气体燃料的燃烧

气体燃料的燃烧1第1页，共59页，2023年，2月20日，星期五

第一节预混可燃气体的着火和自燃理论（《高等燃烧学》中称“热力爆燃理论”）

热着火

◆着火的反应机理

化学链着火自燃—自发的着火◆

着火方式点燃—强迫着火

2第2页，共59页，2023年，2月20日，星期五

一、自燃热力理论

1、绝热条件下的自燃过程

质量作用定律：阿累尼乌斯定律：

产热率：

kJ/(s·m3)

—热值；—化学反应速度。

3第3页，共59页，2023年，2月20日，星期五

若

n=a+b+…化学反应级数平衡式

将代入：积分

1、绝热条件下的自燃过程

4第4页，共59页，2023年，2月20日，星期五

根据初始条件：时,

反应结束：

（绝热火焰温度）两式除微分

1、绝热条件下的自燃过程

5第5页，共59页，2023年，2月20日，星期五

1、绝热条件下的自燃过程

图3-1反应物浓度与温度的关系6第6页，共59页，2023年，2月20日，星期五

1、绝热条件下的自燃过程

图3-2温度、浓度、反应速率随时间的变化

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1、绝热条件下的自燃过程图3-3绝热容器内反应过程中C与T随时间的变化8第8页，共59页，2023年，2月20日，星期五1、绝热条件下的自燃过程图3-4绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化9第9页，共59页，2023年，2月20日，星期五即各组分扩散速度的总和不为0。即各组分扩散速度的总和不为0。非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热和放热综合作用的结果。散热能量平衡即

2、非绝热条件下的自燃过程10第10页，共59页，2023年，2月20日，星期五图3-5非绝热条件下的热量平衡

a点—稳定点；b点—平衡点，不稳定点；c点—不稳定点，着火临界点Tc——着火温度11第11页，共59页，2023年，2月20日，星期五自燃的临界条件：

2、非绝热条件下的自燃过程

12第12页，共59页，2023年，2月20日，星期五T0c——自燃温度，一般T0c≈TC⑴维持着火的燃料浓度限⑵一定p，T↓或一定T，p↓→着火范围变窄⑶一定p，T↓↓或一定T，p↓↓→任意浓度下不会着火⑷容器散热程度↑→着火范围变窄

3．自燃界限13第13页，共59页，2023年，2月20日，星期五3．自燃界限图3-11一定压力下着火温度与成分的关系14第14页，共59页，2023年，2月20日，星期五3．自燃界限图3-12一定温度下自燃的临界压力与成分的关系15第15页，共59页，2023年，2月20日，星期五4．着火延滞（感应）期可燃混合物从初始温度T0上升到着火温度Tc所经历的时间。16第16页，共59页，2023年，2月20日，星期五二、链锁自燃理论

链锁反应基本步骤：链的激发→链的传递→链的中断（反应中存在链载体）17第17页，共59页，2023年，2月20日，星期五第二节预混可燃气体的点燃理论

点燃——用具有较高能量的外部热源去接触可燃混合物，靠近外部热源的部分先行着火，然后火焰传播到整个混合物中去。18第18页，共59页，2023年，2月20日，星期五一、点燃特点热物体表面附近，取厚度：图3-16稳定的缓慢氧化状态下，热物体附面层中的温度场和浓度场19第19页，共59页，2023年，2月20日，星期五◆

能量方程（1）

导热=反应放热量热平衡◆

扩散方程（2）

反应物消耗量=扩散量物质平衡◆

扩散方程乘Q，代入能量方程：。

一、点燃特点20第20页，共59页，2023年，2月20日，星期五一般情况下Le≈1

∴积分，代入边界条件（环境）将代入

∴

（3）

一、点燃特点21第21页，共59页，2023年，2月20日，星期五◆可燃气体的点燃是有一定条件的。◆

维持热物体表面附近一薄层气体稳定氧化的极限状态，即为点燃的临界状态。

图3-17温度不同的热物体点燃时的温度分布

二、点燃热力理论（4）（1）（3）（4）联立，可求解。

但分析解很难，只能求近似解。22第22页，共59页，2023年，2月20日，星期五◆双区理论：反应区——反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。导热区——不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。

