第-4-章-1-可燃气体燃烧

1第4章可燃气体的燃烧

4.1预混气中火焰的传播理论4.2层流火焰传播速度及其传播机理4.3可燃气体爆炸4.4爆炸极限理论及计算4.5爆轰4.6气体爆炸的预防4.7湍流燃烧和扩散燃烧2可燃气体燃烧的形式扩散燃烧预混燃烧燃气氧气燃气+空(氧)气34.1预混气中火焰的传播理论预混气中火焰的传播分为两种形式缓燃〔正常火焰传播〕爆震〔爆轰〕缓燃〔正常火焰传播〕火焰传播机理：依靠导热和分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反响区而引起化学反响，导致火焰传播传播速度一般不大于1～3m/s爆震〔爆轰〕火焰传播机理：传播不是通过传热、传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度不断升高而引起化学反响的，从而使燃烧波不断向未燃混合气中推进。传播速度很高，常大于1000m/s，超音速4假定混合气的流动〔或燃烧波的传播速度〕是一维的稳定流动忽略粘性力；其燃烧前后的定压比热容CP为常数；与管壁无摩擦、无热交换燃烧波的传播速度=流速u∞图4-1燃烧过程示意图---火焰驻定Pp,upρp,hpT∞p∞,u∞ρ∞,h∞T∞燃烧区

一维定常流动的平面波---

火焰驻定5连续方程：〔质量平衡〕

动量方程：＝常数

能量方程：＝常数

状态方程：或＝常数

6热量〔焓〕方程：Pp,upρp,hpT∞p∞,u∞ρ∞,h∞T∞燃烧区

代入能量方程可得：7连续方程：〔质量平衡〕

动量方程：8瑞利〔Rayleigh〕直线横坐标：1/ρP纵坐标：pP斜率：-m2瑞利〔Rayleigh〕方程p1/ρ（p∞

，1/ρ∞）瑞利方程反响了在给定的初态〔p∞，ρ∞〕条件下，终态〔pp，ρp〕应满足的关系。9能量方程：10前式结论代入可得：整理可得：11休贡纽〔Hugoniot〕方程〔雨果尼特〕

休贡纽方程曲线横坐标：1/ρP

纵坐标：pPp1/ρ休贡纽〔Hugoniot〕方程〔雨果尼特〕休贡纽方程反响了在给定初态p∞、ρ∞及反响热Q的条件下，终态pp、ρp的关系。12其中M为马赫数。此外，由瑞利方程还可得：结合声速公式：13(p∞,1/ρ∞)图4-2燃烧的状态图pA休贡纽曲线瑞利曲线〔Ⅰ〕Q1Q2Q2>Q1BDECF上C-J点下C-J点〔Ⅱ〕〔Ⅲ〕GH〔Ⅳ〕1/ρA′14讨论：〔p∞，1/ρ∞〕是初态通过〔p∞，1/ρ∞〕点，将平面分成四个区域。过程的终态只能发生在Ⅰ、Ⅲ区，不可能发生在Ⅱ、Ⅳ区交点A、B、C、D、E、F、G、H等是可能的终态。区域〔Ⅰ〕是爆震区，而区域〔Ⅲ〕是缓燃区。区域〔Ⅰ〕，1/ρP<1/ρ∞,pP>p∞，即经过燃烧后气体压力增加、燃烧后气体密度增加、燃烧以超音速传播〔M∞>1〕。区域〔Ⅲ〕，1/ρP>1/ρ∞，pP<p∞，即经过燃烧后气体压力减小或接近不变、气体密度减小、燃烧以亚音速进行〔M∞<1〕。150.06～0.251.4～2.6ρP/ρ∞4～168～21TP/T∞0.98～0.97613～55PP/P∞4～60.4～0.7uP/u∞0.0001～0.035～10u∞/a∞正常火焰传播爆轰常见的比值大小比值气体中爆轰和正常火焰传播间定性差异16瑞利与休贡纽曲线分别相切于B、G两点。B点称为上恰普曼-乔给特〔Chapman-Jouguet〕点，简称C-J点，具有终点B的波称为C-J爆震波。AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震。EG段为弱缓燃波，GH段称为强缓燃波。大多数的燃烧过程是接近于等压过程的，因此强缓燃波不能发生，有实际意义的将是EG段的弱缓燃波，而且是M∞≈0当Q＝0时，那么休贡纽曲线通过初态〔p∞，1/ρ∞〕点，这就是普通的气体力学激波。174.2层流火焰传播速度及其传播机理

火焰传播速度的定义火焰前沿〔前锋、波前〕一层一层的混合气依次着火，薄薄的化学反响区开始由点燃的地方向未燃混合气传播，它使已燃区与未燃区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反响发光区为火焰前沿〔锋面〕实验证明，火焰前沿的厚度是很薄的，只有十分之几毫米甚至百分之几毫米，分析问题中可将其看作一“几何面〞〔锋面〕18火焰锋面的特点火焰前沿可分为两局部：预热区和化学反响区火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散19图4-3稳定的平面火焰锋面结构δ〔火焰焰锋宽度〕δPδCSLTCC→C0T→T0ooaaT=f1〔x〕C=f2〔x〕W=f3〔x〕活化中心W新鲜混合气已燃气体x火焰前锋的宽度极小，但出现极大的温度梯度dT/dx和浓度梯度dC/dx，因而火焰中有强烈的热流和扩散流热流的方向从高温火焰向低温新鲜混合气，而扩散流的方向那么从高浓度向低浓度，新鲜混合气的分子、燃烧产物分子、游离基均扩散反响区预热区20火焰位移速度及火焰法向传播速度火焰位移速度

是火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度，其前沿的法向指向未燃气体。位移速度为：火焰法向传播速度

是指火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方向上的速度。火焰法向传播速度S1为当气流速度wn＝0时，S1＝u，这时所观察到的火焰移动的速度就是火焰传播速度

wn为气流速度w在火焰锋面法向上的分量21火焰传播机理火焰传播的热理论：火焰能在混合气体中传播是由于火焰中化学放出的热量传播到新鲜冷混合气体，使得混合气体温度升高，化学反响加速的结果。火焰传播的扩散理论扩散理论认为，但凡燃烧都是链式反响，火焰能在新鲜混合气体中传播是由于火焰中的自由基向新鲜冷混合气体中扩散，使得新鲜冷混合气体发生链式反响的结果。〔本节主要讨论火焰传播的热理论〕22层流火焰传播速度—马兰特简化分析

物理模型

马兰特简化分析的根本思想：假设由Ⅱ区导出之热量能使未燃混合气之温度上升至着火温度Ti，那么火焰就能保持温度的传播δCTmTiT∞x图4-4火焰前沿中的温度分布〔Ⅰ〕预热区〔Ⅱ〕反响区23设反响区II中温度分布为线性分布：热平衡方程式为：因为：或者：式中：所以：〔导温系数〕24该式说明：层流火焰传播速度Sl与导温系数a及化学反响速度Ws的平方根成正比那么：代入上式可得：又：所以：设：为化学反响时间，为初始质量浓度，为初始相对浓度为反响速率25对于二级反响，火焰传播速度Sl将与压力无关。大多数碳氢化合物与氧的反响，其反响级数接近2，因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了这个结论。应该指出：该理论尚不完善，例如未燃混合气体的初始温度T∞就等于着火温度Ti的话，那么火焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。根据关系可得：26影响燃烧速度的因素燃料/氧化剂比值的影响燃料结构的影响压力的影响混合物初始温度的影响火焰温度的影响惰性添加剂的影响活性添加剂的影响

