燃烧理论第四讲火焰传播理论

一、层流火焰传播机理在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源，使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及生成活性中心，使其相继着火燃烧。在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、燃烧，形成一层新的火焰。反应依次往外扩张，形成瞬时的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为层流火焰传播速度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速度)，简称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界面即为火焰锋面，或称火焰面。第一页，共36页。

静止均匀混合气体中的火焰传播流管中的火焰锋面第二页，共36页。取一根水平管子，一端封住，另一端敞开，管内充满可燃混合气。点火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移动，由于管壁的摩擦和向外的热量损失、气体的粘性、热气体产生的浮力，使其成为倾斜的弯曲焰面。如果管子相当长，那么火焰锋面在移动了大约5～10倍管径的距离之后，便明显开始加速，最后形成速度很高的(达每秒几千米)高速波，这就是爆振波。如果将可燃混合物置于一个封闭的容器内，氧化反应释放出的热量会导致容器内压力上升，反应速率越大，则压力上升越快，压力上升又会进一步加快反应速率，导致压力不断升高，如果容器不能承受其压力就会爆裂开来，这种伴随着压力不断上升的燃烧现象称之为爆炸。正常燃烧属于稳定态燃烧，可视为等压过程；而爆振和爆炸属不稳定态燃烧，是靠气体的膨胀来局部压缩未燃气体而形成的冲击波。在民用燃具和燃气工业炉中，燃气的燃烧均属于正常燃烧。第三页，共36页。若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形成一平整的火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播速度相平衡，火焰面便驻定不动。这是流动可燃混合气稳定燃烧的必要条件。层流火焰传播理论第一是热理论，它认为控制火焰传播的主要是从反应区向未燃气体的热传导。第二是扩散理论，认为来自反应区的链载体的逆向扩散是控制层流火焰传播的主要因素。第三是综合理论，即认为热传导和活性中心的扩散对火焰的传播可能同等重要。大多数火焰中，由于存在温度梯度和浓度梯度，因此传热和传质现象交错地存在着，很难分清主次。下面介绍由泽尔多维奇等人提出的热理论。

第四页，共36页。火焰层结构及温度、浓度分布第五页，共36页。在火焰锋面上取一单位微元，对于一维带化学反应的稳定层流流动，其基本方程为：连续方程动量方程p≈常数能量方程（微元体本身热焓的变化等于传导的热量加上化学反应生成的热量）对于绝热条件，火焰的边界条件为

第六页，共36页。为求定Sn(u0)，提出了一种分区近似解法，把火焰分成预热区和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，在反应区中略去能量方程中温度的一阶导数项。预热区中的能量方程为其边界条件是假定Ti是预热区和反应区交界处(温度曲线曲率变化点)的温度，从T0到Ti进行积分，(下标“I”表示预热区)第七页，共36页。反应区的能量方程为其边界条件是乘式后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）第八页，共36页。Ti为未知，进一步变换可得

表示在Tm～T0之间反应速率的平均值

第九页，共36页。层流火焰传播速度可看作是可燃混合物的主要特性，从中可以得出如下定性结论：层流火焰传播速度与平均热导率的平方根成正比，与热容的平方根成反比，因此层流火焰传播速度与气体混合物的物理常数有关。层流火焰传播速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，若将气体预热到Ti，则层流火焰传播速度就会趋向于无穷大。可燃混合物的热效应及化学反应速率显著地影响着层流火焰传播速度。可燃混合物的过剩空气系数亦将影响其层流火焰传播速度，当α>1或α<1时都会降低层流火焰传播速度。第十页，共36页。二、湍流火焰传播在湍流流动时，火焰面变得混乱和曲折，形成火焰的湍流传播。在研究湍流火焰传播时，把焰面视为一束燃气与已燃气之间的宏观整体分界面，也称为火焰锋面。湍流火焰传播速度也是对这个几何面来定义的，用St表示。在湍流火焰中有许多大小不同的微团作不规则运动。如果微团的平均尺寸小于层流火焰锋面的厚度，称为小尺度湍流火焰；反之，则称为大尺度湍流火焰。当微团的脉动速度大于层流火焰传播速度(u′>Sl)时，为大尺度强紊动火焰，反之为大尺度弱紊动火焰。关于大尺度强紊动的火焰传播机理，不同学者有不同的解释，因而形成了湍流火焰的表面理论和容积理论。第十一页，共36页。湍流火焰的传播速度比层流时要大得多，其理由为(1)湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加，但是曲面上的传播速度仍保持为层流火焰速度。(2)湍流脉动增加了热量和活化中心的传递速度，反应速率加快，从而增大了垂直火焰表面的实际燃烧速度。(3)湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合，缩短混合时间，提高燃烧速度。湍流火焰模型(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流；(d)容积湍流燃烧

