燃烧学5-第五章-气体燃料燃烧课件

第五章气体燃料燃烧

第一节扩散火焰与预混火焰概述根据燃气是否预混空气可将燃烧方式分为：扩散燃烧 形成扩散燃烧火焰

动力燃烧(预混燃烧)

形成动力燃烧火焰(预混火焰)

按照由于气体介质流速引起的流态的不同，火焰还可分为：层流燃烧火焰 湍流燃烧火焰

一、燃烧方式与火焰结构•气体燃料燃烧所需的全部时间ttmix——气体燃料与空气混合所需的时间

tch——燃料氧化的化学反应时间•气体燃料燃烧所需的全部时间t若tmix<<tch，则t

近似地等于氧化反应时间，即t≈tch

化学动力燃烧或动力燃烧

若tmix>>

tch，则t

近似地等于扩散混合时间，即t≈tmix

扩散燃烧

tM、tT——分子扩散、湍流扩散时间•燃烧方式与火焰形状燃烧方式与火焰形状a)动力燃烧(预混)火焰b)部分预混火焰c)扩散燃烧火焰二、气体燃料的预混燃烧

火焰形状随a1的变化情况

a)

a1＝0b)0＜a1＜0.3c)0.3＜a1＜1.0d)

a1＞1.2部分预混燃烧或半预混燃烧全预混燃烧•火焰性质随a1的变化情况(1)

a1＝0 扩散火焰(2)0＜a1＜1.0 部分预混燃烧或半预混燃烧(3)

a1≥1.0 全预混燃烧1.层流预混火焰传播与火焰结构静止可燃混合气中层流火焰的传播(1)

静止可燃混合气中层流火焰的传播I：未燃的预混可燃混合气II：高温燃烧产物B：点火源(火焰中心)A：球形火焰面d：火焰前锋(前沿)厚度wL(2)

可燃混合气流动时的火焰传播

可燃混合气流动时的火焰传播•可燃混合气以速度w0流动，点火后所形成的火焰面向可

燃混合气来流方向传播•火焰的位置应该稳定，火焰前锋应驻定而不移动wLw0对于传播速度为vL的层流火焰，火焰的绝对速度Dv为：可见，火焰前锋相对于管壁的位移有三种可能的情况：1)若w0<wL，即，火焰面将向混合气来流方向移动2)若w0>wL，即，火焰面将被气流吹向下游3)若w0＝wL，即，火焰面将驻定不动，即火焰稳定层流预混火焰的形状(近正锥形火焰锋)(3)

典型的稳定层流火焰前锋

——层流本生灯火焰•管口处为稳定的近正锥形火焰前锋(内焰)

(4)

典型的稳定层流火焰前锋

——管内层流火焰管内层流火焰传播：倒锥形火焰焰锋•层流火焰在管道内传播，

焰锋呈抛物线型•若在管内的层流预混可燃

混合气中安装火焰稳定器，则会形成倒锥形焰锋

燃烧器喷口处层流预混火焰示意图(5)

燃烧器喷口预混火焰稳定性及其结构•工程中要求预混火焰稳定在燃烧器喷口

附近，形成稳定的圆锥形火焰锋面•为保证火焰驻定在喷口处，火焰面上各点

wL应等于焰面法线方向上的气流速度w0

•

w0与可燃混合气喷出速度w之间的关系Gouy－Michelson定律(余弦定律)w0wL•火焰锥体的高度(火焰长度)l火焰锥表面微元面在高度方向上的投影为dl，在径向上的投影为dr，则由几何关系可得假定：正锥体火焰，底面半径等于喷口半径r0；

wL为常量，与r无关；

气流速度w取为喷口断面的平均流速可见，层流预混火焰长度随着可燃混合气喷出速度或喷口管

径的增大而增大，却随着火焰传播速度的增大而减小结论：1)

当燃烧器喷口尺寸和可燃混合气成分一定时，若增大流量qV，则将使火焰长度l增大；2)