27图4-5混合物成分对燃烧速度的影响图4-6燃料百分数对燃烧速度的影响环己烷024681012102030405060乙烷乙醚苯戊烷丙稀丙酮甲烷乙烯二硫化碳空气中燃料体积分数％u0/cm.s-1〔1〕燃料/氧化剂比值的影响u0/cm.s-10204060801004080120160200240280CO/O2H2/air燃料体积分数％28实验研究发现：可燃气与空气的存在一个最正确的比值，在此最正确比值的条件下，火焰传播速度最快，否那么会下降。理论上这个比值为“化学当量比〞，即空气过量系数α=1但实际情况时并非等于1，而是有所差异。火焰传播速度存在一个浓度极限的问题，混合气体中如果可燃气体太少或太多，火焰均不能燃烧，可燃气体只有在一定浓度范围内才能传播。29〔2〕燃料结构的影响图4-7饱和碳氢化合物及非饱和碳氢化合物1234123456碳原子数炔属烃烯属烃烷属烃u0/丙烷的u0max7图4-8压力对燃烧速度的影响201001000-0.3-0.2-0.100.10.20.3u0/cm.s-1u0＝pn中的n值〔3〕压力的影响30〔4〕混合物初始温度的影响0100Ts增加燃料％u0/cm.s-1图4-9来流温度对燃烧速度的影响C2H4/air20040010020030040050060070080120160Ts/Ku0/cm.s-1C3H8/airCH4/air图4-10来流温度对燃烧速度的影响31〔5〕火焰温度的影响121620242804080120160200Tf/100℃C8H18/N2O/N2CS2,C8H18/O2/N2氮化合物，硝酸盐，乙醇，乙醚碳氢化合物/O2/N2H2/O2/N2图4-11火焰温度对燃烧速度的影响32〔6〕惰性添加剂的影响u0

0燃料％增加惰性气体图4-12添加剂对燃烧速度的影响CH4/O2CO/O22004006008001000020406080100被惰性气体置换的O2％图4-13惰性组分对燃烧速度的影响置换用的N2惰性气体CO2H2/O2u0/cm.s-133〔7〕活性添加剂的影响在CO/air火焰中增加少量的H2后由于链反响效应可使燃烧速度大为增加。u0/cm.s-150100150200250H2CO100080206040406020800100020406080空气中的燃料量％图4-14H2＋CO混合剂在空气中燃烧的速度344.3可燃气体爆炸预混气爆炸的温度计算以乙醚为例说明预混气爆炸时的温度计算密闭容器中乙醚和空气的预混气的燃烧，由于燃烧速度快，热量来不及散发，可近似看作绝热等容燃烧，燃烧产生的热量全部用来加热燃烧产物。如果乙醚与空气的比值为化学当量比，并燃烧热、燃烧产物量及热容，就可以计算出乙醚爆炸时的最高温度。理论燃烧温度的计算:爆炸温度的计算:35C4H10O+6(O2+3.76N2)=4CO2+5H2O+6×3.76N2n1=29.6n2=31.6乙醚的燃烧热为2720855.2kJ/mol，其中局部热量消耗于水的气化(水的气化热为43973.84kJ/mol)，余下来的热量使燃烧产物升温。36表气体恒容平均热容计算式气体名称(kJ/kmol·oC)单原子气体(Ar、He，金属蒸汽及其它)20.84双原子气体(N2、O2、H2、CO、NO)20.8+0.00288t三原子气体CO2，SO237.66+0.00243tH2O，H2S16.74+0.00900t四原子气体(NH3及其它)41.84+0.00188t五原子气体(CH4及其它)50.21+0.00188t燃烧产物中各组分温度升高1oC所需热量为：N2:22.6×(20.08+0.00288t)=453.81+0.04249tH2O:5×(16.74+0.00900t)=83.70+0.04500tCO2:4×(37.66+0.00243t)=150.64+0.00972t37总燃烧产物温度升高1oC所需热量：688.15+0.09721t(688.15+0.09721t)t=2500986乙醚的爆炸最高温度为：38可燃混气爆炸压力的计算爆炸前：n1、T1、P1、V1，爆炸后：n2、T2、P2、V2〔＝V1〕那么有：P1V1＝n1RT1，P2V1＝n2RT2两式相除得：以乙醚为例：C4H10O+6(O2+3.76N2)=4CO2+5H2O+6×3.76N2n1=29.6n2=31.639某些物质的最大爆炸压力8.7正戊烷9.0苯8.6丙烷9.9环氧乙烷7.4氢8.9乙烯6.8氯乙烯7.5乙醇5.0硫化氢9.2乙醚7.8二硫化碳10.3乙炔8.6丙稀8.9丙酮8.6环乙烷7.3乙醛爆炸压力〔×105Pa〕物质爆炸压力〔×105Pa〕物质40

爆炸时的升压速度04080120160图4-16甲烷爆炸时升压速度

计算值（9L球）

试验值（9L圆柱体）时间（ms）压力（1×105Pa）8246P—瞬时压力，PaSl—火焰传播速度，cm/sKd—系数K—系数(比热容比)，Cp/Cv=1.4t—时间，s41某些可燃气和蒸气的最大爆炸压力和升压速度1185008.614苯1194058.516丙酮1214528.613环己烷1174568.713己烷1284647.917乙烷923347.35110甲烷73027037.3135氢平均压力上升速度〔×105Pa/s〕最大压力上升速度〔×105Pa/s〕最大爆炸压力〔×105Pa〕初压〔×105〕Pa浓度％〔体积〕名称42例：某容器中装有甲烷和空气预混气，体积为9L，甲烷的体积浓度为9.5%，爆炸前初温T1=298K，初始压力P1=1.01325×105Pa，爆炸时温度为T2=2300K，最大爆炸压力P2=8.0756×105Pa，甲烷火焰传播速度为Sl=34.7cm/s，热容比K=1.4，求甲烷爆炸时平均升压速度。解：甲烷燃烧反响式为：CH4+2O2+7.5N2CO2+2H2O+7.5N2n1=n2=10.5(kmol)43由得平均升压速度为44

