1、火焰傳播與穩定理論火焰傳播與穩定理論火焰傳播與穩定理論火焰傳播與穩定理論火焰傳播的基本方式火焰傳播的基本方式可燃氣體的火焰正常傳播火焰正常傳播的理論火焰正常傳播速度可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒火焰穩定的基本原理和方法不穩定的火焰傳播：振蕩傳播不穩定的火焰傳播：振蕩傳播穩定的火焰傳播：正常火焰傳播，爆燃穩定的火焰傳播：正常火焰傳播，爆燃正常火焰傳播正常火焰傳播( (小于小于30m/s)30m/s)：燃燒產物以自由膨脹的燃燒產物以自由膨脹的方式向管外逸出，管內壓力可認為是常數。由于火焰傳方式向管外逸出，管內壓力可認為是常數。由于火焰傳播速度不大，火焰傳播完全依靠氣體分子熱運動的導熱播速度不大，火

2、焰傳播完全依靠氣體分子熱運動的導熱方式將熱量從高溫的燃燒區（即火焰前沿）傳給與火焰方式將熱量從高溫的燃燒區（即火焰前沿）傳給與火焰臨近的低溫未燃氣體燃料，使未燃氣體燃料著火燃燒。臨近的低溫未燃氣體燃料，使未燃氣體燃料著火燃燒。燃燒的火焰一層層地傳播。燃燒的火焰一層層地傳播。爆燃：爆燃：其火焰的傳播速度超過了聲速，一般可達其火焰的傳播速度超過了聲速，一般可達100010004000m/s4000m/s，爆燃主要是由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮，爆燃主要是由于氣體燃料受沖擊波的絕熱壓縮而引起的。而引起的。可燃氣體的火焰正常傳播可燃氣體的火焰正常傳播由于火焰是一層很狹窄的燃燒區域，燃料的化學反應只在

3、該區域內進行，在這種情況下，可近似地把它當作一個數學表面。這一表面把未燃的新鮮燃料和燃燒產物分這一表面把未燃的新鮮燃料和燃燒產物分開，而所有的火焰傳播即為此表面的傳播。開，而所有的火焰傳播即為此表面的傳播。火焰正常傳播火焰正常傳播0Hndnuimd PHnuuw火焰傳播速度：火焰相對于無窮遠處的未燃混合氣火焰傳播速度：火焰相對于無窮遠處的未燃混合氣在其法線方在其法線方向上向上的速度的速度本生燈火焰移動速度本生燈火焰移動速度cosHnVHHLSduwwwdSqwdudSuSPHnuuw火焰前沿移動的正常速度可理解為在單位火焰前沿火焰前沿移動的正常速度可理解為在單位火焰前沿的表面上，其所能燃燒的可

4、燃氣體混合物的流量。的表面上，其所能燃燒的可燃氣體混合物的流量。本生燈火焰移動速度本生燈火焰移動速度2200VVHLqquSrhr本生燈測量的局限性本生燈測量的局限性火焰前沿各處的速度并不一火焰前沿各處的速度并不一致。致。火焰前沿錐體離噴嘴出口有火焰前沿錐體離噴嘴出口有一段距離，并且寬度略大，一段距離，并且寬度略大，火焰速度與噴嘴直徑有關，火焰速度與噴嘴直徑有關，直徑越小影響越大。直徑越小影響越大。可燃氣體混合物中的含氧量可燃氣體混合物中的含氧量影響火焰錐體的形狀。影響火焰錐體的形狀。火焰正常傳播的理論火焰正常傳播的理論 用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 澤利多維奇等的分區近似

5、解法澤利多維奇等的分區近似解法 火焰傳播的精確解法火焰傳播的精確解法 坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的擴散理論）等的擴散理論用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 認為火焰中反應區在空間的運動，取決于反應區認為火焰中反應區在空間的運動，取決于反應區放熱及其向新鮮混氣的熱傳導。放熱及其向新鮮混氣的熱傳導。如未燃的可燃氣體混合物的初速度如未燃的可燃氣體混合物的初速度u0恰好使火焰前沿靜止不動恰好使火焰前沿靜止不動則初速度則初速度u0即為火焰前沿移動的正常速度即為火焰前沿移動的正常速度反應區的溫度分布反應區的溫度分布 一元導熱微分方程 介質的連續性方程 未反應區方程()0