在喷口尺寸和流量相同的情况下，火焰传播速度较大的可燃混合气(例如H2)的燃烧火焰，要比火焰传播速度较小的(例如CO)要短。2.火焰的稳定性•

当喷出速度w变化时，火焰面可通过改变f角，维持火焰稳定•

w增大，f角也增大(q角减小)。如果f角直到增大至接近90°

也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将被吹离喷口。此时，火焰可能出现3种现象1)离焰2)吹熄3)脱火(吹脱)•

w减小，f角也减小(q角增大)。如果f角直到减小至接近0°

也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将缩入喷口内，出现回火三、气体燃料的扩散燃烧

扩散火焰的形式•按燃料和空气供入的不同方式，

扩散燃烧可有3种形式

a)自由射流扩散燃烧b)同轴射流扩散燃烧c)逆向射流扩散燃烧•按照射流的流动状况可分为

层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧1.层流扩散燃烧和火焰结构特点：•燃气喷出速度低，气流处于层流状态，燃气和空气的混合依靠分子的扩散作用进行•燃烧速度取决于气体扩散速度•扩散火焰厚度很薄，可视作焰面•焰面各处的燃气与空气按化学当量比进行反应，焰面保持稳定层流扩散火焰的结构•层流扩散火焰分为四个区域：1)中心的纯燃料区2)外围的纯空气区3)火焰面外侧的燃烧产物和空气的混合区4)火焰面内侧的燃烧产物和燃料的混合区

•火焰锥某一横截面a—a上燃料、

空气及燃烧产物的浓度分布•实际扩散火焰的特点实际扩散火焰中的温度和浓度分布2.层流扩散火焰结构的分析

层流扩散燃烧系统：•气体燃料和空气以相同速度

分别由环形喷管的内管(r1)

与外环管(r2)喷入燃烧室，

形成同轴射流扩散燃烧

层流扩散燃烧的火焰形状1－空气过剩时2－燃气过剩时扩散火焰外形有两种类型：•类型1呈封闭收敛状的锥形扩散火焰(曲线1)•类型2呈扩散的倒喇叭形火焰(曲线2)

取决于燃料与空气的混合浓度l1l2层流扩散燃烧火焰结构模型•圆柱坐标系(r,z)中的扩散方程c——可燃混合气浓度D

——

质扩散系数w——可燃混合气流速t

——

时间对于稳态扩散过程：假定(沿z轴气流的扩散传递忽略不计)•描述层流扩散火焰的微分方程式边界条件：(1)当z＝0及0≤r≤r1时，c＝c1(内管喷出燃气的初始浓度)(2)当z＝0及r1≤r≤r2时，c＝c2(外环管喷出氧气的初始浓度)(3)当z≥0及r＝0和

r＝r2时，c/r＝0•同轴射流扩散火焰中可燃混合气浓度的表达式i——

1mol燃气完全燃烧时所需要的氧量J1、J0——

一阶、零阶第一类贝塞尔函数m

r2

——

J1的正零点，即J1(m

r2)＝0的特征根w

——可燃混合气的流速(假定燃气和空气的流速相等)对于扩散火焰，火焰前锋面上燃气与空气完全反应，c＝0•描述火焰前锋形状的方程式可见：当燃烧器喷口尺寸及工质一定时，E为常数，上式可用以预测火焰前锋的形状•扩散火焰长度wf、wa——燃气、空气的流速qVf、qVa

——

燃气、空气的体积流量可见，层流扩散火焰长度与气流流速或燃料的体积流量qVf及燃烧器喷口半径的平方成正比，与质扩散系数D成反比燃料一定时，D不变且喷口尺寸也一定时，火焰长度将随着气流速度的增大而成比例地增大•

霍特尔(H.C.

Hottel)和郝索恩(W.R.Hawthorne)的实验结果

(“火焰全长”曲线的前半段，即的部分)煤气喷出速度对火焰长度的影响•层流扩散燃烧火焰长度与雷诺数Re的关系对于层流扩散燃烧，可假定D≈运动粘度n，则有可见，扩散燃烧火焰长度随雷诺数Re的增大近似成比例地增大当qVf一定时，不论喷口尺寸的大小，火焰长度均相同•火焰长度的实验测量(5种不同尺寸的同心套管烧嘴，煤气和空气分别从内管和外管以不同的流速垂直向上喷入炉内)同轴射流扩散燃烧火焰长度的实验测定结果(Re＝wfdf/nf，wf＝煤气流速)1－Re＝1500；2－Re＝2300；3－Re＝3000；4－Re＝4500a)烧嘴I、II、III实验结果b)烧嘴IV、V实验结果由实验数据，可确定火焰长度的实验公式：当时，为层流扩散火焰，则

wf、wa——煤气、空气的喷出速度，；df——

煤气喷口直径，cm；b

——

空气环状喷口的宽度，为外管内径和内管外径之差的一半，cm；l

——

火焰长度，cm。当时，煤气流动开始进入层流向湍流的过渡区，已不是层流扩散火焰，则wf、wa——煤气、空气的喷出速度，；df——

煤气喷口直径，cm；b

——

空气环状喷口的宽度，为外管内径和内管外径之差的一半，cm；l

——

火焰长度，cm。•湍流扩散燃烧火焰长度特点：在湍流扩散火焰中，燃气与氧化剂的混合是靠湍流交换效应来实现的；混合速度较快，火焰长度必然有所缩短。湍流扩散燃烧的火焰长度lT：w

