燃气燃烧与应用-chap4

第四章燃气燃烧的火焰传播

(FlamePropagation)第一节火焰传播的理论基础第二节法向火焰传播速度的测定第三节影响火焰传播速度的因素第四节混合气体火焰传播速度的计算第五节紊流火焰传播第六节火焰传播浓度极限意义：

火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性；对火焰的稳定性、互换性有很大的影响；涉及：

燃烧方法的选择……燃烧器的设计……安全……

第一节火焰传播的理论基础火焰的定义

快速放热的气相反应、以亚音速在空间传播，同时伴随可见光辐射。空间传播特性：化学反应、气体流动、分子扩散、热量转移等综合作用未燃的可燃混合物是分层的；在某一点上点燃后，形成火焰；火焰是热量、自由基的中心；热量以导热的形式向未燃的相邻区域传递；自由基以扩散的形式向相邻区域传播。相邻区域温度升高、自由基浓度增大，着火。形成火焰的传播过程。火焰传播的基本物理概念（1）火焰传播的基本物理概念（2）1.焰面(FlameFront):

火焰锋面、火焰前锋燃烧反应进行的区域；未燃气体与燃烧产物的分界面；2.火焰传播速度：

焰面的移动速度；符号S表示。单位为m/s,m3/m2.s

意义：单位面积上、单位时间内燃烧的可燃混合物的体积。一、火焰传播的方式（一）正常火焰传播(缓燃波Deflagration)

由于传热作用，高温焰面将热量传给未燃气体，使其着火、燃烧；依次传遍整个体积。等压下进行。1.层流火焰传播LaminarFlamePropagation依靠分子扩散、导热等实现火焰的传播。2.紊流火焰传播TurbulentFlamePropagation依靠紊流扩散等实现传播。法向火焰传播速度Sn问题的描述：

火焰在管状的静止气体中传播；传播方向与焰面垂直；传播速度的大小与管壁散热有关散热对火焰传播的影响管径越小，散热对火焰传播影响越大；

小到一定程度→火焰不能传播管径越大，对火焰传播的影响越小；

大到一定程度→散热影响完全消失

→此时的火焰传播速度达到最大

法向火焰传播速度：Sn

可见火焰传播速度Sv管径增大时，由于燃烧及管壁散热，在焰面附近引起扰动，焰面皱曲，此时焰面的移动方向仍为管子轴向，但不是焰面的法向。沿管子的轴向移动的速度称为可见火焰速度，记作Sv。显然Sv>Sn层流火焰传播速度的大小层流时一般很小；H2最大：Sn=2.8m/s;Sv=4.85m/s;CH4最小：Sn=0.38m/s;Sv=0.67m/s;在d=25.4mm管子中的实验结果紊流火焰传播气流成为紊流状态：

紊流扩散系数大于分子扩散热量传递加剧火焰速度增大；St>SnSt不仅与可燃混合物的物理化学性质有关，还与紊动程度有关(Re/管径等)（二）爆炸(Explosion)背景：

均匀的燃气-空气混合物在密闭容器内局部着火，燃烧放热与高温产物热膨胀，压力急剧升高。结果：

未燃气体绝热压缩；瞬间燃烧完毕。爆炸自身(缓慢)加热或点燃（三）爆燃(Detonation)管子的长与短

短管——燃烧产物及时排出，等压下燃烧；长管——燃烧产物对未燃气体绝热压缩，产生激波；火焰到达之前未燃气体已到着火温度；可燃混合物“一层”“一层”地燃烧。着火的原因：冲击波的绝热压缩；火焰传播速度：1000~3500m/s;极具破坏力二、法向火焰传播理论问题的描述：一端封闭(点燃)、一端开口的管子；假设管子不散热焰面不皱曲；热量传递仅依靠分子热传导进行；燃烧过程在等压下进行。焰面移动、气流静止焰面的移动速度焰面静止、气流反向移动气流的移动速度需回答的问题法向火焰传播速度Sn=?焰面厚度δ=？燃烧反应时间=？可燃混合物的历程冷态时——浓度为C0，温度为T0；接近焰面时——被预热(温度逐渐升高)，但未发生化学反应，C0近似不变。T0Ti

