1、第四章第四章火焰傳播理論火焰傳播理論一、層流火焰傳播機理一、層流火焰傳播機理p在工程應用中，可燃混合物著火的方法是先引入外部熱源，使局部先行著火，然后點燃部分向未燃部分輸送熱量及生成活性中心，使其相繼著火燃燒。p在可燃混合物中放入點火源點火時，產生局部燃燒反應而形成點源火焰。由于反應釋放的熱量和生成的自由基等活性中心向四周擴散傳輸，使緊挨著的一層未燃氣體著火、燃燒，形成一層新的火焰。反應依次往外擴張，形成瞬時的球形火焰面。此火焰面的移動速度稱為層流火焰傳播速度Sn(或稱層流火焰傳播速度Sl，或正常火焰傳播速度)，簡稱火焰傳播速度。未燃氣體與已燃氣體之間的分界面即為火焰鋒面，或稱火焰面。 靜止均

2、勻混合氣體中的火焰傳播流管中的火焰鋒面p取一根水平管子，一端封住，另一端敞開，管內充滿可燃混合氣。點火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移動，由于管壁的摩擦和向外的熱量損失、氣體的粘性、熱氣體產生的浮力，使其成為傾斜的彎曲焰面。p如果管子相當長，那么火焰鋒面在移動了大約510倍管徑的距離之后，便明顯開始加速，最后形成速度很高的(達每秒幾千米)高速波，這就是爆振波。p如果將可燃混合物置于一個封閉的容器內，氧化反應釋放出的熱量會導致容器內壓力上升，反應速率越大，則壓力上升越快，壓力上升又會進一步加快反應速率，導致壓力不斷升高，如果容器不能承受其壓力就會爆裂開來，這種伴隨著壓力不斷上升的燃燒現象稱之為

3、爆炸。p正常燃燒屬于穩定態燃燒，可視為等壓過程；而爆振和爆炸屬不穩定態燃燒，是靠氣體的膨脹來局部壓縮未燃氣體而形成的沖擊波。在民用燃具和燃氣工業爐中，燃氣的燃燒均屬于正常燃燒。p若可燃混合氣在一管內流動，其速度是均勻分布的，形成一平整的火焰鋒面。如Sn=u，則氣流速度與火焰傳播速度相平衡，火焰面便駐定不動。這是流動可燃混合氣穩定燃燒的必要條件。p層流火焰傳播理論 第一是熱理論，它認為控制火焰傳播的主要是從反應區向未燃氣體的熱傳導。第二是擴散理論，認為來自反應區的鏈載體的逆向擴散是控制層流火焰傳播的主要因素。第三是綜合理論，即認為熱傳導和活性中心的擴散對火焰的傳播可能同等重要。大多數火焰中，由于

4、存在溫度梯度和濃度梯度，因此傳熱和傳質現象交錯地存在著，很難分清主次。下面介紹由澤爾多維奇等人提出的熱理論。 火焰層結構及溫度、濃度分布p在火焰鋒面上取一單位微元，對于一維帶化學反應的穩定層流流動，其基本方程為：連續方程動量方程 p常數能量方程（微元體本身熱焓的變化等于傳導的熱量加上化學反應生成的熱量）對于絕熱條件，火焰的邊界條件為 000nppuuSmu00pddddddTTu CwQxxx00md,;0dd,;0;0dTxTTyyxTxTTyx 為求定Sn(u0)，提出了一種分區近似解法，把火焰分成預熱區和反應區。在預熱區中忽略化學反應的影響，在反應區中略去能量方程中溫度的一階導數項。p預

5、熱區中的能量方程為其邊界條件是假定Ti是預熱區和反應區交界處(溫度曲線曲率變化點)的溫度，從T0到Ti進行積分，(下標“I”表示預熱區)0npddddddTTS Cxxx0d,0dTxTTx 0np0IdTdiS CTTx p反應區的能量方程為 其邊界條件是 乘式 后積分（下標“”表示反應區）22d0dywQxm2220,;d,0ddddd2ddddixTTTxTTxTTTxxxx d2dTxmd2ddiTTTwQ Tx Ti為未知，進一步變換可得 mn2220p02diTTiwQ TSCTTIdTdTddxxm0TTn2220pm02dwQ TSCTT22n0pm02SQwCTT表示在TmT