——

燃气流速r——

燃烧器喷口半径DT——平均湍流扩散率由于湍流扩散率DT与湍流强度e和湍流尺度l的乘积成正比，即，且，可见，湍流扩散燃烧的火焰长度与燃气的流速无关，仅与燃

烧器喷口的尺寸成正比因此，对于湍流扩散燃烧过程，可采用多个小管径的燃烧器，

达到缩短燃烧火焰长度、提高燃烧热强度的目的3.扩散火焰的稳定性扩散燃烧的特点：•燃气和空气未经预先混合，一次空气系数a1＝0•燃气由喷口喷出后方与周围空气进行混合和燃烧•燃气与空气的混合随着燃气由喷口喷出速度的增大而增强•喷口内无空气，火焰不可能缩入喷口内，不存在回火问题

回火：可燃混合气喷出速度小于火焰传播速度时，火焰缩回喷口内燃烧扩散燃烧的稳定性问题主要是离焰、吹熄和脱火•离焰——燃气喷出速度增大至一定数值时，火焰即脱离

喷口，在其上方呈悬举状态•脱火——若燃气喷出速度继续增大，火焰离开喷口的距

离也增大，火焰锥随之缩小，火焰随之熄灭•吹熄——

燃气喷出速度过高，火焰吹离喷口而熄灭第二节火焰稳定的原理和方法概述燃烧装置要求：•保证燃料顺利着火•着火后形成稳定火焰，不出现离焰、吹熄、脱火、回火等问题，具有稳定的燃烧过程火焰稳定分为两种：•低速气流情况下的火焰稳定，包括回火、脱火、吹熄等•高速气流下的火焰稳定一、火焰稳定的基本条件1.一维管流火焰的稳定•若wL与w相等，火焰前锋则会稳定在管道内某一位置上•若wL>w，火焰前锋位置则会一直向可燃物的上游方向移动，从而发生回火•如果wL<w，火焰前锋则会一直向燃烧产物的下游方向移动，直至被可燃混合气吹走而熄灭管内等速流动的火焰传播a)

wL＝w，稳定b)

wL>w，回火c)

wL<w，脱火wLwLwL•一维管流火焰的稳定的基本条件即：要求火焰前锋稳定在某一位置上不动，火焰传播速度与可燃混合气的流动速度两者方向相反，但大小相等在管内传播的火焰前锋实际形状实际管内流速并不均匀，而是呈抛物面分布，故其火焰前锋呈抛物面状火焰稳定的条件：wn——垂直于焰锋表面的法向分速wL2.预混火焰稳定的特征和条件预混火焰的稳定预混火焰前锋的外形特征：•火焰顶部呈圆角形，而不

是尖锥形；•火焰根部不与喷口相重合，

存在一个向外突出的区域，

且靠近壁面处有一段无火

焰区域(静区或熄火区)。

wLwL预混火焰的稳定•切向分速wt的存在是使火焰前锋沿其切线方向(A－B)移动•法向分速wn则使火焰前锋沿其法向移动(N－N)。•为了维持火焰前锋的稳定，使其空间位置不动，则务必设法平衡wt和wn两个速度分量的影响wLwLwL(1)

平衡法向分速wn——使火焰前锋不致沿N－N方向移动

的必要条件(满足余弦定律)

•

f＝0，即气流速度垂直于火焰前锋，则为平面火焰，实际上极不稳定•

f＝90，气流速度平行于火焰前锋，

vL＝0，实际上不可能出现的情况•随着气流速度w的增大，为维持火焰的稳定，火焰会变得细长(f角增大)；当w减小时，火焰则会变短(f角减小)•w发生变化时，火焰前锋会调整形状而在新的条件下稳定wL(2)