爆炸威力指数爆炸威力指数＝最大爆炸压力×平均升压速度几种可燃气的爆炸威力指数〔×1010Pa2/s〕

爆炸总能量爆炸总能量可用下式计算：

8859乙炔1018己烷1014苯1011乙烷1012丙酮676甲烷1041环己烷5329氢威力指数气体名称威力指数气体名称45

爆炸参数测定〔一〕实验设备图4-17可燃气体爆炸测定仪1.爆炸室；2.容器；3.半圆形喷管；4.点火源；5.压力传感器；6.可燃气/空气入口；7.吹洗空气；8.排气管4620L球形爆炸测试系统确定在特定的测试条件下粉尘云爆炸的最大压力Pmax和最大压力上升速率(dp/dt)max，评价粉尘云的爆炸危险性。用20bar的压缩空气将粉尘分散到20L球中，使用2个5kj的化学点火头对粉尘云进行点火，测量压力和时间的变化得出曲线，确定每次测试的最大爆炸压力和最大压力上升速率。对大范围内的各个浓度进行一系列的测试，找出Pm和(dP/dt)m的最大值，即Pmax和(dP/dt)max。47〔1〕爆炸压力：Pm〔2〕爆炸最大压力：Pmax〔3〕升压速度：〔4〕最大升压速度：〔5〕爆炸指数Km：〔6〕最大爆炸指数Kmax：〔7〕扰动指数tv〔点燃延迟时间〕：tv〔8〕扰动指数Tu:〔二〕测试参数48〔1〕静态可燃气爆炸试验在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，压力为大气压，确保气体混合均匀且处于静态，翻开压力记录仪，启动点火源，测得Pm和

在一个大的气体浓度范围内重复试验，可测出Pmax和〔2〕动态可燃爆炸试验在爆炸室中预制一定浓度的可燃气与空气混合物，用空气加压5升容器至2MPa，开启容器阀门，翻开压力记录仪，在某一点燃延迟条件下，点燃扰动的可燃气与空气混合物〔延迟时间越长，混合物扰动程度越低〕。〔三〕实验方法494.4爆炸极限理论及计算4.4.1爆炸极限理论爆炸下限：可燃气与空气的混合物遇火源能爆炸的可燃气最低浓度；爆炸上限：能使火焰蔓延的最高浓度混合爆炸物浓度在爆炸下限以下时含有过量空气，由于空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，此时，活化中心的销毁数大于产生数。同样，浓度在爆炸上限以上，含有过量的可燃性物质，空气非常缺乏〔主要是氧缺乏〕，火焰也不能蔓延。但此时假设补充空气同样有火灾爆炸的危险当混合气燃烧时，其波面上的反响如下式：A＋B→C＋D＋Q

反响热：Q=W-EEWA＋BC＋D50设燃烧波内反响物浓度为n那么单位体积放出能量为nW。燃烧波向前传递，使前方分子活化，活化概率为α〔α≤1〕那么活化分子的浓度为αnW/E第二批活化分子反响后再放出能量为αnW2/E前后两批分子反响时放出的能量比为:当β<1时，表示反响系统在受能源激发后，放热越来越少，也就是说，引起反响的分子数越来越少，最后反响停止，不能形成燃烧或爆炸。当β＝1时，表示反响系统在受能源激发后能均衡放热，有一定数量的分子在持续进行反响。这就是决定爆炸极限的条件〔严格说稍微超过一些才能爆炸〕。当β>1时，表示放热量越来越大，反响分子越来越多，形成爆炸51在爆炸极限时，β＝1设爆炸下限为L下〔体积百分比〕与反响概率α成正比，即：当Q与E相比较大时，上式可近似写做：各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出：

爆炸下限L下与可燃性气体的燃烧热

Q近于成反比，可燃性气体燃烧热越大，爆炸下限就越低。52〔1〕初始温度爆炸性混合物的初始温度越高，那么爆炸极限范围越大，即爆炸下限降低而爆炸上限增高图4-19温度对甲烷爆炸极限的影响图4-20温度对氢气爆炸极限的影响4.4.2爆炸极限的影响因素53温度对丙酮爆炸极限的影响54图4-22不同压力下氢气爆炸极限1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为37×8cm；2．端部或中心点，球形容器；3．火焰向下传播，圆筒容器图4-21不同压力下甲烷爆炸极限1．火焰向下传播，圆筒容器尺寸为37×8cm；2．端部或中心点，球形容器；3．火焰向下传播，圆筒容器〔2〕初始压力一般压力增大，爆炸极限扩大压力降低，那么爆炸极限范围缩小待压力降至某值时，其下限与上限重合，将此时的最低压力称为爆炸的临界压力。假设压力降至临界压力以下，系统便成为不爆炸55〔3〕惰性介质即杂质假设混合物中含惰性气体的百分数增加，爆炸极限的范围缩小，惰性气体的浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸图4-23各种惰性气体对甲烷爆炸极限的影响参加惰性气体，

爆炸上限显著下降

爆炸下限略有上升最终合为一点——爆炸临界点惰化能力：CCl4>CO2>H2O>N2>He>Ar56〔4〕容器容器管子直径越小、爆炸极限范围越小。同一可燃物质，管径越小，其火焰蔓延速度亦越小。当管径〔或火焰通道〕小到一定程度时，火焰即不能通过。这一间距称最大灭火间距，亦称临界直径(消焰径〕。当管径小于最大灭火间距，火焰因不能通过而被熄灭。〔5〕点火能源火花的能量、热外表的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响图4-24火源能量对甲烷爆炸极限的影响〔常压，26℃〕574.4.3爆炸极限的测定爆炸极限的测定一般采用传播法测试原理：首先将爆炸管内抽成真空，然后充以一定浓度的可燃气与空气的混合气体，用循环泵使可燃气混合均匀，再用电极点火，观察火焰传播情况。火焰传播的最低浓度或最高浓度〔可燃气的体积百分含量〕，即为该可燃气的爆炸下限或爆炸上限。主要部件：长130cm，内径为5cm的硬质玻璃爆炸管点火电极：1.5mm直径的钨棒1-安全管；2-反应管；3-电磁阀；4-真空泵；5-干燥瓶；6-放电电极；7-电压互感器；8-泄压电磁阀；9-搅拌泵；10-压力机58FRTA爆炸极限测试仪适用于在标准大气压、设定的温度下测试可燃性蒸气或气体发生燃烧的浓度上限和浓度下限。此方法还可以用于测定存在少量惰性气体情况下的燃烧上下限，但是不可用比空气强的氧化剂如纯氧进行测试。该方法的初始压力限于101kPa〔1atm或0bar〕或更低，实际压力限制约为0atm或-1bar。仪器最高操作温度为150℃。该测试方法可用于测定和评价物质在实验室条件下对加热和燃烧的反响特性，测试结果不可直接用于描述物质在真实点燃情况下的着火危险或火灾风险，但可作为火灾风险评估的重要参考因素。

FESTEC爆炸极限测试装置594.4.4爆炸极限的经验公式

1〕通过1摩尔可燃气在燃烧反响中所需氧原子的摩尔数〔N〕计算有机可燃气爆炸极限〔体积百分数〕如：甲烷：N=4x下=6.5%，x上=17.3%，

60〔2〕利用可燃气体在空气中完全燃烧时的化学计量浓度x0计算有机物爆炸极限如：1A＋n(O2＋3.76N2)→生成物

有机可燃气A在空气中的化学计量浓度为:

如：甲烷：n=2x0%=9.5%，x下=5.2%，x上=14.7%

注：该式适用于以饱和烃为主的有机可燃气体，但不适用于无机可燃气体。

61〔3〕通过燃烧热计算有机可燃气的爆炸下限x〔4〕多种可燃气体组成的混合物爆炸极限的计算

莱—夏特尔公式

对于烷烃类：，对于醇类、醚类、烯烃类：P1、P2、P3.—混合气中各组分的体积百分数，%N1、N2、N3.—混合气中各组分的爆炸极限，%62

莱—夏特尔公式的证明如下：

指导思想：将可燃混合气体中的各种可燃气与空气组成一组，其组成符合爆炸下限时的比例，可燃混气与空气组成的总的混合气体为各组之和。注意：应用莱—夏特尔公式时，组成混合气体的各组分之间不得发生化学反响。631〕设各种可燃气体积为：V1，V2，V3，……，Vi。那么总的可燃气体积为V＝V1+V2+V3+……+Vi

2〕设各组可燃气—空气在爆炸下限时的体积为：V’1，V’2，V’3，……，V’I那么总的可燃混气—空气体积为V′＝V’1+V’2+V’3，……，V’I

3〕设各种可燃气爆炸下限为：x1下，x2下，x3下，…xi下。那么……64〔4〕设总的可燃混气的爆炸下限为x下。那么有〔5〕设…65例题可燃气体含C2H640%，C4H1060%，取1m3该燃气与19m3空气混合。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？〔C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%〕混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%2.0%<5%<9.7%故，该混合气体遇火爆炸。解：乙烷：P1=40%

丁烷：P2=60%66例题有混合气体含C2H61%，C4H101.5%，其余为空气。该混合气体遇明火是否有爆炸危险？〔C2H6和C4H10在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限为3.0%、1.6%〕解：可燃气体总浓度＝1%＋1.5%＝2.5%乙烷：P1＝1/2.5=40%丁烷：P2=1.5/2.5=60%2.0%<2.5%<9.7%故，该混合气体遇火爆炸。67〔5〕含有惰性气体的可燃混气爆炸极限的计算方法如果可燃混气中含有惰性气体，如N2、CO2等，计算其爆炸极限时，仍然利用莱—夏特尔公式但需将每种惰性气体与一种可燃气编为一组，将该组气体看成一种可燃气体成分。比方：H2+N2,CO+CO2,CH4该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃气体体积百分含量之和。而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱—夏特尔公式进行计算。68图4-25氢、一氧化碳、甲烷与氮、二氧化碳混合气体在空气中的爆炸极限69图4-26乙烷、丙烷、丁烷和氮、二氧化碳混合物气体在空气中的爆炸极限70

例4－1求煤气的爆炸极限。煤气组成为：H2一12.4％；CO一27.3％；CO2一6.2％；O2一0％；CH4一0.7％；N2一53.4％。

解：分组：CO2+H2；N2+CO；CH4

CO2+H2：6.2％+12.4％＝18.6％；

N2+CO：27.3％+53.4％＝80.7％；

CH4：0.77％。从图4－25查得：

H2＋CO2组的爆炸极限为：6.0％～70％；

CO＋N2组的爆炸极限为：40％～73％。

CH4的爆炸极限为：5％～15％问题：

1m3该煤气和19m3空气混合，遇明火是否爆炸？71表4-7某些气体混合物的爆炸浓度极限气体混合物气体组成（％）计算值实验值CO2O2COH2CH4N2下限％上限％下限％上限％水煤气6.20.339.249.22.33.06.165.46.969.5半水煤气7.00.232.040.00.820.07.670.08.170.5发生炉煤气6.2027.312.40.753.419.071.020.373.7城市煤气2.50.510.547.029.010.55.431.65.631.7焦炉煤气1.90.46.354.435.41.64.528.15.028.4724.4.5爆炸浓度极限图可燃气体与氧气组成的爆炸系统称为二元系统，可燃气与空气组成的爆炸系统也可近似称为二元系统，如果氧气与氮气的比例不符合空气的组成，那么系统须看作三元系统。三元混合系统一般有以下三种情况：可燃气体—助燃气体—惰性气体〔F-S-I〕可燃气体1—可燃气体2—助燃气体〔F1-F2-S〕可燃气体—助燃气体1—助燃气体2〔F-S1-S2〕三元系统可用三角坐标来表示系统的组成通常研究比较多的是第一种情况〔要求掌握〕73〔1〕三角坐标表示方法AC%B%BA%CQ三角形的每条边作为一种组分的坐标三个顶点表示一种纯组分每边上的任一点表示由该边连接的两种组分组成三角形内任一点表示三元系统的任一组成Q点的每一组分在系统中的浓度可通过该点作顶点

对边的平行线，与该组分坐标线的交点表示74QS〔2〕三角坐标的性质FIMN性质1直线MN

上的任一点所表示的混合物中的F组分含量相同。P性质2直线FP上的任一点所表示的混合物中S、I组分的比值〔S%/I%〕相同。推论：在Q点所表示的混合物中参加F组分，那么Q点沿PF直线向F点移动。75〔3〕F-S-I体系爆炸浓度极限图

以可燃气—氧气—氮气体系为例F〔燃料〕SIULCL,U--可燃气在氧气中的爆炸浓度极限C--爆炸临界点〔氧〕〔氮〕LUC--爆炸三角形21%U’L’L’,U’--可燃气在空气中的爆炸浓度极限PQQ--失爆氧浓度PCQI--绝对平安区LUC--爆炸三角形UFPC-潜在危险区SLCQ-相对平安区767778例题乙烯在氧气中的爆炸浓度极限为3～80%，氮气惰化时的爆炸临界点为〔氧气10%，氮气87%，乙烯3％〕。〔1〕请绘出乙烯—氧气—氮气体系的爆炸浓度极限图。〔2〕用图解法计算乙烯在空气中的爆炸浓度极限。〔3〕在1m3的混合气〔乙烯20%，其余为空气〕中，至少掺入多少m3的氮气后遇明火不会爆炸。79例题解答：乙烯氧氮80%3%C20.9%35%2〕乙烯在空气中的L’=3%U’=35%20%75%3〕假设要遇明火不爆炸那么氮气浓度大于75%设参加氮气xm3，有：解之，得x＝0.472m3ABDE80〔4〕F1-F2-S体系爆炸浓度极限图

以乙烷—乙烯—空气体系为例乙烷乙烯空气12.5%3.0%2.7%36%例：用图解法计算

25%乙烯,75%乙烷混合气体在空气中的爆炸浓度极限。8182〔5〕爆炸极限的实用意义掌握了爆炸极限，可以正确的评定可燃气体在生产、储运过程中的危险程度，为防火等提供依据。1、评定气体和液体蒸气的火灾危险性的大小；2、评定气体生产储存的火险类别；3、确定平安生产的操作规程。834.5爆轰84按照可燃气体燃烧的状态图〔休贡纽曲线和瑞利曲线〕，预混气体的燃烧有可能发生爆轰，由于爆轰压力非常高，爆轰波传播速度非常快，一般的卸压装置将失去作用，因此爆轰对设备的破坏极其严重。爆轰的发生爆轰实际上是一种激波，这种激波由预混气体的燃烧而产生，靠燃烧时释放的化学反响能量来维持。854.5.1激波的形成