6、0之間反應速率的平均值 wp層流火焰傳播速度可看作是可燃混合物的主要特性，從中可以得出如下定性結論：p層流火焰傳播速度與平均熱導率的平方根成正比，與熱容的平方根成反比，因此層流火焰傳播速度與氣體混合物的物理常數有關。p層流火焰傳播速度隨著差值（Ti-T0）的減小而增加，若將氣體預熱到Ti，則層流火焰傳播速度就會趨向于無窮大。p可燃混合物的熱效應及化學反應速率顯著地影響著層流火焰傳播速度。1.可燃混合物的過剩空氣系數亦將影響其層流火焰傳播速度，當1或Sl)時，為大尺度強紊動火焰，反之為大尺度弱紊動火焰。p關于大尺度強紊動的火焰傳播機理，不同學者有不同的解釋，因而形成了湍流火焰的表面理論和容積理論

7、。 p湍流火焰的傳播速度比層流時要大得多，其理由為(1)湍流脈動使火焰變形，從而使火焰表面積增加，但是曲面上的傳播速度仍保持為層流火焰速度。(2)湍流脈動增加了熱量和活化中心的傳遞速度，反應速率加快，從而增大了垂直火焰表面的實際燃燒速度。(3)湍流脈動加快了已燃氣和未燃氣的混合，縮短混合時間，提高燃燒速度。湍流火焰模型(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流；(d)容積湍流燃燒 1燃燒產物；2新鮮混氣；3部分燃盡氣體三、層流火焰傳播速度的測定三、層流火焰傳播速度的測定p層流火焰傳播速度不能用精確的理論公式來計算。通常是依靠實驗方法測得單一燃氣或混合燃氣在一定條件下的Sn值，有時也可依照經驗公

8、式和實驗數據計算混合氣的火焰傳播速度。尚缺少完全符合Sn定義的測定方法。精確測量Sn的困難在于幾乎不可能得到嚴格的平面狀火焰面。p測定Sn的實驗方法，一般可歸納為靜力法和動力法兩類。（一）、靜力法測定Sn1、管子法靜力法中最直觀的方法是常用的管子法，測定時，用電影攝影機攝下火焰面移動的照片，已知膠片走動的速度和影與實物的轉換的比例，就可算出可見火焰傳播速度Sv。在這種情況下，底片上留下的是傾斜的跡印，根據傾斜角可以確定任何瞬間的火焰傳播速度。 用靜力法(管子法)測定Sn的儀器 1玻璃管；2閥門；3火花點火器；4裝有惰性氣體的容器p由于燃燒時氣流的紊動，焰面通常不是一個垂直于管子軸線的平面，而是

9、一個曲面。設F為火焰表面積，f為管子截面積，可得 Svf=SnFpSvSn。管徑越大，紊動越強烈，焰面彎曲度越大，Sv與Sn的差值也越大。p管徑越大，管壁散熱對火焰傳播速度的影響越小，如焰面不發生皺曲，則隨著管徑的增大火焰傳播速度上升，并趨向于極限值Sn。但實際上管徑增大時焰面要發生皺曲。管徑越大，焰面皺曲越烈，因而Sv值隨管徑的增加而不斷上升。p當管徑小到某一極限值時，向管壁的散熱大到火焰無法傳播的程度，這時的管徑稱為臨界直徑dc。臨界直徑在工程上是有意義的，可利用孔徑小于臨界直徑值的金屬網制止火焰通過。圖2-22 火焰傳播速度與管徑的關系 管子法測得的可見火焰傳播速度與燃氣空氣混合物成分的

10、關系(d=25.4mm)l氫；2水煤氣；3一氧化碳；4乙烯；5煉焦煤氣；6乙烷；7甲烷；8高壓富氧化煤氣2、皂泡法p將已知成分的可燃均勻混合氣注入皂泡中，再在中心用電點火化點燃中心部分的混合氣，形成的火焰面能自由傳播(氣體可自由膨脹)，在不同時間間隔出現半徑不同的球狀焰面。用光學方法測量皂泡起始半徑和膨脹后的半徑，以及相應焰面之間的時間間隔。即可計算得火焰傳播速度。p這種方法的主要缺點是肥皂液蒸發對混合氣濕度的影響。某些碳氫燃料對皂泡膜的滲透性、皂泡球狀焰面的曲率變化以及湍流脈動等因素，都會給測定結果帶來誤差。p另一種類似的方法是球形炸彈法。球彈中可燃混合氣點燃后火焰擴散時其內部壓力逐步升高。