切向分速wt对火焰前锋位置移动的影响(A－B方向)•当w增大时，wt增大，使火焰前锋表面

上的质点向前移动•为保证火焰的稳定，必须有另一质点

补充到被移动点的位置•火焰前锋根部的质点则将被新鲜气流

带走，从而使火焰被吹走火焰的吹熄wLwL•因此，为避免火焰被吹走，在火焰的根部必须具有一个固定的点火源，不断地点燃火焰根部附近新鲜可燃混合气，以补充在根部被气流带走的质点•点火源应具有足够的能量，否则无法保证火焰稳定结论：为了确保气流中的火焰稳定，必须具备两个基本条件：1)

火焰传播速度wL应与可燃混合气在火焰前锋法线方向上的分速度wn相等，即满足余弦定律；2)

在火焰的根部必须有一个固定的点火源，且该点火源应具有足够的能量。二、火焰稳定机理点火圈的形成机理(1)

预混火焰管口上方附近点火环或点火圈形成机理wLwLwLwLwLwL(2)

回火和脱火的临界条件——伯纳德•刘易斯(B.Lewis)和京特•冯•埃尔贝(G.vonElbe)火焰稳定理论火焰稳定条件：气流速度和燃烧速度在稳定点处的梯度相等

•管内气流速度分布符合层流的抛物线分布规律•流经喷口的预混可燃气体体积流量•火焰稳定在喷口处且不发生回火的条件为•不发生回火或脱火的临界条件(边界速度梯度)为•增大qV和减小r0，均使边界速度梯度加大，减少回火可能性•如果流量一定，则燃烧器喷口尺寸越大，越容易回火•为了不发生回火，qV必须与r0的三次方成正比地增加•脱火的条件也一样，只是在数值上更大一些

临界边界速度梯度与浓度关系(3)

回火和脱火临界条件的

实验结果•燃料的浓度越大，其稳定范围

也更大•在一定浓度下，回火有一最大

边界速度梯度值，此时vL最大•锥形火焰锋面(内焰)底面离开喷口的距离称为静区或熄火区•半径等于静区厚度d的喷口直径称为临界直径，即dc＝2d•若喷口直径d小于dc，则容易脱火•临界直径dc与燃气种类、一次空气系数a1关系的实验结果•在进行燃烧器设计时，应根据燃气种类及一次空气系数范围，合理选择喷口直径，使其大于相应的临界直径dc临界直径与燃气种类、一次空气系数的关系三、高速气流中火焰的稳定1.高速气流中火焰稳定的基本条件•火焰在可燃混合气流中稳定的必要条件之一是火焰前锋

根部存在气流速度w等于火焰传播速度wL的速度平衡点，

以形成固定点火源•实际燃烧装置中的气流速度(40~120m/s)比最大可能的

湍流火焰传播速度(~315cm/s)要高出10倍以上

•高速气流中，火焰难以稳定，必须在高速气流中采用某些特殊手段来稳定火焰•采用的主要手段：

利用引燃火焰或称值班火焰，即在主气流旁引入小股低

速气流，着火后不断引燃主气流

利用燃烧装置形状变化，如偏转射流(突然转弯)、壁面凹槽、突然扩张等改变气流方向的方法，形成回流区

利用金属棒(丝、环)，把金属棒放在火焰上，以改变速度分布，起到稳定火焰的作用采用稳焰旋流器，利用旋转射流，产生回流区

利用钝体，产生回流区，以稳定火焰•通常在气流中人为地产生一个自偿性点火源，以满足气流法向分速wn等于湍流火焰传播速度wT的要求2.钝体稳定火焰的机理•采用钝体是最常用、最有效的稳定火焰的方法之一•钝体的形状很多，如：圆形、平板、半圆锥体、V形槽等•粘性气体绕流脱体，在其后方形成稳定的涡流区(回流区)•回流区的形成及其大小和形状对稳定火焰起着决定性作用钝体火焰稳定器回流区的形成(1)

钝体后回流区中气流结构

钝体火焰稳定器后回流区的气流结构•0-1、0-2分别为气流流经钝体后的湍流外边界及内边界•外边界的外侧为主流区，外边界及内边界之间为燃烧产物和预混可燃气的混合物•0-3-0为各截面上轴向速度为零的点的连线，为回流区边界•回流区内充满燃烧产物，