小扰动压缩波弱的压缩扰动活塞由静止到匀速运动，介质受到压缩干扰产生压缩波，并在未受干扰的介质中进行传播，传播速度为未扰动介质的声速：OOBBAA86激波：强压缩波如果活塞连续向右做加速运动，将不断地产生向右传播的压缩波，其传播的波速仍然为波前气体的声速。由于波前气体在经过第一道压缩波的作用后，气体的温度将会产生一个微小的增量，因此第二道压缩波的波速a2将大于第一道压缩波的波速，即：OOBBAA87同理，后面的压缩波的波速都将比前面的压缩波的传播速度快，不难想象，经过一段时间后，这些压缩波将会叠加在一起，波的能量也将迅速增大，即形成所谓的“激波〞。激波前后气体的参数〔压力、温度、密度等〕发生了显著的变化。88激波也可以说是气体参数的一个突跃面，凡被激波扰动过的气体，参数值都发生一个突跃的变化。激波前进的速度V激既不等于原来AA前进的速度a1，也不等于BB前进的速度a2+ΔV〔其中〕，而是介于两者之间，即a2+ΔV>V激>a1。这说明：激波相对于波前气体的运动速度是超声速的〔V激>a1〕，相对于波后气体的运动速度是亚声速的〔V激－ΔV<a2〕。OOBBAA89微弱压缩波可以叠加在一起，成为一道强的压缩波—激波但是，膨胀波那么不再叠加在一起，变成一道“强的〞膨胀波。膨胀波扰动过的气体，密度、压强、温度等都相应地降低。由于温度降低，越靠后的膨胀波运动速度越小，后面的膨胀波永远也赶不上前面的膨胀波。各膨胀波之间的距离将越来越大，故膨胀波不能像压缩波那样集中或叠加在一起，形成一道强的膨胀波。904.5.2激波的性质激波运动的速度与激波强度设某时刻t，激波前进到2截面处，波前参数为p1，ρ1，T1，波后参数为p2，ρ2，T2。激波前进的速度为V激，波后气体运动的速度为ΔV。设dt时间后，激波由2截面前进到1截面，于是1-2截面间的距离为2-2’截面间的距离为

dx2′dx气222′11质量守恒同时，dt时间后，2截面的气体前进到2’截面，911-2截面间气体的动量变化：在激波通过前，气体的速度为0；激波通过后，气体的速度由0增加到ΔV，所以1-2截面间在dt时间内的动量变化为ρ1AdxΔV。作用于这局部气体上的冲量为〔p2-p1〕Adt。动量守恒定律：921-2截面间气体能量的变化

在dt时间内，外界压力对1-2截面间气体所作的功为p2AΔVdtu为单位重量气体的内能

为功热当量将V激和ΔV的表达式代入上式

93激波前后压强比和密度比之间的关系式

激波运动速度的公式由于波后压强p2总是大于波前压强p1，所以上式根号内的数值是大于1的，故V激>a1。激波后与激波前的压强比p2/p1标志着激波强度的大小。在a1不变的条件下，激波强度p2/p1越大，激波运动的速度V激也就越大；反之，激波运动的速度减小。激波相对于波后气体的运动速度

944.5.2.3在空间运动的激波物体在空间作加速运动时，也会形成激波，其过程和原理与活塞在管内运动形成激波的情况相同，即激波都是由微弱压缩波叠加而成。但也存在不同之处。管内激波的特怔：当活塞在管内做加速运动，造成激波之后，只有活塞保持等速前进，激波的强度就不会变化或减弱，所有被激波压缩过的气体，都被迫以等于活塞的速度前进，波后压强保持为p2不变。活塞的运动可以是超声速的，也可以是亚声速的激波形成后以速度V激向前运动。波后气体压强为p2，速度等于活塞运动的速度。波前和管外气体都没有受到压缩，压强保持为p195图4-31激波在空间的运动激波在空间的传播特征：管壁是不存在时，波后的高压气体将向两侧运动，结果波后气体的压强下降，V激随之下降。如果活塞或物体以亚声速运动时，由于激波的速度总是大于声速的，所以激波与物面间的距离将越来越大，激波强度p2/p1也就越来越小，直至激波在无限远处弱化为微弱压缩波为止。故活塞或物体在空间以亚声速运动不会形成稳定的激波。但当活塞或物体以超声速在空间运动时，当物体前方的激波速度减小到等于物体运动的速度时〔它们都是超声速的〕，激波与物面间的距离就不再增大，激波强度也就不再进一步减弱，激波运动的速度也就恒定不变，而与物体以同一的速度一起前进了。这时在物体的前方，就会有一道稳定的激波。964.5.3爆轰的发生

假设有一根装有可燃预混气体的管子，一段封闭，在封闭段点燃混合气体，形成一以正常火焰速度传播的燃烧波。9798图4-32爆轰形成过程示意图〔a〕正常火焰传播O—O前面形成一系列压缩波d—d，d′—d′，d″—d″……〔b〕正常火焰传播O—O前方爆轰波U—U已形成，并使未燃混合气着火；〔c〕正常火焰传播与爆轰波引起的燃烧合二为一994.5.4爆轰形成条件1．初始正常火焰传播能形成压缩扰动2．管子要足够长或自由空间的预混气体积要足够大爆轰前期间距：正常火焰峰与爆轰形成位置之间的距离称爆轰前期间距。对于光滑的管子，该爆轰前期间距为管径的数十倍。对于外表粗糙的管子，爆轰前期间距为管径的2～4倍。3．可燃气浓度要处于爆轰极限范围内爆轰极限范围一般比爆炸极限范围要窄4．管子直径大于爆轰临界直径管子能形成爆轰的最小直径称爆轰临界直径，约为12～15mm。100表4-8爆轰极限与爆炸极限的比较可燃气体爆炸极限（体积％）爆轰极限（体积％）下限下限上限下限氢—空气4.075.618.359.0氢—氧4.793.915.090.0一氧化碳—氧15.794.038.090.0氨—氧13.579.025.475.0乙炔—空气1.582.04.250.0乙炔—氧2.5

3.592.0丙烷—氧2.355.03.237.0乙醚—空气1.736.02.84.5乙醚—氧2.182.02.624.0101燃料空气弹

据报载，美国在对阿富汗的军事行动中使用了一种称为燃料空气弹(fuelairexplosiveprojectile，FAE)的新式武器，当被投掷或发射到目标上空时，液体燃料连同雷管、定时器一起撒到地面，燃料很快汽化成雾状，散布在空气中，经过预定的延迟时间，由雷管引爆，产生威力强大的爆炸。燃料空气弹内装的炸药是容易汽化的液态碳氢化合物，如环氧乙烷、环氧丙烷、甲基乙炔和丙二烯等，本身不含氧或只含很少的氧，必须与空气混合才会爆炸。由于它爆炸时几乎把附近空气中的氧消耗殆尽，在这个范围的人即便不被炸死，也会因缺氧而窒息死，所以燃料空气弹又称窒息弹。燃料空气弹爆炸时会产生2500℃左右的高温火球，并形成强大的冲击波和热气浪，炸点附近的冲击波传播速度可达2200m/s，超压达5~20MPa)。燃料空气弹的破坏威力较大，可使暴露的士兵失去作战能力，使电子设备受到破坏，可大面积杀伤人员和摧毁无防护的武器，如地面的和躲在普通工事或民房内的人员，停机坪上的飞机，暴露的导弹、雷达和电台天线等。1024.5.5爆轰波波速和压力爆轰波相对于波前的气体是超声速的，爆轰波比正常火焰的传播速度快得多表4-9某些可燃混气爆轰波波速实测结果2209C2H4+3O22363C2H6+3.5O21880CH4+1.5O2+2.5N22146CH4+2O212642CO+O228212H2+O2U0〔m/s〕混合物103表4-10化学计量比的氢-氧混合物的爆轰波速表17001762309716.32（2H2＋O2）＋5Ar31603617209716.32（2H2＋O2）＋5He35273627297515.97（2H2＋O2）＋5H218221850268514.39（2H2＋O2）＋5N217001732262014.13（2H2＋O2）＋5O228172806358318.052H2＋O2试验值计算值U1（m/s）T2（K）P2（×105Pa）混合物1044.5.6爆轰波破坏的特点

