度化学反应速度。6、预混火焰：预混火焰：预混燃烧时所形成的火焰。预混燃烧时所形成的火焰。二、扩散火焰、预混火焰形状：二、扩散火焰、预混火焰形状：1、预混燃烧在燃烧前，燃料与氧气已经在燃烧器内充分混合。

4、它是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式。根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完全燃烧，分为部分预混和完全预混燃烧两类。 一一 燃烧方式与火焰结构燃烧方式与火焰结构2、部分预混和完全预混燃烧用数值表示：一次空气系数：燃气混合的空气量与该燃气燃烧的理论空气量之比，用a1 表示。（1）0a1 r, m 化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度混合速度，与化，与化学反应速度关系不大学反应速度关系不大预混燃烧：预混燃烧： m r, r 混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于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反应速度(化化学动力因素学动力因素)

5、，与混合过程关系不大，与混合过程关系不大动力动力- -扩散燃烧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本生灯一次空气消耗系数一次空气消耗系数1：从底部吸入的空气为一次空气量：从底部吸入的空气为一次空气量二次空气消耗系数二次空气消耗系数2：从出口引射所得的空气为二次空气量：从出口引射所得的空气为二次空气量总空气消耗系数总空气消耗系数： = 1 + 2（1） 1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环，燃烧所需的空气全部由外界环境通过引射提供，属于境通过引射提供，属于扩散燃烧扩散燃烧；（2） 1 1，从本生灯的底部供入的空气充，从本生

6、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，足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制，属于属于动力燃烧动力燃烧；（3） 01 1，当管，当管中混气为贫油时中混气为贫油时的动力火焰。此的动力火焰。此时混气中有足够时混气中有足够氧气，不需要从氧气，不需要从外界获取氧气，外界获取氧气，故火焰光滑，随故火焰光滑，随着着1增大，火焰增大，火焰变长变长(b)1 =1，化，化学恰当比下学恰当比下的动力火焰。的动力火焰。此时温度高，此时温度高，火焰传播速火焰传播速度快，故火度快，故火焰高度最短焰高度最短(c)1 1，富油燃烧，富油燃烧，此时混气燃料多而此时混气燃料多而氧气少，故有剩余氧气少，故有剩余

7、燃料。此时出现两燃料。此时出现两个火焰锋面，内焰个火焰锋面，内焰大致相当于大致相当于1 =1的的动力型火焰，外焰动力型火焰，外焰面为剩余燃料经扩面为剩余燃料经扩散获得外界氧气燃散获得外界氧气燃烧而形成，称为扩烧而形成，称为扩散火焰，内焰温度散火焰，内焰温度较高，外焰则较低较高，外焰则较低(d)1 =0，管，管中供应的为中供应的为纯油气。所纯油气。所需氧气全部需氧气全部从外界获得，从外界获得，故为纯扩散故为纯扩散燃烧，火焰燃烧，火焰最长最长扩散火焰扩散火焰层流扩散火焰层流扩散火焰质量扩散以质量扩散以分子扩散分子扩散形式实现形式实现湍流扩散火焰湍流扩散火焰质量扩散以质量扩散以气团扩散气团扩散形式实

8、现形式实现扩散燃烧过程取决于混合过程。流动速度、流动状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影响不大强化扩散燃烧的有效措施是强化扩散燃烧的有效措施是加强混合过程加强混合过程，改善掺，改善掺混条件混条件第二节第二节 扩散火焰特点扩散火焰特点扩散火焰不产生回火，但温度低扩散火焰不产生回火，但温度低扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解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：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，火焰既不被吹跑（脱火、吹熄）也不产生回火，而是始

9、终而是始终“悬挂悬挂”在管口。在管口。当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄当气流速度过大时，扩散火焰被吹熄第三节第三节 层流扩散火焰结构层流扩散火焰结构过通风火焰过通风火焰氧化剂流量超过燃料燃烧氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总所需的化学恰当量（即总的氧化剂过量）。火焰靠的氧化剂过量）。火焰靠近圆柱管的中心线上近圆柱管的中心线上欠通风火焰欠通风火焰燃料量超过化学计量值，燃料量超过化学计量值，（即燃料过量），火焰向（即燃料过量），火焰向外壁蔓延外壁蔓延在在“快速化学反应快速化学反应”的极限条件下，化学反应时间的极限条件下，化学反应时间chem远小于远小于流动特征时间流动特征时间chem t

10、ransport(或或diffusion)火焰结构由反应物和能量的分子火焰结构由反应物和能量的分子扩散决定（即扩散过程是最慢的、扩散决定（即扩散过程是最慢的、控制反应速度的过程），火焰可控制反应速度的过程），火焰可以从分开燃料和氧化剂的表面取以从分开燃料和氧化剂的表面取一个薄层来模拟。一个薄层来模拟。火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为火焰处燃料和氧化剂的质量扩散流率为化学恰当比化学恰当比。由于由于chem transport(或或diffusion)故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为故燃料和氧化剂浓度在火焰面上为0层流流动时，混合以分子扩散形式进行，在两股对流交界层流流动时，混合以分子扩散形式进行