11、根據記錄的壓力變化和球狀焰面的尺寸，可算得火焰傳播速度。 （二）、動力法測定Sn1、本生火焰法圖p本生火焰由內錐和外錐兩層焰面組成，內錐面由燃氣與預先混合的空氣進行燃燒反應而形成的，靜止的內錐焰面說明了內錐表面上各點的Sn(指向錐體內部)與該點氣流的法向分速度n是平衡的。內錐面上每一點的速度存在以下關系。nncosS本生火焰示意圖1內錐面；2外錐面p如氣體出口速度分布均勻，則可假定內錐為一幾何正錐體，并認為內錐焰面上各點的Sn均相等。這樣，便可測得層流火焰傳播速度的平均值，且具有足夠的準確性。 p當混合氣出流穩定時，按連續方程有p 式中 F0燃燒器出口截面積； m燃氣-空氣混合物在燃燒器出口處

12、的平均流速； Sn平均層流火焰傳播速度； Ff火焰的內錐表面積。p再設內錐為一底半徑是r高度為h的正錐體，只要準確測得氣體流量和火焰內錐高度，便可按下式求得層流火焰傳播速度00m0nf0nfFFS F n22gaLLSr rhp有關火焰中氣流速度比較精確的測量方法簡要介紹如下。(1)顆粒示蹤法 它是在可燃混合氣中摻入一種既能閃光、又不會引起化學反應的細小物質顆粒，并連續加以頻閃照射。對頻閃照射的粒子進行拍攝，可據此確定氣流的流線譜。根據示蹤間歇的距離和頻閃速度，可以計算得顆粒在氣流中的運動速度。示蹤顆粒運動是與氣體質點運動同步的，顆粒速度即代表該處氣流速度。(2)激光測速法 激光測速的基本原理

13、是利用光學多普勒效應。當一束激光照射到流體中跟隨一起運動的微粒上時，激光被運動著的微粒所散射，散射光的頻率和入射光的頻率相比較，就會產生一個與微粒運動速度成正比的頻率偏移。通過火焰內錐的流線分布情況層流火焰傳播速度沿燃燒器截面的分布2、平面火焰法pPowling燃燒器和Mache-Hebra噴嘴可提供平面和盤狀火焰，此類火焰的面積比較容易精確測量。可燃均勻混合氣進入直徑較大的圓管，通過裝在管口的多孔板或蜂窩格及整流網等，形成出口平面處速度的均勻分布。點燃混合氣，即可在管口下游一定位置形成一平面火焰。管口四周用惰性氣體將火焰包圍，用以限定火焰面的大小。只要準確測得火焰平面的面積和混合氣流量，即可

14、求得層流火焰傳播速度(Sn=LmixFf)。p此法的優點是火焰的發光區、濃度梯度最大處等都重疊在同一平面上，因而用不同方法測量結果是一致的。氣流速度(即火焰傳播速度)也可用顆粒跟蹤方法或激光測速法測定。Powling燃燒器不同方法Sn測定值的比較l錐形火焰；2平面火焰；3Powling火焰四、影響火焰傳播速度的因素四、影響火焰傳播速度的因素p通過分析火焰傳播速度公式，可以定性地了解到可燃混合氣的初溫、壓力、燃氣濃度及熱值等物理化學參數對火焰傳播速度的影響 1. 混合氣比例的影響p燃氣-空氣混合物中，火焰傳播速度與混合物內的燃氣含量直接有關。燃氣和空氣的混合比例變化時，Sn 也隨之變化。由圖可見

15、，所有單一燃氣或混合燃氣的Sn值隨混合物中燃氣含量變化的曲線均呈倒U形，中間最大，兩側變小直至最小值，接近于最小值的含量即為混合物著火濃度的上限和下限。當混合物中的燃氣含量低于下限或高于上限時，由于反應釋放熱量不足而使火焰傳播停止。p實驗觀測表明，以空氣作為氧化劑時， Sn最大值是在燃氣含量略高于化學計量比時出現的。其原因是當混合物中燃氣含量略高時，火焰中H、OH等自由基的濃度較大，鏈反應的斷鏈率較小所致。對于大多數火焰，當混合比接近于化學計量比時，火焰燃燒速度最大，一般認為火焰溫度達到最高時，其傳播速度也最大。 燃氣-空氣混合物的Sn與燃氣含量的關系1H2 2CO dC2H4 4C3H6 5