6、PxxddTdTcuQwdxdxdx00 xxuu00()PddTdTcudxdxdx 進行一次積分可得 再次進行積分求解可得0 000()pu cxBTTTT e0:0,0:BdTxTTdxxTT 000()()PdTcu TTdx燃燒區特征燃燒區特征將將TB至至Tr之間的區域稱為燃燒區。之間的區域稱為燃燒區。在整個燃燒區域中，其可燃氣體混合物的化學反應速在整個燃燒區域中，其可燃氣體混合物的化學反應速率是不同的。化學反應速率不僅與溫度有關，還與可率是不同的。化學反應速率不僅與溫度有關，還與可燃物的濃度有關。燃物的濃度有關。u著火處附近，可燃物濃度最大，但溫度較低。著火處附近，可燃物濃度最大，

7、但溫度較低。u燃燒區末端，溫度雖然很高，但可燃物濃度最低。燃燒區末端，溫度雖然很高，但可燃物濃度最低。反應速率最大的區域為略低于燃燒溫度附近區域反應速率最大的區域為略低于燃燒溫度附近區域-反應區。反應區。近似假設在燃燒區域內的溫度按直線規律升高近似假設在燃燒區域內的溫度按直線規律升高000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT0rBxxTTdTdx0001rBpBTTucTT 0 0wu c0000()()xPBdTcu TTdx假定可燃氣體混合物完全在反應區進行反應。假定可燃氣體混合物完全在反應區進行反應。 火焰前沿移動的正常傳播速度與氣體混合物的物理常火焰前沿移動的正常

8、傳播速度與氣體混合物的物理常數有關。數有關。 火焰正常傳播速度隨著差值（火焰正常傳播速度隨著差值（TB-T0）的減小而增加，）的減小而增加，因此如果將氣體預先加熱后再送入燃燒室，則其火焰因此如果將氣體預先加熱后再送入燃燒室，則其火焰正常傳播速度就能得以提高。正常傳播速度就能得以提高。000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT000000()()rBrBpBBTTTTauwwccTTcTT火焰正常傳播的理論火焰正常傳播的理論 用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 澤利多維奇等的分區近似解法澤利多維奇等的分區近似解法 火焰傳播的精確解法火焰傳播的精確解法 坦福特（

9、坦福特（TanfordTanford）等的擴散理論）等的擴散理論澤利多維奇等的分區近似解法澤利多維奇等的分區近似解法 火焰分為兩個區域：預熱區和反應區。火焰分為兩個區域：預熱區和反應區。 對反應區內的導熱微分方程的簡化方式處理。對反應區內的導熱微分方程的簡化方式處理。00()0PddTdTcuqwdxdxdx00000()()()2()0()rbPbPbTbTddTdTdTcucu TTdxdxdxdxddTdTwqwqdTdxdxdx預熱區：反應區：222002()rbTTHpbwqdTuc TT0000bTTbrwqdTTTTT0222002()rTTHprwqdTuc TTn 此式對于此

10、式對于 整數時，無法得出正確值。但該式可用來分析各種整數時，無法得出正確值。但該式可用來分析各種因素對火焰傳播速度的影響，預測出火焰傳播速度的變化趨勢。因素對火焰傳播速度的影響，預測出火焰傳播速度的變化趨勢。0000rSpw TTwc q0010002 !11() exp()()nsHnprrrw qTnEuBc TTTR TT0EnRTwk c e火焰正常傳播的理論火焰正常傳播的理論 用于簡化近似分析的熱理論用于簡化近似分析的熱理論 澤利多維奇等的分區近似解法澤利多維奇等的分區近似解法 火焰傳播的精確解法火焰傳播的精確解法 坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的擴散理論）等的擴散

11、理論火焰傳播的精確解法火焰傳播的精確解法 利用數值計算方法直接對層流火焰基本利用數值計算方法直接對層流火焰基本方程進行迭代求解。方程進行迭代求解。坦福特等的擴散理論坦福特等的擴散理論 認為凡是燃燒均屬于鏈式反應，在鏈式反認為凡是燃燒均屬于鏈式反應，在鏈式反應中借助于活性分子的作用，使混氣變為應中借助于活性分子的作用，使混氣變為燃燒產物。燃燒產物。 對于層流火焰中的某些反應，活性物質向對于層流火焰中的某些反應，活性物質向未燃氣體的擴散速度，能決定火焰速度的未燃氣體的擴散速度，能決定火焰速度的大小。大小。各種理論解法的比較各種理論解法的比較影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因

