预混可燃气的火焰

2023/9/2河北工业大学能源与环境学院1第一节火焰传播的概念火焰传播：当预混合燃物被点燃后，在着火处形成一层薄的火焰面，这层高温火焰面以热传导的形式加热相邻的可燃物，使其温度升高，形成新的火焰面；这样火焰不断向未燃气体方向移动，使之一层一层着火、燃烧，把整个燃烧过程推进到整个空间，这种现象称为火焰传播。该火焰面称为火焰前锋、火焰前沿或者燃烧波、反应波。火焰分类：根据火焰前沿是否移动，分为移动火焰与驻定火焰两种。根据预混气流的流速，分为层流火焰、湍流火焰两种。注意：工程中常见的是湍流火焰，因此研究湍流火焰具有现实意义；但是层流火焰的研究工作是基础。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院2可燃物产物U产物可燃物U管子一端封闭，内有可燃混合物。开口端点火，火焰锋面将加热未燃物，使之着火，锋面以速度U向左移动；产物排出，直到最后全部燃尽。这种靠传热传质作用使火焰锋面传播的过程，称为正常燃烧。若管子相当长，闭口端点火，火焰锋面将加热未燃物并着火，但是产物却无法释放，造成管内压力骤增，火焰传播速度将急剧增大，在5～10d形成高速波，即爆震波，每秒几公里。可燃物w产物U管子两端开口，可燃物以与U反向速度w流入当U大于w时，火焰前锋向可燃物上游移动当U小于w时，火焰前锋向可燃物下游移动当两者相等时，形成驻定火焰，实际燃烧装置的火焰都是驻定火焰2023/9/2河北工业大学能源与环境学院3真实的火焰锋面

在真实环境下，火焰锋面并非上述的那样个平面，而是呈现不对称抛物状。原因：1、气流粘性的存在使之与管壁之间存在摩擦，因此靠近壁面的燃烧速度小于轴心的燃烧速度，从而使之呈现抛物状。2、由于浮力的作用，火焰上半部分的温度高于下半部分，因此上部的传播速度较快，从而使抛物面呈现不对称状。猝熄效应：由于管壁的散热，火焰在壁面附近受到冷却，温度降低而熄灭，即在管壁附近不存在火焰。从管壁开始，无火焰存在的那段径向距离称为猝熄距离。火焰锋面的厚度一般在0.01~1mm之间，相对与系统的特性尺寸来说很小，因此理论分析时将之看作平面。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院4MicrogravityCombustionScience2023/9/2河北工业大学能源与环境学院5可燃预混火焰的传播火焰在大空间的蔓延实验与数值模拟结果2023/9/2河北工业大学能源与环境学院6第二节正常火焰传播速度正常火焰传播速度：即层流火焰的传播速度，定义为层流火焰前锋法线方向上的位移速度和预混可燃物流动速度的相对速度。Up可燃物w产物如图，设火焰前锋某点法向速度为Up，该点可燃物流速为w，则火焰传播速度为：U=Up+w1、静止气流中，w=0，U=Up，即火焰传播速度等于锋面法向速度；2、当火焰锋面静止时，Up=0，火焰传播速度等于气流速度；3、对于理想化一维平面火焰，火焰锋面速度处处相等。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院7一维火焰前锋锋面结构

锋面内存在强烈的热量与质量交换，可燃物经历加热、着火、燃烧、燃尽等过程；锋面内各参数都发生变化。1、温度由T0逐渐升高到TC，反应速度较慢，预热区。着火后，温度、反应速度骤增，反应区。随着可燃物浓度降低，反应速度减小，直到燃尽，燃尽区。有时将后两个合并为反应区。2、反应物浓度逐渐减小、生成物浓度逐渐增加。3、火焰前锋很薄，但是理论分析时不能忽略。锋面内温度、浓度梯度很大，存在自然对流、强制对流、导热等热量交换形式以及流动、扩散等质量交换形式。存在强烈光辐射，可以根据发光区判断反应区位置。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院8一维层流平面火焰锋面内能量方程的建立可燃物