其流向是逆向稳焰器，

起固定连续点火源作用钝体火焰稳定器后的气流轴向速度分布•气流流经钝体，湍流脉动激烈，形成两个对称、椭圆形旋涡，每个旋涡中间有一核心，核心中点O1、O2的速度为零•截面I，其轴向速度方向在O1以上和O2以下与主气流方向相同，离零速度点越远，速度越大，直到与主流速度相同；在O1和O2之间，轴向速度方向与主气流方向相反，离轴线位置越近，速度越大

•II、III每个截面均存在上下两个零轴向速度点，连线(虚线)包围的中间部分是逆流区，以外部分是顺流区(2)

钝体后回流区火焰稳定原理钝体火焰稳定器点火源的位置•可燃混合气绕流钝体，改变原先的流动特性，产生回流区•回流旋涡将高温烟气带回钝体，燃烧反应温度显著升高，火焰得以稳定在一个小的区域内•O-O截面，顺流区轴向速度w在0至wm

之间，该区中总可找到一点(如b点)，

满足wb＝wT，即火焰稳定，火焰在此形成了一个固定点火源火焰稳定特性曲线•钝体稳焰器维持火焰稳定，要求：

1)

其后形成一个固定点火源

2)

还要求它具有足够的能量•若流过钝体稳焰器的新鲜混合气组成超过着火极限，也不能稳定火焰•给定可燃混合气流速w、温度

T和压力p时，其组成(如a)须

处于一定范围，火焰才可稳定•若可燃混合气组成一定，在给定的温度和压力下，增大气流速度同样会把火焰吹熄•火焰稳定器的稳定性优良，主要是指——

具有较高的吹熄速度和在较宽广的混合气浓度范围内可实现稳定的燃烧•影响扩散火焰稳定的因素——

可燃混合气的着火极限与点燃能量取决于燃气的种类、可燃混合气的组成、气流速度、湍流强度以及可燃混合气的压力和温度等；回流区所具有的能量取决于稳焰器的结构形状和尺寸大小、气流速度及旋转与否，以及燃烧室尺寸等•德祖贝火焰稳定性准则Z的表达式wB——火焰吹熄速度，D

——稳焰器的当量直径，mm；p

——气流绝对压力，MPa；a

——过量空气系数。•圆盘式稳焰器火焰吹熄特性的实验结果(火焰稳定性准则Z

与过量空气系数a之间的关系)

圆盘式稳焰器火焰吹熄特性实验结果•丙烷－空气均匀混合气和直

径为6.35~25.4mm的圆盘式

稳焰器，气速12~170m/s，压力p为0.02~0.1MPa，温度

为常温(T0＝303.15K)•温度T(K)时按下式作温度修正：四、火焰稳定的主要方法火焰稳定的主要方法有(除了钝体稳焰器之外)：1.

利用引燃火焰稳定2.

利用旋转射流稳定3.利用反吹射流稳定4.利用不对称射流稳定等1.利用引燃火焰稳定火焰

•技术原理：在高速可燃混合气流(主气流)附近布置一稳定的引燃火焰(或称值班火焰)，使主气流得到不间断地点燃，从而稳定主火焰•引燃火焰特点：为流速较低、燃烧量较少的分支火焰，其流速可为主火焰的数十分之一，燃烧量可达主火焰的20%~30%

•物理机理：强烈的扩散和混合作用导致由引燃火焰产生的炽热气流与新鲜可燃混合气流之间发生强烈热、质交换，反应速度增大，并进一步着火和燃烧•利用引燃火焰稳定主火焰的典型方法

利用引燃火焰稳定主火焰的典型方法a)无引燃火焰；b)、c)、d)有引燃火焰1—主火焰；2—主焰孔；3—引燃焰孔2.利用旋转射流稳定火焰

旋转射流流场示意图•原理：气流在旋流器的作用下作螺旋运动，形成旋转射流，

并形成一个内部回流区，不但从射流外侧卷吸周围介质，还能从内回流区中卷吸高温介质使大量高温烟气回流至火焰根部，保证燃料及时、顺利着火和稳定燃烧•燃气轮机燃烧室中的应用(高比容积热强度和进口气流速度)目前广泛采用叶片式旋流器(主要有轴向式和径向式两种)作为火焰稳定器叶片式旋流器结构示意图a)轴向式b)径向式经旋流器流入火焰筒的空气流(约占总空气量的5%~10%)形成三维旋转气流及回流区，回流的高温燃气，实际上就是燃烧空间中的一个稳定的点火源•燃气轮机燃烧室中的应用(高比容积热强度和进口气流速度)燃烧室火焰筒中气流的流动状况a)气流流动状况b)气流轴向速度分布•实践中，可调节旋流器叶片角度来改变旋流强度(旋流数)，以调节回流区尺寸和高温烟气回流量，适应稳定火焰的要求•对于强旋转射流(>0.6)，当由0.72增大至1.25时，回流区长度将增大约40%。旋流强度对环形喷口旋转射流回流区的影响3.利用反吹射流稳定火焰