1．爆轰波波速很快，会使设备中常用泄压装置失去作用；2．爆轰波压力很大，特别是碰到器壁反射时，压力会增加的更大。因此破坏性极其严重，尤其在管道的拐弯处。超压值(单位105Pa)建筑物损坏情况<0.02基本上没有破坏0.02-0.12玻璃窗的部分或全部破坏0.12-0.3门窗部分破坏，砖墙出现小裂纹0.3-0.5门窗大部分破坏，砖墙出现严重裂纹0.5-0.76门窗全部破坏，砖墙部分倒塌>0.76墙倒屋塌表冲击波对砖墙建筑物的破坏1053．爆轰波对生物的杀伤作用。爆轰波实质是一个激波，对生物的杀伤力与冲击波相似。

防止爆轰的关键是防止燃烧由正常火焰传播向爆轰波的转变，在未发生爆轰前，阻止火焰的传播。因此，可在火焰传播途径上安装阻火器，或者在爆轰波初始生产时将管径急剧增大，使爆轰中断，但此时火焰并未能中断，应与阻火器联合使用。1064.6气体爆炸的预防可燃气体与空气或氧气混合后形成预混可燃气，一旦遇到点火源，就会发生爆炸，造成重大事故。气体爆炸是最常见的爆炸之一，采取有效的措施预防气体爆炸是十分重要的。可燃气爆炸须具备三个条件，即可燃气、空气〔可燃气与空气的比例必须在一定的范围内〕和点火源。107

预防可燃气爆炸的方法有：

①严格控制火源；②防止预混可燃气的产生；③用惰性气体预防气体爆炸；④切断爆炸传播的途径。减少事故损失的方法⑤用阻火装置防止爆炸传播；⑥用爆轰抑制器抑制爆轰；⑦用泄压装置保护设备，防止爆炸灾害的扩大，减少损失；⑧用爆炸抑爆装置抑制爆炸。

1084.6.1严格控制火源严格控制火源的产生引燃可燃气体火源种类：如电焊、气焊产生的明火源；电器设备启动、关闭、短路时产生的电火花；静电放电引起的火花；物体撞击、相互摩擦时产生的火花等。采用防爆型电气设备用于具有爆炸危险气体的厂房、矿井防爆电气设备可分为增安型、隔爆型、充油型、充砂型、通风充气型、本质平安型、无火花型、特殊型等。隔爆型的防爆性能比较好，一级爆炸危险场所应优先采用。增安型的防爆性能比较差，宜用于危险程度较低的场所。109

表4-12爆炸和火灾危险场所的等级划分类别等级特征有可燃气体和易燃液体蒸汽爆炸危险的场所Q—1正常运转情况下能形成爆炸危险性混合物Q—2在正常情况下不能形成，但在不正常情况下（如设备损坏、误操作、检修、泄漏等）能形成爆炸性混合物Q—3在不正常情况下虽然能形成爆炸混合物，但可能性较小有可燃粉尘和可燃纤维爆炸危险的场所G—1正常情况下能形成爆炸危险性混合物G—2在正常情况下不能形成，但在不正常情况下能形成爆炸性混合物有火灾危险的场所H—1在该场所、生产、使用、储存、运送闪点低于环境温度的可燃液体H—2有可燃粉尘、纤维的场所，虽达不到爆炸条件，但有火灾危险H—3有固体可燃物的场所110场所等级Q—1Q—2Q—3G—1G—2电机隔爆型、通风充气型任意防爆类型H43型任意一级隔爆型、通风充气型H44型电器和仪表固定安装隔爆型、充油型、通风充气型、本质安全型H45型H45型任意一级隔爆型、通风充气型、充油型H45型移动式隔爆型、通风充气型、本质安全型隔爆型、通风充气型、本质安全型除充油型外任意一种防爆类型及至H57任意一级隔爆型、通风充气型

携带式隔爆型、本质安全型隔爆型、本质安全型隔爆型、增安型、H57型任意一级隔爆型

照明灯具固定及移动防爆型、通风充气型增安型H45型任意一级隔爆型H45携带式隔爆型隔爆型隔爆型、增安型及至H57型任意一级隔爆型任意一级隔爆型变压器隔爆型、通风充气型增安型、充油型H45型任意一级隔爆型、充油型、通风充气型H45型通讯电器隔爆型、充油型、通风充气型、本质安全型增安型H57型任意一级隔爆型、充油型、通风充气型H45型配电装置隔爆型、通风充气型任意一种防爆类型H57型任意一级隔爆型、通风充气型H45型1114.6.2防止预混可燃气产生严格密封生产、储存和输送可燃气的设备和管线，应严格密封加强监测在重要防爆场所应装置监测仪，以便对现场可燃气泄漏情况随时进行监测。加强通风在不可能保护设备绝对密封的情况下，应使厂房、车间保持良好的通风条件，使泄漏的少量可燃气能随时排走，设置的防爆通风排风系统，其鼓风机叶片应采用撞击下不会发生火花的材料。1124.6.3用惰性气体预防气体爆炸当厂房内或设备内已充满爆炸性混合气体又不易排走，或某些生产工艺过程中，可燃气难免与空气〔或氧气〕接触时，可用惰性气体〔氮气、二氧化碳等〕进行稀释，使之形成的混合气不在爆炸极限之内，不具备爆炸性。这种方法称惰性气体保护。在易燃固体物质的压碎、研磨、筛分、混合以及粉状物质的输送过程中，也可以用惰性气体进行保护。113可燃气体临界含氧量/％添加CO2添加N2甲烷14.612.1乙烷13.411.0丙烷14.311.4丁烷14.512.1戊烷14.412.1己烷14.511.9汽油14.411.6乙烯11.711.0丙稀14.111.5环丙稀13.911.7氢5.95.0一氧化碳5.95.0十二烯13.910.4苯13.911.2各种可燃气体的临界含氧量〔常温常压〕1144.6.4用阻火装置防止爆炸传播阻火装置：平安水封、阻火器和单向阀。爆轰抑制器阻火装置的安装：石油罐的开口部位、可燃气的输入管路、溶剂回收管路、燃气烟囱、枯燥机排气管、气体焊接设备与管道等作用：防止火焰窜入设备、容器与管道内，或阻止火焰在设备和管道内扩展工作原理：是在可燃气体进出口两侧之间设置阻火介质，当任一侧着火时，火焰的传播被阻止而不会烧向另一侧在某些爆炸性混合气体中，火焰传播速度随传播距离增加而增加，并变成爆轰。一旦变成爆轰，要阻止其传播还需安装爆轰抑制器115〔一〕平安液封常用的平安水封有敞开式和封闭式两种这类阻火装置以液体作为阻火介质，最常用的是水。一般安装在气体管线与生产设备之间来自气体发生器或气柜的可燃气体，经平安水封到生产设备中去的过程中，如果平安水封某一侧着火，火焰传到平安水封时因水的作用阻止火焰蔓延到平安水封的另一侧。116〔1〕敞开型平安水封1234