对于火焰锋面内厚度为Δx的微元，温度T沿可燃物流动方向逐渐提高，热流则从右侧高温区导入、左侧导出（导热项）；同时可燃物以ρU的质量流量自左边带入热流（对流项）；锋面还有反应放热，微元体本身温度升高吸收热量等。稳定火焰传播时，微元体内没有热量积累，可以建立能量平衡关系：热流通过求解能量方程可以得到温度场的分布，但若要求解火焰传播速度却比较困难，因为存在复杂的指数函数。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院9泽尔多维奇：苏联理论物理学与天体物理学家。对于黑洞理论提出了独到见解。著有“爆震物理”。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院10两区近似法求解火焰传播速度1、在预热区，忽略化学反应，方程化为：从T0到Ti积分一次,得到着火点温度梯度2、在反应区，忽略对流项，方程化为：从T0到Ti积分一次,得到着火点温度梯度2023/9/2河北工业大学能源与环境学院11在T=Ti处，温度分布应该是连续的，所以上述两式相等。因此可以得到层流火焰的传播速度可以写为：右图是释热速度与温度的关系，可见：因此可以认为：2023/9/2河北工业大学能源与环境学院12第三节正常火焰传播速度的测定

由于预混火焰火焰分为移动火焰与驻定火焰两种，因此测定方法分为：移动火焰法包括圆管法、肥皂泡法、封闭球弹法等，驻定火焰法包括本生灯法、颗粒示踪法、平面火焰法、激光测速法等。1、肥皂泡法：将预混可燃气体注入肥皂泡，中央点火，火焰前锋呈球形扩展。利用摄像机记录火焰移动轨迹，得到dr/dt。产物的等压膨胀引起气体运动进一步推动火焰前锋的移动，因此要加以修正。夏尔丹“吹肥皂泡的少年”

肥皂泡2023/9/2河北工业大学能源与环境学院132、密封球弹法：适用于测量火焰传播速度较高的可燃混合气。在钢质球弹内充气，中间点火，定容条件发生火焰传播。测定压力、压力变化律，照相拍摄火焰前锋传播速度dr/dt，最后扣除压力波的影响。3、平面火焰法：喷嘴出口装整流网来均匀气流速度，通过调节可燃物速率使火焰呈平面状。此时火焰传播速度与气流速度恰好平衡，测量火焰面积与可燃物流量，计算得到火焰传播速度。适用于火焰传播速度比较低的可燃物。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院14本生灯火焰

本生

本生与基尔霍夫被称为光谱分析的创始人。本生煤气灯火焰透明而不发光，便与光谱分析。本生灯至今仍有广泛应用。

本生灯时测定火焰传播速度最常用的方法。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院15直管型出口本生灯管口火焰

特点：火焰前锋呈曲面锥体状，顶部为圆形，锥底外缘略有凸出。这是因为：1、锥顶处传热强烈，因此火焰传播速度更大，造成圆顶。当压力很低时，火焰前锋厚，圆顶更明显。2、管壁的冷却作用促使近壁处出现猝熄距离。3、管内压力略高于环境压力，造成火焰根部向外凸出。由于出口流速呈现抛物状，本生火焰的传播速度并非处处相等，顶端轴心处由于温度较高、活性中心较多，火焰传播速度U最大,出口壁面处等于零，中间段基本相同。a=12023/9/2河北工业大学能源与环境学院16

对于这种本生火焰，一般假设锥体高度为L，出口半径为r，任意在锥面上取微元面，则该微元在高度上的投影为dL，在径向投影为dr。因此：

上式就是锥体形状的微分方程，将上式积分就可以得到锥体高度，但是由于沿r方向的可燃物流速w与火焰传播速度U都是变化的，因此积分困难。所以用这种直管出口本生灯测定火焰传播速度比较困难。并且照相得到的是反应区图像（发光区），接近外锥面，计算得到的火焰速度偏小。所以需要加入氧化镁等示踪粒子进行测量，比较复杂。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院17缩口本生灯火焰

这种出口气流速度均匀（边界层除外），所以火焰前锋基本上呈现正锥体状。此时只要测量出口气流的平均速度w、锥顶夹角2a或者测量可燃物体积流量就可以值及计算得到火焰传播速度。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院185、颗粒示踪法测量火焰传播速度：在可燃混合气中掺入一种既能发光、有不参与化学反应的细小颗粒如氧化镁、硅油烟雾等，并连续加一频闪照射，然后照相，据此确定气流的流线谱。根据示踪粒子的间歇距离和频闪速度计算气流速度。（美国Lewis实验结果）2023/9/2河北工业大学能源与环境学院19第四节影响火焰传播速度的因素1、燃料、氧化剂性质极其混合比例的影响：不同的燃料具有不同的物理性质，因此其火焰传播速度不同。可燃混合物中燃料的摩尔浓度对于火焰传播速度影响较大。在燃料很贫惑者很富的可燃混合物中，火焰一般不能传播。亦即火焰传播存在浓度的稀县与浓限，上下限处火焰传播速度为零。在化学当量比下，多数可燃混合物具有最大的火焰传播速度；以空气作为氧化剂时，最高火焰传播速度发生在化学当量比略大的一侧。因此此时活性中心浓度较大。可燃物性质影响2023/9/2河北工业大学能源与环境学院202、压力的影响：实验证明，压力对火焰传播速度的影响比较复杂。一般认为火焰传播速度与压力之间存在以下关系：