反吹射流直流燃烧器1—燃料2—一次风3—喷口4—射流出口5—临界区6—滞止点•特点：一次风燃料气流呈直流射流喷入炉膛；二次风喷口在一定轴向距离处沿切向布置；沿炉膛中心线上反向布置反吹射流喷嘴，反吹射流风速可达60~70m/s•原理：反吹射流强烈的卷吸作用使炉膛中心的高温烟气随着反吹射流一起倒流，形成回流区，满足稳定着火的条件，形成保持一次风燃料气流能稳定着火的着火源4.利用不对称射流(偏置射流)稳定火焰

•特点：一次风燃料气流以20~25m/s速度，通过下偏置的一次风管进入圆形或矩形截面预燃室；略向上倾斜的

一次风管下方另设偏置射流，速度为40~50m/s•原理：主射流(一次风燃料气流)喷入，卷吸周围介质，形

成大回流区；偏置风投入，使主射流倾斜，回流区扩大；

燃料气流直接进入回

流区，形成高温、高

燃料浓度、较高O2浓

度的三高区域，成为

的稳定点火源偏置射流燃烧室1—一次风2—吹灰风3—预燃室第三节湍流燃烧火焰特点概述湍流火焰结构的特点：•发光区较厚，火焰轮廓较模糊，存

在弯曲皱折•火焰面有抖动，火焰长度也显著地

缩短•燃烧过程中伴有噪声湍流火焰结构•

气流的湍流特性对预混可燃气体火焰的传播有着重大影响汽油机燃烧室：火焰传播速度wT约为20~70m/s汽油蒸气与空气预混气流的wL仅40~50cm/s•因此，大多实际燃烧装置均采用湍流预混燃烧方式，以湍流来促进火焰传播，实现可燃混合气的高负荷燃烧•湍流火焰传播速度wT不仅取决于可燃混合气的性质和组成，

而且在很大程度上受到强烈的气流湍动的影响•当湍流度加大或脉动速度加大，即Re增大时，wT显著增大•

在湍流中，预混可燃气体的火焰传播速度比层流时大许多倍Re对火焰传播速度的影响1－层流；2－小尺度湍流；3－大尺度湍流•不同Re数下火焰传播速度的实验结果[达姆克勒(G.Damkohler)]1)Re﹤2300，火焰传播速度的大小与Re数无关；2)2300≤Re≤6000，火焰传播速度与Re数的平方根成正比，小尺度(或小规模)湍流燃烧

3)Re﹥6000，火焰传播速度与

Re数成正比，大尺度(或大

规模)湍流燃烧

wLwT一、湍流火焰传播的皱折表面燃烧理论•该理论将湍流引起火焰传播速度显著增大的原因归结为：

1)

湍流的脉动作用使火焰变形，火焰前锋面发生弯曲和皱

折，显著增大了已燃、未燃气体接触的焰锋表面积，增

大了反应区，使火焰传播速度wT增大；2)

湍流作用使得热传导速度及活性物质扩散速度加快，强

化了热、质交换，促使wT增大；

3)

湍流脉动促使燃气与燃烧产物快速混合，缩短了混合时

间，使火焰本质上成为均匀可燃混合物。•小尺度湍流火焰和大尺度湍流火焰

在湍流火焰中，气流脉动促使气体微团作不规则运动，气体微团的平均尺寸lT(湍流标尺)，脉动速度w

湍流火焰模型a)

小尺度湍流；b)

大尺度弱湍流；c)

大尺度强湍流dL——层流火焰前锋厚度lT＜dL，小尺度湍流火焰lT＞dL，大尺度湍流火焰按照湍流强度的不同：w＜wL，大尺度弱湍流火焰w＞wL，大尺度强湍流火焰按照湍流标尺的不同：1.小尺度湍流火焰•特点：1)

气流湍流度较小(2300≤Re≤6000，lT＜dL且w＜wL)2)

焰锋表面未发生很大变形，仅表面不再光滑，变成波浪形3)