图4-33敞开式安全水封示意图1－水位阀门2－出气管3－进气管4－安全管117〔2〕封闭式平安水封图4-34封闭式平安水封示意图1－水位阀门2－气体出口3－进气管4－单向阀5－爆破片12345118〔二〕阻火器阻火器是一种利用间隙消焰防止火焰传播的干式平安装置。工作原理:间隙消焰是指通过金属网的火焰，由于与网面接触，火焰中的局部活性基团〔自由基〕失去活性而销毁，使链式自由基反响中止。这种现象称为间隙消焰现象。消焰径〔或消焰直径〕是设计阻火器的重要参数。所谓消焰径是指使混合气体着火时，不传播火焰的管路临界直径。安装位置：在容易引起爆炸的高热设备、燃烧室、高温氧化炉、高温反响器等与输送可燃气体、易燃液体蒸气的管线之间，以及易燃液体、可燃气体的容器、管道、设备的排气管上，多用阻火器进行阻火119消焰元件的选择消焰元件是许多间隙的集合体，一般采用具有不燃性、透气性的多孔材料来作消焰元件，并且应具有一定的强度。最常用的是金属网，此外也使用波纹金属片、多孔板、细粒〔如砂粒、玻璃球、铁屑或铜屑等〕充填层、狭逢板、金属细管束等来做消焰元件。从理论上讲，只有满足下式才能到达消焰的目的：式中，v为临界火焰速度；d为消焰元件的间隙直径；R为由混合气体的性质或消焰元件的种类决定的常数；l为进深〔消焰元件总厚度〕。火焰传播速度大的物质消焰比较困难，欲使其火焰熄灭，须用小的间隙、或者加大间隙的进深。但间隙的直径如果超过某一临界值，进深〔消焰元件〕总厚度不管增至多大，也不会产生消焰效果120混合气体种类燃烧速度/cm·s-1消焰径/mm甲烷－空气36.63.7丙烷一空气45.72.7丁烷一空气39.62.8己烧一空气39.63.0乙烯一空气70.11.9乙炔一空气176.80.79氧一空气335.30.86丙烷一氧气396.20.38乙炔一氧气1127.70.13氢－氧气1188.70.30混合气体的燃烧速度与消焰径

121金属网阻火器如图

图4-35金属网阻火器1—进口；2—壳体；3—垫圈；4—金属网；5—上盖；6—出口122〔三〕单向阀单向阀亦称逆止阀作用是仅允许可燃气体或液体向一个方向流动，遇有倒流时即自行关闭，从而防止在燃气或燃油系统中发生流体倒流，或高压窜入低压造成容器管道的爆裂或发生回火时火焰的倒袭和蔓延等事故在工业生产上，通常在流体的进口与出口之间，在燃气或燃油管道及设备相连接的辅助管线上，高压与低压系统之间的低压系统上，或压缩机与油泵的出口管线上安置单向阀单向阀有升降式、摇板式和球式等多种规格1234.7湍流燃烧和扩散燃烧

4.7.1湍流燃烧4.7.1.1湍流的物理本质真实的粘性流体的运动存在着两种有明显区别的流动状态，即层流和湍流〔紊流〕。层流：流体中液体质点彼此互不混杂，质点运动轨迹呈有条不紊的线状形态流动。湍流：流体质点在流动时，处于平安无规那么的乱流状态，甚至出现漩涡，称湍流。流体流动是呈层流还是呈湍流，受流速u、流体密度ρ、粘度μ和管径d影响。这四个因素组合在一起就得到判断流体流动的准那么数—雷诺数Re124湍流流动的特征：在湍流状态下，流体质点的运动参数〔速度的大小和方向〕、动力参数〔压力的大小〕等都将随时间不断地、无规律地变化湍流流场是由许多不同尺度、不同形状的涡团相互掺混的流体运动场。涡团自身经历着发生、开展和消失的过程。当流动的雷诺数Re大于或等于某一临界值(Rec’)以后，定常的层流流动将转变为非定常的紊乱的湍流流动当Re<Rec时，流动为层流状态当Re>Rec’时，流动为湍流状态当Re<Re<Rec’时，流动可能是层流也可能是湍流，取决于流动开始的状态，开始为层流，那么仍为层流。125脉动：湍流和层流相区别的主要特征这种流体质点或微团的运动参数、动力参数随时间瞬息变化的现象称为脉动。通过实验观测可以发现，湍流状态下的速度和压力是在一个平均值的上下脉动，该平均值那么具有一定的规律性空间点上任一瞬时物理量φ可用其平均值和脉动值之和来表示,如：126图4-36层流火焰与湍流火焰bb湍流火焰aa层流火焰4.7.1.2湍流燃烧的特点127湍流火焰区别于层流火焰的明显特征火焰长度短，厚度较厚，发光区模糊，有明显噪音等湍流火焰火焰传播速度加快原因：〔1〕湍流可能使火焰面弯曲皱折，增大了反响面积〔2〕湍流增加热量和活性物质的输运速率，从而增大了垂直于火焰面的燃烧速度；〔3〕湍流可以快速地混合已燃气和未燃新鲜可燃气，使火焰在本质上成为均混反响物，从而缩短混合时间，提高燃烧速度1284.7.1.3邓克勒－谢尔金皱褶火焰面模型图4-37湍流火焰传播速度示意图u∞u∞ψSt假定湍流火焰是一维的，流场是均匀的，各向同性，湍流火焰传播速度St与来流速度u∞有关系，129

一维准稳态湍流火焰能量平衡方程：无量纲化：130湍流火焰传播速度取决于湍流脉动速度和层流火焰传播速度131小尺度湍流燃烧和大尺度湍流燃烧〔1〕小尺度湍流在2300<Re<6000范围内，湍流是小尺度的层流火焰传播速度Sl是与或〔层流扩散系数〕成正比。小尺度湍流火焰传播速度St与(湍流传热系数〕成正比。132〔2〕大尺度湍流当Re>6000时，湍流涡团尺寸超过了层流火焰的厚度，这时湍流的脉动速度一般较小，但已足以使火焰面受到扭曲产生皱折火焰。火焰面上某几处由于向前的脉动速度比以平均速度vx全面推进的整体火焰面跑得更快，而形成凸出的锥面，另外几处又由于向后的脉动速度而落后于平均火焰面，形成凹进的锥面这样就使火焰锋面凹凸不平133图4-38雷诺数Re对火焰速度影响st/sl大尺寸小尺寸543210048121620×1000ReRe<2300时，火焰速度与Re无关2300<Re<6000时，火焰速度与Re平方根成正比Re>6000时，火焰速度与Re一次方成正比134对于小尺度湍流〔管内〕火焰传播速度就等于脉动速度