二、点燃热力理论23第23页，共59页，2023年，2月20日，星期五1、热球点火炽热的石英球或铂金球若球温，可能着火。

2、平面火焰点火火焰为无限大平板

3、电火花点火

点火能熄火距离

◆

最小点火能—

在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。

三、点燃方法

24第24页，共59页，2023年，2月20日，星期五

◆

可燃混合物着火

——

温度、时间。

◆临界点燃时间

——

在一定的能源性质、形状及大小等条件下，使一定的可燃混合物发生着火所必须的能源与混合物的接触时间。◆要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量：或短时间提供大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。◆可燃极限

——

在一定的压力和温度下，点火能量加大到一定程度以后，混合物的点燃浓度界限就不再扩大了，这就称为饱和点火能下的可燃浓度界限，或简称

可燃极限。

四、可燃界限

25第25页，共59页，2023年，2月20日，星期五

图3-25可燃界限示意图可燃界限示意图图3-25

四、可燃界限26第26页，共59页，2023年，2月20日，星期五1、压力p↓→可燃极限↓2、流速w↑→着火范围变窄3、可燃混合物初温T0↓→着火范围变小4、掺入其它物质◆惰性气体→使着火范围变窄（上限下降）◆另一种可燃物质→可燃极限介于两者之间。五、影响可燃极限的因素

27第27页，共59页，2023年，2月20日，星期五掺入惰性气体可消除火灾热容（比热）和导热性能对着火和火焰传播的影响高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播；高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。良好的灭火剂都具有较高的值（火焰传播困难）。28第28页，共59页，2023年，2月20日，星期五

层流火焰传播火焰传播湍流火焰传播爆震

第三节层流火焰传播火焰锋面向未燃气流方向的推进。29第29页，共59页，2023年，2月20日，星期五一、层流火焰传播的概念1、层流火焰传播速度

方向一致时取负号。

——火焰面移动的绝对速度

——未燃混合气体的绝对速度

火焰不动；回火；吹熄。30第30页，共59页，2023年，2月20日，星期五2、层流火焰传播速度的测定方法

肥皂泡法、圆管法、本生灯法。3、本生灯法

（法向分速度）测得和，可求。一、层流火焰传播的概念31第31页，共59页，2023年，2月20日，星期五一、层流火焰传播的概念实际的本生灯火焰图3-344．实际本生灯火焰*顶部呈圆头形：原因是热量与活性粒子扩散强烈；*管口边缘形成凸出部分：原因是热量损失与活性粒子碰壁销毁。32第32页，共59页，2023年，2月20日，星期五本生灯火焰的u0、w分布图3-351.u0分布2.W分布3.理想火焰4.实际火焰33第33页，共59页，2023年，2月20日，星期五二、层流火焰传播理论

层流火焰传播理论

-------控制火焰传播的主要机理◆热理论-------从反应区到未燃区的热传导◆扩散理论-------链载体的逆向扩散◆综合理论-------热传导与活性粒子的扩散有同等影响34第34页，共59页，2023年，2月20日，星期五※热理论：

1．火焰锋面内几个参量的变化◆火焰锋面——已燃气体和未燃气体的分界面。

最大温差/最大温度梯度◆火焰锋面压力差

（动量守恒：）二、层流火焰传播理论35第35页，共59页，2023年，2月20日，星期五浓度与温度关系——由能量方程与扩散方程求得

（假定Le=1）2、泽尔多维奇双区理论◆能量方程

预热区——忽略化学反应项反应区——忽略对流项二、层流火焰传播理论36第36页，共59页，2023年，2月20日，星期五火焰传播的热理论图3-37二、层流火焰传播理论37第37页，共59页，2023年，2月20日，星期五3、火焰锋面厚度和预热及反应时间