因此，当反应级数小于2时，火焰传播速度随着压力的升高而降低；当反应级数等于2时，压力没有影响；当反应级数小于2时，压力降低，火焰传播速度也降低。压力的影响2023/9/2河北工业大学能源与环境学院21可燃混合物浓度与压力影响火焰传播973项目子课题“大空间着火蔓延机理”2023/9/2河北工业大学能源与环境学院22可燃物初始温度的影响3、初始温度影响：初始温度提高，预热时间缩短，燃烧区反应温度提高，反应加快，因此火焰传播速度提高。

所以工程中利用预热空气与燃气的方法来提高燃烧效率。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院23惰性气体的影响4、惰性气体的影响：惰性气体的加入相当于降低了氧的含量，因此反应速度降低、火焰传播速度降低；并缩小了可燃极限。

工程中经常采用纯氧、富氧燃烧方式来提高火焰传播速度。

2023/9/2河北工业大学能源与环境学院24系统冷却的影响5、冷却的影响：对系统冷却将降低火焰传播速度。例如管内燃烧，直径越小，相对冷却面积就越大，当直径小于某一数值时，火焰将不能在管内传播，该直径称为火焰传播的临界直径（熄灭直径）。当管径增大到一定程度时，散热的影响可以忽略，此时测量得到的火焰前锋速度就是正常火焰传播速度。

工程中，烟气取样管为了保证烟气成分稳定都采用细管，就是考虑了熄灭直径；如果管径较大，就需要考虑强制冷却。Testo烟气分析仪2023/9/2河北工业大学能源与环境学院25第五节预混可燃气中火焰的稳定性

实际燃烧设备中，可燃混合物着火之后要保证燃烧稳定地持续下去，既不能回火，也不能脱火，因此有必要了解火焰稳定的条件。燃气灶头燃气烧嘴2023/9/2河北工业大学能源与环境学院26一维火焰稳定条件（a）当气流速度w小于火焰传播速度U的时候，火焰前锋以U-w的绝对速度向可燃物上游（向左）移动，火焰无法驻定，产生“回火”，导致熄灭。（b）当两者速度相等的时候，火焰注定在某一位置。（c）当气流速度大于火焰传播速度的时候，火焰前锋以w-U的绝对速度向可燃物下游（向右）移动，产生“脱火”，导致熄灭。因此一维火焰的稳定条件就是U=w。实际装置中一维火焰很难存在，并且来流速度很少小于火焰传播速度，所以这种火焰仅仅具有理论分析的意义。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院27圆形管口火焰稳定条件

对于左图的圆锥形火焰，任取微元段AB，视之为直线，法线N-N与来流W的夹角为φ，则W可以分解为Wt和WN。如果想要保持火焰前锋的稳定，则必须满足下面两个条件：1、U=WN=Wcosφ，这就是著名的火焰稳定与弦定律。上式在W>U的情况下总是成立，所以如果火焰传播速度U不变的情况下，来流速度提高将使火焰长度增加。当两者速度相等时，火焰前锋呈平面火焰形状。2、Wt的存在迫使火焰前锋沿A-B方向向下游移动。因此在火焰根部必须存在一个连续的点火源不断将新鲜气体点燃，才可以源源不断地补充沿AB方向被气流带走已燃质点，这样火焰才可以稳定在管口。不然将被吹脱。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院28a、1、2断面，由于气流的粘性造成气流速度W在壁面为零中心最大。由于管壁的传热，接近壁面处火焰传播速度U急剧下降。于是在整个截面上W>U，于是火焰无法驻定，被吹向下游。气流速度与火焰传播速度在各截面分布曲线b、3断面，卷吸作用促使W的径向梯度小于管内，斜度减小。管壁效应渐弱U=0点外移，但是卷吸空气造成边界层内过量空气系数增加，超出浓限，促使U=0的点内移；综合作用产生U的分布曲线如图。两曲线相切于A点，其余点仍然W>U。c、4断面，曲线两个交点B、C，在BC之间U>W；其余点W>U。5断面卷吸更多空气，U=0点内移，相切于D点。6断面，卷吸量更大，处处W>U.点火源建立