对于大尺度湍流1354.7.2扩散燃烧燃烧过程一般可分为化学动力燃烧〔预混燃烧〕和扩散燃烧两类。化学动力燃烧〔预混燃烧〕：燃烧速度主要是由燃料的氧化反响动力过程来决定扩散燃烧燃烧速度主要是由燃料与空气的扩散混合过程来决定扩散燃烧可以是单相的，亦可以是多相的燃气氧气碳氧气136一、扩散燃烧火焰的类型按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：〔1〕自由射流扩散火焰：产生于气体燃料从喷燃器向大空间的静止空气中喷出后形成的燃料射流的界面上。〔2〕同轴流扩散火焰：产生于气体燃料从喷管以与空气气流同一轴线喷出的燃料射流的界面上。〔3〕逆向喷流扩散火焰：产生于与空气气流逆向喷出的燃料射流界面上。4.7.2.1气体燃料射流的扩散燃烧137氧化剂（a）火焰前锋燃料浓可燃混合气（c）氧化剂图4-41扩散火焰的形式〔a〕自由射流扩散火焰〔b〕同轴流扩散火焰〔c〕逆向喷流扩散火焰燃料氧化剂火焰前锋（b）氧化剂138二、扩散燃烧与动力燃烧〔预混燃烧〕比较燃料燃烧所需的时间：混合时间：

扩散燃烧：τmix>>τche，那么τ≈τmix预混燃烧：τmix=0，那么整个燃烧时间就等于氧化反响所需时间。有些燃烧过程却处于上述两种极端情况之间，即τmix≈τche。这种情况是最复杂的，因为它同时要取决于化学动力因素与流体动力因素比方：半预混燃烧混合氧化反响分子扩散湍流扩散1394.7.2.2气体燃料射流的层流扩散燃烧空气不足扩散火焰的发光表面空气过量扩散火焰的发光表面h’空气空气燃料dd′h图4-42层流扩散火焰的外形F－气体燃料；O2－氧气；P－燃烧产物；T－温度图4-43扩散火焰内外组成成分O2=0F=0O2=0P=maxT=maxF=0F=F0O2=0T=T0P=P0F=0O2=O20T=T0P=P0140图4-44距燃料喷口某高度处扩散火焰中各物质浓度径向分布图4-45扩散火焰中的温度分布温度反应区反应区火焰前锋火焰前锋中心线O2N2N2火焰前锋中心线火焰前锋反应区燃烧产物燃料气体O2反应区141123456ⅠⅡⅢα>1α=1αm<1α1<αmα2<α1ⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅢⅠⅡⅢⅡⅢα3=0图4-46从动力燃烧〔预混燃烧〕转为扩散燃烧的过程动力燃烧锋面扩散燃烧锋面〔半预混燃烧〕1424.7.2.3气体燃料射流的湍流扩散燃烧可燃气体〔燃料〕与空气分别输送，如果气流速度足够大以致使气流处于湍流状态，那么为湍流扩散燃烧图4-51火焰的形状及高度随射流速度增加的连续变化充分发展的湍流扩散火焰0高度层流扩散火焰过渡区火焰高度终端包络线层流火端终端包络线143流速比较低时，层流状态，火焰高度随流速增加成正比提高，在流速比较高时，湍流状态，火焰高度几乎与流速无关。层流扩散火焰前锋的边缘光滑、轮廓显明、形状稳定随着流速〔或Re数〕的增加，焰锋高度几乎成线性增高，直到达最大值；此后，流速的增加将使火焰焰锋顶端变得不稳定，并开始颤抖。144随着流速进一步的提高，这种不稳定现象将逐步开展为带有噪音的湍流刷状火焰。由于湍流扩散，燃烧加快，迅速地使火焰的高度缩短。速度假设再进一步提高，火焰的高度保持一个定值，但火焰的噪音却会继续增大，火焰的亮度亦会继续减弱。最后在某一速度下火焰会吹离喷管口。实验还发现，扩散层流火焰高度与氧和可燃气的化学当量比有关。一摩尔的可燃气所需要的氧气的摩尔数越多，其扩散火焰高度越高；反之，其扩散火焰高度就越低。环境中氧含量减少时，火焰高度增加。145作业什么是火焰前沿？火焰前沿有什么特点？层流预混火焰传播速度Sl是如何规定的？影响层流预混火焰传播速度的因素有哪些？如何影响？简述激波的产生过程。阐述爆轰的形成条件和发生过程，并说明其本质。146计算丁烷在空气中的理论最大爆炸压力。〔初始温度25℃，初始压力0.1MPa,爆炸温度1900℃〕6.某容器中含甲烷5%，乙烷2%，氧气21%，氮气67%，二氧化碳5%〔体积百分比〕。初始温度25℃，初始压力0.1MPa,爆炸温度1200℃，计算爆炸压力。7.乙烷爆炸下限为3%，摩尔燃烧热为1426.6KJ，丙烷的摩尔燃烧热为2041.9KJ，求丙烷的爆炸下限。1478.图为可燃气体—氧气—氮气体系的爆炸极限图。〔1〕在图中标出该可燃气体在空气中的爆炸浓度极限。〔2〕说明A点和B点两种气体的爆炸危险状态。〔3〕在图中分别标出当气体A和气体B泄漏到空气中，新的混合气的移动路线，并说明其爆炸危险状态的变化情况。〔4〕在图中标出完全惰化区FO2N2ULA•B•C1489.某煤气的组成为：CO10%、氢气45%、甲烷30%、氮气11%、二氧化碳2%、氧气2%。将1m3该煤气与19m3空气混合，遇明火是否爆炸？10.一混合气体中含乙烷1%、丁烷C4H101.4%，其余为空气，该混合气体遇明火是否有爆炸危险？〔乙烷和丁烷在空气中的爆炸上限分别为12.5%、8.5%，下限分别为3.0%、1.5%〕149为什么1mol可燃气完全燃烧所需氧气摩尔数越大，扩散火焰高度越高？为什么环境中氧浓度越低，扩散火焰高度越高？150什么是火焰前沿？火焰前沿有什么特点？火焰前沿是存在于已燃区和未燃区之间的明显分界线。火焰前沿具有以下特点：(1)火焰前沿可以分成两局部：预热区和化学反响区。在预热区中，流入的冷混合气温度由T∞被加热到燃点Ti。由于预热区温度较低，化学反响速度很小，可以忽略。紧接预热区的是化学反响区，其厚度用δc表示，经过该区域后，温度从Ti升高到理论燃烧温度Tm。(2)火焰前沿存在强烈的导热和物质扩散。由于整个火焰前沿厚度很薄，在这样博的厚度上，温度从初温T∞突然升高到理论燃烧温度Tm，因而产生极大的温度梯度。同时由于在火焰前沿冷混合气从初始浓度突然变到零，已燃气从零突然升高而产生极大的浓度梯度，导致出现强烈的物质扩散。151层流预混火焰传播速度Sl是如何规定的？影响层流预混火焰传播速度的因素有哪些？如何影响？层流预混火焰传播速度指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度