12、素-過量空氣系數的影響過量空氣系數的影響可燃氣體混合物最大的可燃氣體混合物最大的火焰正常傳播速度發生在火焰正常傳播速度發生在可燃物濃度比化學當量比可燃物濃度比化學當量比例稍大的混合物中例稍大的混合物中(即過量即過量空氣系數小于空氣系數小于1)。最高燃燒溫度也是偏向最高燃燒溫度也是偏向富燃料區的，火焰中自由富燃料區的，火焰中自由基基H，OH等濃度較大，鏈等濃度較大，鏈鎖反應的鏈斷裂率較少，鎖反應的鏈斷裂率較少，因而反應速度較快。因而反應速度較快。 對于飽和碳氫化合物（烷烴類），其最大對于飽和碳氫化合物（烷烴類），其最大火焰速度火焰速度(0.7m/s)幾乎與分子中的碳原子幾乎與分子中的碳原子數數n

13、無關；無關； 對于一些非飽和碳氫化合物（無論是烯烴對于一些非飽和碳氫化合物（無論是烯烴還是炔烴類），碳原子數較小的燃料，其還是炔烴類），碳原子數較小的燃料，其層流火焰速度卻較大。層流火焰速度卻較大。 差異是由熱擴散性不同所造成，這種熱擴差異是由熱擴散性不同所造成，這種熱擴散性和燃料分子量有關。散性和燃料分子量有關。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-燃料化學結構的影響燃料化學結構的影響 提高可燃物初始溫度可以大大促進化學反應速率，從而增提高可燃物初始溫度可以大大促進化學反應速率，從而增大火焰正常傳播速度。大火焰正常傳播速度。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳

14、播速度的主要因素-混合可燃物初始溫度混合可燃物初始溫度T0的影響的影響 火焰溫度對火焰傳播速度火焰溫度對火焰傳播速度具有極大影響。具有極大影響。 超過超過2500C自由基濃度自由基濃度大量增加起重要影響。大量增加起重要影響。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-火焰溫度的影響火焰溫度的影響影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-熱擴散率和比壓定熱容的影響熱擴散率和比壓定熱容的影響熱擴散率越大，熱擴散率越大，則火焰傳播速度越則火焰傳播速度越快。快。比壓定熱容越小，比壓定熱容越小，則火焰溫度越高，則火焰溫度越高，相應火焰傳播速度相應火焰傳播速度也越快。

15、也越快。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-惰性物質含量的影響惰性物質含量的影響惰性物質的加入惰性物質的加入將使火焰傳播速將使火焰傳播速度降低，并向燃度降低，并向燃料濃度較少的方料濃度較少的方向移動。向移動。采用添加劑的主要目的是提高著火溫度及緩和過早著火和爆震的趨勢，添加劑對火焰速度只有輕微的影響。2種燃料性質相差不大的混氣互相混合時。若添加劑能改變擴散系數，則會對火焰速度產生明顯影響。影響火焰正常傳播速度的主要因素影響火焰正常傳播速度的主要因素-添加劑的影響添加劑的影響火焰傳播界限火焰傳播界限 對于每種可燃氣體混合物來講，都有火焰傳播的濃度界限。對于每種可燃氣體混

16、合物來講，都有火焰傳播的濃度界限。 可燃物在混合物中的濃度低于某值而使正常速度為零的濃度值可燃物在混合物中的濃度低于某值而使正常速度為零的濃度值稱為下限，高于某值而使正常速度為零的濃度值稱為上限。稱為下限，高于某值而使正常速度為零的濃度值稱為上限。 接近限值時，火焰的正常傳播速度約為接近限值時，火焰的正常傳播速度約為0.030.08m/s。火焰正常傳播速度的測量火焰正常傳播速度的測量 圓柱管法圓柱管法 定容球法定容球法 肥皂泡法肥皂泡法 粒子示蹤法粒子示蹤法 平面火焰燃燒器法平面火焰燃燒器法可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒可燃氣體層流動力燃燒和擴散燃燒 火焰的形狀及其長短對于一定噴燃器形式火焰的