——开始着火，经感应期后到达Ti

’，

进行剧烈燃烧，温度很快升高到Tth；

浓度从温度Ti时开始下降，燃烬时C=0。可燃组分的浓度变化曲线沿火焰厚度方向的温度变化曲线燃烧产物的浓度分布曲线化学反应速度曲线火焰的结构焰面以左：预热区+感应区厚度ph反应速度很慢焰面以右：反应区厚度ch化学厚度ch<物理厚度ph在火焰锋面中取一薄层，讨论在单位时间内/单位面积内的平衡情况。连续性方程：动量方程：能量方程：混合物自身的焓变化导热导致的净能量变化化学反应产生的热量在未燃处的边界条件：在燃尽处的边界条件：将火焰分为预热区和反应区，其交界处的温度为Ti在预热区中忽略化学反应在反应区中忽略自身的能量变化从T0~Ti积分从Ti~Tm积分交界面上的热流量连续Ti是未知量；可利用已知条件简化：化学反应集中在反应区，预热区中反应速率很小。反应区内的温度变化很小，为进一步简化；定义T0~Tm之间的平均反应速率分析1、导温系数a=/Cp;化学反应时间与平均反应速率成反比，即可有层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比；与化学反应时间的平方根成反比。层流火焰传播速度是可燃混合物的物理化学常数2、压力的影响平均的燃烧反应速率对理想气体，成立综观反应级数一般n=1.5~2，所以Sn随着压力增大而减小！3、火焰的厚度由和火焰厚度与导温系数成正比，与火焰速度成反比。导温系数与温度、压力的关系是因此压力越低，火焰厚度越大。第二节法向火焰传播速度的测定

一般可使用实验方法测出各种单一气体在一定条件下的火焰传播速度；再计算得到混合气体的火焰速度。技术上的困难定义：焰面为平面；焰面与火焰传播方向或气流方向垂直。难以实现目前采用的实验方法焰面不能严格垂直于气流，但焰面必须是平面；焰面不是平面，而有很小的曲率，但气流方向必须与焰面垂直。静力法（动态火焰法）焰面在静止的可燃混合物中运动；

火焰核法；皂泡法；管子法；动力法(静态火焰法)

焰面静止；可燃混合物以层流状态与火焰传播方向做相反运动。球形火焰法；锥形火焰法；平面火焰法倒置火焰法；新月形火焰法；管子法原理管子内充满可燃混合物；点燃后形成火焰、在管子内移动；用照相机或摄象机记录火焰在不同时刻的位置。

注意Vb=100Vt保持燃烧过程中压力不变实际情况管子散热，导致气流紊动，焰面成为曲面，所测的火焰速度为可见火焰传播速度。当管子直径增大到一定程度，火焰传播速度将接近于Sn……但是，直径越大，气流紊动越强烈，焰面弯曲越大，二者相差越大……随着管子直径减小，散热的影响增大，可见火焰传播速度减小。当小到某一值时，管子的散热使火焰无法传播。此时的直径称做“临界直径”——dc在工程上，dc可用来防止回火

H2:dc=0.9mm;CH4:dc=3.5mm;

焦炉气：dc=2mm管子法总结直观；受管径影响比较大、准确性不够；只能在相同管径下对各种燃气的实验结果进行比较。氢气水煤气CO乙烯炼焦煤气乙烷甲烷高压富氧汽化煤气皂泡法(火焰核法)原理：

皂泡是一个球体，火焰的传播是对称的；焰面与火焰传播的方向垂直；皂泡具有弹性壁面，可自由膨胀，过程是等压的。计算：按照皂泡的膨胀率(火焰空间所占体积的变化)问题与解决皂泡溶液蒸发，导致气体混合物变湿。对CO，问题尤甚；含净化剂的甘油无水皂泡皂泡的扩张速度起始时的皂泡半径结束时的皂泡半径本生火焰法一次空气→内锥；二次空气→外锥；Benson火焰的特点直径略大于管口直径，根部较平