11、，在两股对流交界面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在面上，燃料向空气射流扩散，空气向燃料扩散，在=1处处形成火焰锋面形成火焰锋面在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度在火焰锋面，燃料浓度和氧气浓度均为零，燃料产物浓度达到最大值，然后向两侧扩散达到最大值，然后向两侧扩散焰面外侧：焰面外侧：空气空气+ +燃烧产物燃烧产物焰面内侧：焰面内侧：燃料燃料+ +燃烧产物燃烧产物焰面：焰面：燃料与空气的理论浓度为零燃料与空气的理论浓度为零层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律层流扩散火焰的温度和各组分浓度的分布规律在射流速度较低在射流速度较低时，火焰保持层时，火焰保持层流状态，火焰前流

12、状态，火焰前沿面光滑、稳定、沿面光滑、稳定、明亮、清晰明亮、清晰随着射流速度增随着射流速度增加，火焰高度增加，火焰高度增加，直到某一最加，直到某一最大值，此时火焰大值，此时火焰仍然保持层流仍然保持层流在增大射流速度，顶在增大射流速度，顶部开始出现颤动、皱部开始出现颤动、皱折、破裂，表明端部折、破裂，表明端部出现湍流，由于湍流出现湍流，由于湍流脉动，湍流扩散混合脉动，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短使火焰高度缩短继续增加射流速度，火焰端部的继续增加射流速度，火焰端部的湍流区长度增加，开始颤动、皱湍流区长度增加，开始颤动、皱折、破裂的点（转变点）向喷口折、破裂的点

13、（转变点）向喷口方向移动，火焰的总高度则明显方向移动，火焰的总高度则明显缩短，直到破裂点靠近喷口。此缩短，直到破裂点靠近喷口。此时火焰达到完全湍流状态，此后时火焰达到完全湍流状态，此后破裂点位置不变（或与管口距离破裂点位置不变（或与管口距离略有缩短）、火焰高度趋于定值，略有缩短）、火焰高度趋于定值，但噪音增加但噪音增加第四节第四节 湍流扩散火焰湍流扩散火焰扩散燃烧火焰长度的变化规律扩散燃烧火焰长度的变化规律（1 1）层流扩散火焰区层流扩散火焰区：火焰高度（长度）与气流速度成正：火焰高度（长度）与气流速度成正比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着

14、流速上升，火焰长度增加）；焰长度增加）；（2 2）扩散火焰过渡区扩散火焰过渡区：火焰高度（长度）随气流速度的增：火焰高度（长度）随气流速度的增大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流大而减小，喷嘴附近为层流火焰，上部为湍流火焰，气流速度越大，层流状火焰长度越短；速度越大，层流状火焰长度越短；（3 3）湍流火焰区湍流火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火

15、焰有褶皱和噪音）褶皱和噪音）火焰高度火焰高度RRvvRevRDvRHDQDQHttmml222:;:2:湍流扩散系数体积流量层流根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：根据射流形式不同，湍流扩散火焰大致可分为：（1 1）自由射流湍流扩散火焰）自由射流湍流扩散火焰（2 2）受限射流湍流扩散火焰）受限射流湍流扩散火焰（3 3）同心射流湍流扩散火焰）同心射流湍流扩散火焰（4 4）旋转射流湍流扩散火焰）旋转射流湍流扩散火焰（5 5）逆向射流湍流扩散火焰）逆向射流湍流扩散火焰相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分析的方法求解。主要靠析的

16、方法求解。主要靠数值方法数值方法求解。也有一些关于火焰长求解。也有一些关于火焰长度和半径的度和半径的经验公式经验公式对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：个因素：（1）初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗初始射流动量通量与作用在火焰上的力之比，即火焰弗卢德数卢德数Frf（2）化学恰当燃料质量百分数）化学恰当燃料质量百分数fs=1/(L0+1)（3）喷管内流体密度与环境气体密度之比）喷管内流体密度与环境气体密度之比e/ （4）初始射流直径）初始射流直径di2/1*2/14/12/3/:,/:/:）（即动量直径综合为一个参数直径与

17、初始射流境密度之比将喷管内流体密度与环为出口流速为燃烧特征温度，其中火焰弗卢德数定义如下ejjjeefjfeerfdddvTgdTTfvF235:)07. 01 (5 .135:)/(:*5/125/2*2/1*LFFFLFdfLLdfLLrfrfrfrfjsfejsf验公式为，无因次火焰长度的经在动量其主要作用区域验公式为，无因次火焰长度的经在浮力起主要作用区域或式无因次火焰长度经验公甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：（1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；（2）甲烷出口密度很小，使得动量直径显著变小，这个较小）甲烷出口密度很小，使得动量直径显著变小，这个较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（尽管甲烷的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（尽管甲烷