1—燃烧产物；2—新鲜混气；3—部分燃尽气体第十二页，共36页。三、层流火焰传播速度的测定层流火焰传播速度不能用精确的理论公式来计算。通常是依靠实验方法测得单一燃气或混合燃气在一定条件下的Sn值，有时也可依照经验公式和实验数据计算混合气的火焰传播速度。 尚缺少完全符合Sn定义的测定方法。精确测量Sn的困难在于几乎不可能得到严格的平面状火焰面。测定Sn的实验方法，一般可归纳为静力法和动力法两类。（一）、静力法测定Sn1、管子法 静力法中最直观的方法是常用的管子法，测定时，用电影摄影机摄下火焰面移动的照片，已知胶片走动的速度和影与实物的转换的比例，就可算出可见火焰传播速度Sv。在这种情况下，底片上留下的是倾斜的迹印，根据倾斜角可以确定任何瞬间的火焰传播速度。第十三页，共36页。

用静力法(管子法)测定Sn的仪器1—玻璃管；2—阀门；3—火花点火器；4—装有惰性气体的容器由于燃烧时气流的紊动，焰面通常不是一个垂直于管子轴线的平面，而是一个曲面。设F为火焰表面积，f为管子截面积，可得Svf=SnFSv>Sn。管径越大，紊动越强烈，焰面弯曲度越大，Sv与Sn的差值也越大。第十四页，共36页。管径越大，管壁散热对火焰传播速度的影响越小，如焰面不发生皱曲，则随着管径的增大火焰传播速度上升，并趋向于极限值Sn。但实际上管径增大时焰面要发生皱曲。管径越大，焰面皱曲越烈，因而Sv值随管径的增加而不断上升。当管径小到某一极限值时，向管壁的散热大到火焰无法传播的程度，这时的管径称为临界直径dc。临界直径在工程上是有意义的，可利用孔径小于临界直径值的金属网制止火焰通过。图2-22火焰传播速度与管径的关系第十五页，共36页。

管子法测得的可见火焰传播速度与燃气空气混合物成分的关系(d=25.4mm)l—氢；2—水煤气；3—一氧化碳；4—乙烯；5—炼焦煤气；6—乙烷；7—甲烷；8—高压富氧化煤气第十六页，共36页。2、皂泡法将已知成分的可燃均匀混合气注入皂泡中，再在中心用电点火化点燃中心部分的混合气，形成的火焰面能自由传播(气体可自由膨胀)，在不同时间间隔出现半径不同的球状焰面。用光学方法测量皂泡起始半径和膨胀后的半径，以及相应焰面之间的时间间隔。即可计算得火焰传播速度。这种方法的主要缺点是肥皂液蒸发对混合气湿度的影响。某些碳氢燃料对皂泡膜的渗透性、皂泡球状焰面的曲率变化以及湍流脉动等因素，都会给测定结果带来误差。另一种类似的方法是球形炸弹法。球弹中可燃混合气点燃后火焰扩散时其内部压力逐步升高。根据记录的压力变化和球状焰面的尺寸，可算得火焰传播速度。