—预热区厚度—反应区厚度。

◆预热时间◆反应时间

—火焰锋面内平均反应速率，见（3-83）式。二、层流火焰传播理论38第38页，共59页，2023年，2月20日，星期五1、温度

◆

混合物初温↑→↑m=1.5～2

◆

火焰温度↑→↑比影响大2、压力◆

n—总反应级数，当n<2,则↑→↓

（大多数碳氢燃料的燃烧n<2）

工程中，↑→燃烧强度↑（增压燃烧）原因：火焰质量传播速度（燃料消耗量）随压力增大。三、影响层流火焰传播的因素39第39页，共59页，2023年，2月20日，星期五3、燃料/氧化剂混合比混合比=化学计量比时，最大。4、燃料结构

饱和烃类（烷），与（碳原子数目）无关不饱和烃类，↑→↓

5、添加剂 惰性添加剂，使↓反应添加剂三、影响层流火焰传播的因素40第40页，共59页，2023年，2月20日，星期五四、层流火焰传播界限◆当降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火——淬熄。◆发生淬熄时的临界条件——火焰传播界限。41第41页，共59页，2023年，2月20日，星期五第四节湍流火焰传播一、流体的湍动参数

1、湍动能

◆湍流脉动速度的均方值——湍动能

◆湍动相对强度—平均速度

◆湍动能耗散率——湍动能的减弱速率

2、湍动尺度

◆欧拉尺度——考察各瞬间流体微团的脉动情况

◆拉格朗日尺度——考察空间某一质点的运动情况42第42页，共59页，2023年，2月20日，星期五

小尺度湍流火焰—微团的平均尺寸<层流下火焰锋面厚度类型大尺度弱湍流火焰——

大尺度强湍流火焰——

湍流火焰的传播速度比层流时大得多。原因：（1）湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加；（2）湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度；（3）湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合。二、湍流火焰传播的特点

43第43页，共59页，2023年，2月20日，星期五三、湍流火焰的表面理论

从火焰锋面入手展开讨论。四、湍流火焰的容积理论容积理论认为：不存在火焰锋面，反应也不仅仅发生在锋面厚度之内。44第44页，共59页，2023年，2月20日，星期五

一、本生灯火焰的稳定■

稳定条件：

—火焰传播速度；—预混可燃气流速度。■不稳定的因素（使）：

1、管壁的散热作用；

2、射流边界层外缘混入外界气体。第五节火焰的稳定45第45页，共59页，2023年，2月20日，星期五图3-60

本生灯管壁面附近及火焰锥根部的气流速度

uS分布和u0的分布以及稳定着火区域

2截面以下，从出口开始，壁面散热作用影响愈来愈小；2截面以上，射流外缘混入外界气体的影响愈来愈大。46第46页，共59页，2023年，2月20日，星期五图3-62

在本生灯管口加障碍物使预混可燃气体火焰稳定的方法喷口外加障碍物，可使火焰稳定。47第47页，共59页，2023年，2月20日，星期五

1、热平衡原理

2、着火和灭火的临界工况

3、火焰稳定传热原理二、火焰稳定的均匀搅混热平衡原理

和传热原理48第48页，共59页，2023年，2月20日，星期五1、用小型点火火焰稳定主火焰；2、用钝体稳定火焰形成回流区三、湍流火焰的稳定方法49第49页，共59页，2023年，2月20日，星期五图3-69常见的钝体及其回流区和温度场50第50页，共59页，2023年，2月20日，星期五3、用小股反向射流提高火焰稳定性◆

形成回流区，且阻力损失小。

图3-74小股反向高速射流形成的回流区和火焰形状示意图三、湍流火焰的稳定方法51第51页，共59页，2023年，2月20日，星期五

◆

大速差——同向小股高速射流，形成回流区。三、湍流火焰的稳定方法图3-75大速差同向小股高速射流形成的回流区示意图52第52页，共59