因此在管口外存在区域ABCD使W小于等于U。在BAC边界上W=U使之称为连续点火源，火焰根部稳定在3断面的A点。如果有外来因素使火焰厚移到4断面，由于BC之间U>W，火焰根本将重新回到A点。如果偶然火焰退回2断面，由于W>U，火焰根本也会重新回到A点。当各截面W都大于U时，稳定点火源消失，吹脱。当1d断面W<U时，回火。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院29Page1312023/9/2河北工业大学能源与环境学院30圆管火焰稳定性实验数据

在一定过量空气系数下，火焰仅能在一定气流速度范围内稳定。在空气系数较低的区域（燃料过浓），由于可燃混合物火焰传播速度低且有管壁的冷却作用，不再存在回火现象。但是由于缺氧，燃料容易裂解产生炭黑，出现黄焰。当气流速度很大时，容易发生脱火。脱火回火黄火焰由于火焰稳定性与管外气流速度梯度有关，如右式。在体积流量相同时，管径越小，W越小，越容易发生回火。必须使流量成三次方增加才能保证不回火。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院31第六节预混气体湍流火焰传播

对比本生层流火焰与湍流火焰可以发现，湍流火焰存在以下特点：1、火焰高度明显降低。2、有明显的噪声。3、火焰锥面出现皱褶，且锥面较层流火焰厚。4、火焰轮廓不分明等。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院32

工程多采用湍流火焰，因其火焰传播速度较大，可以强化燃烧。原因：1、火焰表面皱褶增加了反应表面积；2、热量和质量交换强烈增大了燃烧速率；3、湍乱可以促进混合，缩短混合时间，提高燃烧速率。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院33湍流火焰传播速度的实验结果

对于湍流火焰速度的测定也可以使用本生灯法。在不同雷诺数下的实验结果显示：1、雷诺数小于2300时，层流火焰传播状态。2、当雷诺数介于2300～6000之间的时候，火焰传播速度正比于Re0.5；3、当雷诺数大于6000的时候，火焰传播速度正比于Re。实验证明：湍流火焰的传播速度受可燃物性质、浓度、初始温度、压力等因素影响；同时也受湍流度的影响。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院34丙烷－空气预混火焰在不同湍流强度下的纹影照片根据火焰的伸展情况，可以测定火焰传播速度2023/9/2河北工业大学能源与环境学院35湍流火焰皱褶表面理论

由邓克尔与谢尔金开创，认为湍流火焰是由不同大小的气体涡团所进行的不规则运动。当涡团平均尺寸小于火焰锋面厚度时称为小尺度湍流火焰；反之就是大尺度湍流火焰。对于大尺度湍流，根据湍流强度不同为强湍流火焰和弱湍流火焰；当脉动速度大于层流火焰传播速度的时候称为大尺度强湍流火焰，反之，就是弱湍流。对于小尺度湍流，火焰面依然平整，只是略厚；对于大尺度弱湍流，微团脉动速度较小，不能冲破火焰面，仅是扭曲；强湍流的微团已撕裂火焰面。

湍流火焰传播速度大的原因是：表面皱褶增大了燃烧表面积。火焰传播速度与雷诺数以及脉动速度有关。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院36湍流火焰的容积理论

萨曼菲尔特认为：在大尺度强湍流情况下，不存在火焰前锋，燃烧时遍布整个区域的，只不过反应程度不同。湍流微团之间进行着不同程度的热量、质量交换和化学反应，一旦达到着火温度，就燃烧起来。没有着火的微团则在脉动过程中与其它微团结合。各微团之间脉动速度不同，同一微团各部分脉动速度也不同，因此根本无法保持稳定的火焰锋面。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院37第六节湍流预混火焰的稳定性

湍流火焰不再具有平整的火焰锋面，一般分为未燃区1、燃烧区2和燃烬区3。L3一般占总长度的15％左右。由于气流速度较大，湍流火焰不再有回火的问题；同时随着气流速度的提高，依靠稳定点火源已经不能实现火焰的稳定。湍流燃烧时，由于脉动，燃烧的微团或者热烟气可能返回未燃混合物区，起到连续点火源的作用。但是，对于高强度燃烧，依靠内部质点的回流往往不能维持火焰稳定，多以必须采用烟气再循环或值班火焰等措施保证火焰稳定。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院38

钝体稳定火焰

高速气流流过钝体时，由于粘性作用把钝体后的静止空气带走，从而降低了该处的静压，在静压差作用下，下游气流产生回流。如果回流的是高温燃烧产物，就可以起到连续点火源的作用。多用于航空燃气轮机、动力锅炉的燃烧器上。2023/9/2河北工业大学能源与环境学院3