第十七页，共36页。（二）、动力法测定Sn1、本生火焰法图本生火焰由内锥和外锥两层焰面组成，内锥面由燃气与预先混合的空气进行燃烧反应而形成的，静止的内锥焰面说明了内锥表面上各点的Sn(指向锥体内部)与该点气流的法向分速度υn是平衡的。内锥面上每一点的速度存在以下关系。本生火焰示意图1—内锥面；2—外锥面第十八页，共36页。如气体出口速度分布均匀，则可假定内锥为一几何正锥体，并认为内锥焰面上各点的Sn均相等。这样，便可测得层流火焰传播速度的平均值，且具有足够的准确性。

当混合气出流稳定时，按连续方程有

式中F0——燃烧器出口截面积；

υm——燃气-空气混合物在燃烧器出口处的平均流速；

Sn——平均层流火焰传播速度；

Ff——火焰的内锥表面积。再设内锥为一底半径是r高度为h的正锥体，只要准确测得气体流量和火焰内锥高度，便可按下式求得层流火焰传播速度第十九页，共36页。有关火焰中气流速度比较精确的测量方法简要介绍如下。(1)颗粒示踪法它是在可燃混合气中掺入一种既能闪光、又不会引起化学反应的细小物质颗粒，并连续加以频闪照射。对频闪照射的粒子进行拍摄，可据此确定气流的流线谱。根据示踪间歇的距离和频闪速度，可以计算得颗粒在气流中的运动速度。示踪颗粒运动是与气体质点运动同步的，颗粒速度即代表该处气流速度。(2)激光测速法激光测速的基本原理是利用光学多普勒效应。当一束激光照射到流体中跟随一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光的频率相比较，就会产生一个与微粒运动速度成正比的频率偏移。第二十页，共36页。通过火焰内锥的流线分布情况层流火焰传播速度沿燃烧器截面的分布第二十一页，共36页。2、平面火焰法Powling燃烧器和Mache-Hebra喷嘴可提供平面和盘状火焰，此类火焰的面积比较容易精确测量。可燃均匀混合气进入直径较大的圆管，通过装在管口的多孔板或蜂窝格及整流网等，形成出口平面处速度的均匀分布。点燃混合气，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性气体将火焰包围，用以限定火焰面的大小。只要准确测得火焰平面的面积和混合气流量，即可求得层流火焰传播速度(Sn=Lmix／Ff)。此法的优点是火焰的发光区、浓度梯度最大处等都重叠在同一平面上，因而用不同方法测量结果是一致的。气流速度(即火焰传播速度)也可用颗粒跟踪方法或激光测速法测定。第二十二页，共36页。Powling燃烧器不同方法Sn测定值的比较l—锥形火焰；2—平面火焰；3—Powling火焰第二十三页，共36页。四、影响火焰传播速度的因素通过分析火焰传播速度公式，可以定性地了解到可燃混合气的初温、压力、燃气浓度及热值等物理化学参数对火焰传播速度的影响1.混合气比例的影响燃气-空气混合物中，火焰传播速度与混合物内的燃气含量直接有关。燃气和空气的混合比例变化时，Sn