近管口处的未燃气体向外扩散，火焰根部不与管口衔接——火焰外凸；顶部较平顶点附近散热损失小，活化中心集中，火焰传播速度大，向未燃气体溯进——顶部变圆。只有圆锥中部比较真实地代表了混合气参数下的层流火焰面。Sn计算原理对管口出口断面和锥形火焰面，列连续性方程：燃烧器出口断面积燃烧器出口处空气-燃气混合物的平均流速火焰内锥表面积出口处的平均流速火焰内锥表面积火焰表面的位置/面积测量符合法向火焰传播速度的定义；光学方法：发光法、阴影法、纹影法、干涉法；发光法：靠近火焰的一面比真正面积大；阴影法：测的是密度梯度最大的位置，处于中间值；纹影法、干涉法：测定的是密度的直接分布情况、靠近混合物一侧，较为准确。颗粒示踪法Lewis-VonElbe提出；在可燃混合物中掺入氧化镁/氯化铵/硅油烟雾等既闪光、又不引起化学反应的微小颗粒——连续频闪摄象；由频闪和颗粒移动距离，计算颗粒移动速度；颗粒移动速度=气流速度；Benson内锥微粒移动轨迹——流线内锥焰面大部分Sn为常数中心处有所下降边缘处Sn下降平面火焰法平面火焰的面积容易测量；Powling燃烧器。多孔板/蜂窝格/整流网平面火焰防止外围空气的扩散破坏火焰外缘的平整性适合火焰速度低于15cm/s的气体不同方法测量值的比较锥形火焰法平面火焰法Powling火焰CH4第三节影响火焰传播速度的因素一、燃气浓度(混合气比例)的影响Snmax在燃气比例略高于化学计量比处稍富时：自由基浓度高；断链概率小；稍富时，火焰温度最高，反应速度最快；氢气（化学计量比29.6%）CO（化学计量比29.6%）乙烯（化学计量比6.54%）丙烯炼焦煤气存在上限/下限！！！二、燃气性质的影响导温系数越大，火焰传播速度越大。1、导温系数H2:=0.186,Snmax=2.8m/s;CH4:=0.0286,Snmax=0.38m/s2、分子结构炔族>烯族>烷族燃料分子量越大，火焰速度越小；烷烃：火焰速度与碳原子数无关；烯烃/炔烃：碳原子数以4为界，下降速度趋缓。碳原子数三、温度的影响1、初始温度的影响T0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰温度的影响初始温度四、压力的影响1、一般燃烧反应：n<2;2、质量燃烧速率随压力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=25~50cm/s的火焰，n<2;Sn=50~100cm/s的火焰，n=2;Sn>100cm/s的火焰，n=2;Sn>800cm/s的火焰，n=2.5;压力对火焰传播速度的影响五、惰性气体的影响CO中加入少量的水，火焰速度快速增大——近1倍！惰性气体加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加组分的具体影响，需按照对物性、化学反应途径等的影响来全面考虑。CO的火焰速度与水蒸汽含量的关系无水1——1.5%N2+98.5%O2;2——20%N2+80%O2;3——40%N2+60%O2;4——60%N2+40%O2;5——70%N2+30%O2;6——75%N2+25%O2;7——79%N2+21%O2;第四节混合气体火焰传播速度的计算有必要、有条件时，可进行实验测试；或按照经验公式、根据单一气体的最大火焰传播速度，进行计算。CO<20%(以燃气中的可燃组分为100%计)N2+CO2<50%(扣除燃气中的O2所对应的空气！！！)计算公式的适用条件准确程度：与实测的偏差小于5%燃气中O2所对应的N2燃气中的O2所对应的空气考虑惰性气体的影响各单一气体的最大法向火焰传播速度各单一气体在最大法向火焰传播速度时的一次空气系数计算燃气最大火焰速度的数据第五节紊流火焰传播与层流相比：

层流——火焰锋面很薄、光滑；紊流——锋面变厚、焰面抖动/粗糙。燃烧速度增大十几倍或更高。一、紊流火焰结构燃烧反应在发光的燃烧区内完成；少量未燃尽气体在高温燃烬区内继续燃烧；紊流火焰特点：焰面皱曲、轮廓模糊；焰面厚度较大、火焰高度较短；火焰稳定性变差，易脱火；燃烧时噪声较大。二、紊流火焰传播的一般结论1、紊流火焰的传播取决于紊流流动特性：St与Re有关Re<2300,St/Sn=1Re=2300~6000,St/SnRe1/2Re>6000,St/SnRe2、紊流火焰速度与混合物浓度的关系与层流时基本相同在气流速度较小时，相对层流而言，受浓度影响较小层流紊流表征紊流特性的参数气流脉动速度的时均方根值紊动微团从形成到分裂过程所经过的平均自由行程表示紊流程度的强弱表示紊动范围的大小，尺度的大小层流火焰的厚度紊流火焰的种类划分小尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度弱紊动大尺度强紊动焰面厚度稍大于层流焰面皱曲不存在连续焰面紊流火焰结构图示小尺度紊动大尺度弱紊动大尺度强紊动容积燃烧模型燃烧产物新鲜混合气部分燃尽气体三、紊流火焰的表面理论主要论点：层流火焰锋面的基本结构未发生变化，燃烧集中于锋面中；紊流火焰比层流火焰传播速度大的原因：传递过程的加快、焰面的增大；小尺度紊流对层流火焰aA=a+DTSnSt紊流扩散系数所以由于当有小尺度紊流一般只发生在燃烧器管壁附近；只有在小口径管子