焰锋表面积略有增加，焰锋宽度dT略大于层流反应区厚度

d

L，燃烧过程没有发生根本改变4)

湍流脉动使火焰中热传导和扩散过程比层流时因分子迁移

所引起的更为剧烈5)

火焰传播速度wT有所增大•小尺度湍流火焰传播速度wT

可按层流火焰传播速度公式计算，只需改用相应的湍流参数对于层流火焰：对于湍流火焰：a、aT

——分子、湍流热扩散率；t——化学反应时间由于分子热扩散系数a与分子运动粘度n成正比，于是湍流热扩散系数aT取决于湍流标尺lT与脉动速度w的乘积

对于管内流动，lT与管径d成正比，w与气流速度w成正比因此实验结果表明2.大尺度弱湍流火焰•特点：1)

气流湍流度较大(Re＞6000，

lT＞dL且w＜wL)2)

脉动作用可使火焰锋面变得

比小尺度湍流更加弯曲3)

脉动气团尚不能冲破焰锋面，

仍保持一个连续的、但已被

扭曲、皱折的焰锋4)

湍流湍流脉动使火焰锋面皱

折变形，使表面积从层流时

的AL增大到AT，导致火焰传播速度wT增大大尺度弱湍流模型wLwLwT•大尺度弱湍流火焰传播速度wT

认为火焰传播速度的增大与表面积的增大成正比，即假设湍流火焰表面是由无数锥体面组成，则由于锥体高度h在数值上相当于湍流火焰锋面的宽度，即h——火焰表面锥体高度；r——火焰表面锥体底面半径；C——比例常数。可见：增大湍流脉动速度，可提高湍流火焰传播速度3.大尺度强湍流火焰大尺度强湍流燃烧模型•特点：1)

气流湍流度大(Re＞6000，lT＞dL且w＞wL)2)

强湍流脉动作用使火焰锋面更加弯曲和皱折，甚至被撕裂

开而不再保持连续的火焰面3)

燃烧气团与未燃新鲜混合气相互穿插混合，燃烧区不再是

一薄层火焰，而是相当宽区域的火焰4)

在大尺度湍流下，进入燃烧区的新鲜混合气团在其表面上

进行湍流燃烧的同时，还向气流中扩散并燃烧5)

火焰的传播是通过这些湍流脉动的火焰气团燃烧来实现的大尺度强湍流燃烧模型•大尺度强湍流火焰传播速度vT

将大尺度强湍流的火焰传播速度wT定义为湍流气团的扩散

速度wD和层流火焰传播速度wL之和，即其中，湍流气团的扩散速度——

湍流平均扩散位移；

tb——湍流气团燃烧完所需时间；lla——拉格朗日湍流混合长度。根据达朗托夫的实验与假设，认为湍流气团由初始尺寸l0开始燃烧，火焰向气团内部传播速度为wL＋w随着燃烧的进行，气团尺寸不断缩小，火焰锋面的相对皱折面积的增量越来越小，可设定火焰向气团内部的传播速度随气团未燃部分尺寸的变化是线性的

设(A为实验系数，接近于1)

二、湍流火焰传播的容积燃烧理论

适用于大尺度强湍流火焰湍流火焰焰锋结构的两种模型a)

表面燃烧b)

容积燃烧•湍流扩散导致不可能维持层流火焰结构，已不存在将未燃可燃物与燃烧产物分开的火焰面；•每个湍动的气团内，温度和浓度是均匀的，但不同气团的

温度和浓度是不同的；•在整个气团内存在着快慢不同的燃烧反应，达到着火的气

团整体燃烧，未达到着火条件的在脉动中被加热并达到着

火燃烧；•火焰不是连续的薄层，但到处都有；•各气团间互相渗透混合，不时形成新微团，进行着不同程

度的容积化学反应容积燃烧理论认为：大尺度湍流火焰传播速度vT•索莫菲尔德(M.Summerfield)相似假设方程DT——湍流扩散率；n——分子运动粘度；lL、lT——层流及湍流时的热导率。三、湍流扩散燃烧

气相射流扩散火焰长度随流速的变化关系火焰形状及长度与气流喷出速度w0之间的关系：•w0较小，形成明亮、稳定的层流火焰•w0增大，火焰长度也随之增大•w0增大至一定程度，火焰发生颤动，并上下左右抖动，呈

现不稳定状态•w0进一步增大，不稳定状态由火焰顶