也随之变化。由图可见，所有单一燃气或混合燃气的Sn值随混合物中燃气含量变化的曲线均呈倒U形，中间最大，两侧变小直至最小值，接近于最小值的含量即为混合物着火浓度的上限和下限。当混合物中的燃气含量低于下限或高于上限时，由于反应释放热量不足而使火焰传播停止。实验观测表明，以空气作为氧化剂时，Sn最大值是在燃气含量略高于化学计量比时出现的。其原因是当混合物中燃气含量略高时，火焰中H、OH等自由基的浓度较大，链反应的断链率较小所致。对于大多数火焰，当混合比接近于化学计量比时，火焰燃烧速度最大，一般认为火焰温度达到最高时，其传播速度也最大。第二十四页，共36页。燃气-空气混合物的Sn与燃气含量的关系1—H22—COd—C2H44—C3H65—CH46—C2H67—C3H88—C4H109—炼焦煤气10—发生炉煤气第二十五页，共36页。2.燃气性质的影响火焰传播速度首先与燃气的物性有关。从传热角度分析，气体导热系数越大，热量传递越快，越有利于燃烧反应，则Sn也越大。例如H2，热导率最大。碳氢燃料的结构对火焰传播速度也有不同的影响。由图中曲线可见，对于饱和烃类(CH4除外)，如C2H6、C3H8等，火焰传播速度几乎与分子中的nc无关，约为70cm/s左右。但对不饱和烃燃料，则火焰速度随nc的增多而减小，并且在nc<4的范围内，Sn下降很快，但当nc>4时，则Sn又下降缓慢，并逐步趋向于一极限值。这些结果，可用反应活化能不同(含碳多者活化能大)或者反应中离子(如H、O、OH等)的扩散速度不同来解释。实验结果还表明，随着燃料分子量的增大，火焰传播范围也越来越小。因为燃料分子量增大，混合气总分子量也变大，使得混合气密度增大，由原理上分析得出的火焰传播极限值减小。第二十六页，共36页。与燃料分子中碳原子数nc的关系第二十七页，共36页。3.温度的影响(1)混合物初始温度的影响由燃烧热平衡条件可知，混合物起始温度的提高，将导致反应温度的上升，燃烧反应速率加快，从而使火焰传播速度增大。归纳实验结果表明，火焰传播速度Sn随初始温度T0的变化规律大致为

(2)火焰温度的影响火焰温度对Sn的影响较为复杂。温度不太高时，Sn随火焰温度的增加主要表现为指数关系，因而影响很大。可以认为，对Sn起决定作用的是火焰温度。当超过2500℃时，火焰温度的影响已不符合热力理论了。因为在高温下离解反应易于进行，从而使自由基浓度大大增加。作为链载体的自由基(活化中心)的扩散，既促进了反应，又增强了火焰传播。第二十八页，共36页。火焰传播速度与混合物初温的关系1一水煤气2一炼焦煤气3一汽油增热煤气4一天然气5一发生炉煤气火焰温度对火焰传播速度的影响

第二十九页，共36页。4.压力的影响长期以来，许多实验表明，随着燃烧时压力的升高而其他参数不变时，火焰传播速度将要减小。由热理论分析已知。

对大多数碳氢燃料的燃烧反应来说，其反应总级数均小于2。据上述比例关系式，只有n>2时，Sn才有可能随压力的提高而增大，否则Sn将随压力的上升而变小。但压力增加时，燃烧强度明显增大，即火焰质量传播速度增大。第三十页，共36页。5.湿度和惰性气体的影响在单一燃气或可燃混合气中加入添加气时可以增大或减小火焰传播速度。大多数添加气或是改变混合气的物理性质(如导热系数)，或是起催化作用。例如，CO燃烧时加入很少量添加气，由于反应加快而使火焰传播速度显著增大。图中可以看出，当混合气中水蒸气含量为2.3%时，最高Sn可达52cm/s，比干气燃烧时高出一倍多。在混合气中以惰性气体N2、Cl（氯）、He（氦）和CO2等代替O2，从而改变氧化剂中O2的浓度，视其含量不同对火焰传播速度有不同的影响。一般来说，加入惰性气体(或降低O2的浓度)，将使燃烧温度大大下降，从而降低了火焰传播速度。但是不同惰性气体的影响可能是相互矛盾的。图示为N2含量不同时CH4-O2混合气的火焰传播速度变化的一系列曲线。第三十一页，共36页。CO-空气混合气火焰传播速度与加入水蒸气量的关系N2含量对火焰传播速度的影响(预混气：CH4+O2)1一1.5%N2+98.5%O2；2一20%N2+80%O2

；3一40%N2+60%O2

；4一60%N2+40%O2；5一70%N2+30%O2

；6一75%N2+25%O2

；7一79%N2+21%O2第三十二页，共36页。五、火焰传播浓度极限在燃气-空气(或氧气)混合物中，只有当燃气与空气的比例在一定极限范围之内时，火焰才有可能传播。若混合比例超过极限范围，即当混合物中燃气浓度过高或过低时，由于可燃