16、CH4 6C2H67C3H8 8C4H10 9煉焦煤氣 10發生爐煤氣2. 燃氣性質的影響p火焰傳播速度首先與燃氣的物性有關。從傳熱角度分析，氣體導熱系數越大，熱量傳遞越快，越有利于燃燒反應，則Sn也越大。 例如H2，熱導率最大。p碳氫燃料的結構對火焰傳播速度也有不同的影響。由圖中曲線可見，對于飽和烴類(CH4除外)，如C2H6、C3H8等，火焰傳播速度幾乎與分子中的nc無關，約為70cm/s左右。但對不飽和烴燃料，則火焰速度隨nc的增多而減小，并且在nc4時，則Sn又下降緩慢，并逐步趨向于一極限值。這些結果，可用反應活化能不同(含碳多者活化能大)或者反應中離子(如H、O、OH等)的擴散速度不

17、同來解釋。實驗結果還表明，隨著燃料分子量的增大，火焰傳播范圍也越來越小。因為燃料分子量增大，混合氣總分子量也變大，使得混合氣密度增大，由原理上分析得出的火焰傳播極限值減小。maxnS與燃料分子中碳原子數nc的關系3. 溫度的影響p(1) 混合物初始溫度的影響 由燃燒熱平衡條件可知，混合物起始溫度的提高，將導致反應溫度的上升，燃燒反應速率加快，從而使火焰傳播速度增大。歸納實驗結果表明，火焰傳播速度Sn隨初始溫度T0的變化規律大致為 p(2) 火焰溫度的影響 火焰溫度對Sn的影響較為復雜。溫度不太高時，Sn隨火焰溫度的增加主要表現為指數關系，因而影響很大。可以認為，對Sn起決定作用的是火焰溫度。當

18、超過2500時，火焰溫度的影響已不符合熱力理論了。因為在高溫下離解反應易于進行，從而使自由基濃度大大增加。作為鏈載體的自由基(活化中心)的擴散，既促進了反應，又增強了火焰傳播。m0nTS火焰傳播速度與混合物初溫的關系1一水煤氣 2一煉焦煤氣 3一汽油增熱煤氣4一天然氣 5一發生爐煤氣 火焰溫度對火焰傳播速度的影響 4 . 壓力的影響p長期以來，許多實驗表明，隨著燃燒時壓力的升高而其他參數不變時，火焰傳播速度將要減小。由熱理論分析已知。 對大多數碳氫燃料的燃燒反應來說，其反應總級數均小于2。據上述比例關系式，只有n2時，Sn才有可能隨壓力的提高而增大，否則Sn將隨壓力的上升而變小。但壓力增加時，

19、燃燒強度明顯增大，即火焰質量傳播速度增大。12n0nPS5 . 濕度和惰性氣體的影響p在單一燃氣或可燃混合氣中加入添加氣時可以增大或減小火焰傳播速度。大多數添加氣或是改變混合氣的物理性質(如導熱系數)，或是起催化作用。例如，CO燃燒時加入很少量添加氣，由于反應加快而使火焰傳播速度顯著增大。圖中可以看出，當混合氣中水蒸氣含量為2.3%時，最高Sn可達52cm/s，比干氣燃燒時高出一倍多。p在混合氣中以惰性氣體N2、Cl（氯）、He（氦）和CO2等代替O2，從而改變氧化劑中O2的濃度，視其含量不同對火焰傳播速度有不同的影響。一般來說，加入惰性氣體(或降低O2的濃度)，將使燃燒溫度大大下降，從而降低

20、了火焰傳播速度。但是不同惰性氣體的影響可能是相互矛盾的。圖示為N2含量不同時CH4- O2混合氣的火焰傳播速度變化的一系列曲線。CO-空氣混合氣火焰傳播速度與加入水蒸氣量的關系 N2含量對火焰傳播速度的影響 (預混氣：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% O2五、火焰傳播濃度極限五、火焰傳播濃度極限p在燃氣-空氣(或氧氣)混合物中，只有當燃氣與空氣的比例在一定極限范圍之內時，火焰才有可能傳播。若混合比例超過極限范圍，即當混合物中燃氣濃度過高或過低時，由于可燃混合物的發熱能力降低，氧化反應的生成熱不足以把未燃混合物加熱