17、形狀及其長短對于一定噴燃器形式而言，主要取決于可燃氣體與空氣在噴燃器中而言，主要取決于可燃氣體與空氣在噴燃器中的混合方法：的混合方法：動力燃燒火焰：預先混合好的化學均勻可燃動力燃燒火焰：預先混合好的化學均勻可燃氣體混合物的火焰。氣體混合物的火焰。擴散燃燒火焰：氣體可燃物與燃燒所需的部擴散燃燒火焰：氣體可燃物與燃燒所需的部分空氣預先混合或者不預先混合的情況下，由分空氣預先混合或者不預先混合的情況下，由噴燃器噴出，燃燒所形成的火焰。噴燃器噴出，燃燒所形成的火焰。化學均勻可燃氣體混合物的動力燃燒化學均勻可燃氣體混合物的動力燃燒Z動力燃燒的火焰形狀動力燃燒的火焰形狀ROnu0rZr可燃氣體混合物層流運

18、動時任一截面可燃氣體混合物層流運動時任一截面上混合物的速度分布規律上混合物的速度分布規律2021rR流出噴燃出口時的速度分布規律流出噴燃出口時的速度分布規律2021RrR求得火焰形狀函數求得火焰形狀函數22cos()()Hudrwdrdz22HHwudzdru 21HHwdzwudru 火焰形狀火焰形狀300213RHwrzwwRrRuR火炬著火區長度計算公式火炬著火區長度計算公式0023BRrHRLzwwu在噴管中心線上具有最大的正常傳播速度在噴管中心線上具有最大的正常傳播速度u火焰錐體內部可燃氣體混合物得到預熱火焰錐體內部可燃氣體混合物得到預熱u在噴管中心軸線上所獲得的活潑中心較其他部分多

19、在噴管中心軸線上所獲得的活潑中心較其他部分多火焰中心線火焰中心線uH=w, 火焰錐體的頂部成為圓形火焰錐體的頂部成為圓形靠近管壁附近氣流速度最小，但是散熱量大導致傳播速度降低靠近管壁附近氣流速度最小，但是散熱量大導致傳播速度降低可燃氣體的擴散燃燒可燃氣體的擴散燃燒擴散火焰：將氣體燃料和空氣分別由噴燃器送入爐膛內進行燃燒。火焰的形狀和表面積大小不再取決于火焰傳播的速度，而是取決于氣體燃料和空氣之間的混合速度。在層流下，依靠分子熱運動的分子擴散進行混合在湍流下，依靠微團擾動的湍流擴散部分摻空氣的可燃氣體的擴散燃燒部分摻空氣的可燃氣體的擴散燃燒 擴散形式的火焰可以在氣體燃料和部分空氣均勻混合后由噴燃

20、器送入爐膛內，支持能夠完全燃燒的部分空氣從火焰的外界依靠擴散來供給燃燒而形成的火焰。 一般將預先和氣體燃料相混合好的那部分空氣稱為一次風；將由外界擴散入的那部分空氣稱為二次風經過一定的假設，擴散燃燒的火焰形狀如下所示1ZOr1R2air2Rair1 1空氣過剩時空氣過剩時2 2氣體可燃物過剩時氣體可燃物過剩時氣體可燃物層流工況下火焰長度層流工況下火焰長度22,B TTwRLD22VBqwRLDD當氣流流動速度和噴燃器半徑增大時，火焰長度增加當擴散系數增加時，則火焰長度減短湍流工況下火焰長度擴散燃燒的火焰核心的長度隨氣體速度和噴燃器管徑增擴散燃燒的火焰核心的長度隨氣體速度和噴燃器管徑增加而增加，

21、但其增加程度比層流工況下小。加而增加，但其增加程度比層流工況下小。不論氣體的流動工況為層流或湍流，在化學非均勻的擴散燃燒過程中，其火焰的性質在很大程度上取決于氣體的空氣動力學特性和混合過程的物理因素，而火焰核心的長度基本上與火焰傳播的正常速度無關。火焰穩定的基本原理 要保證火焰前沿穩定在某一位置上，可燃物向前要保證火焰前沿穩定在某一位置上，可燃物向前流動的速度等于火焰前沿可燃物傳播的速度，這流動的速度等于火焰前沿可燃物傳播的速度，這兩個速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就兩個速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就靜止在某一位置上。靜止在某一位置上。 當預混氣體流量很小時、使得出口斷面上的流動

22、當預混氣體流量很小時、使得出口斷面上的流動速度總是小于火焰傳播速度時，火焰就會向管內速度總是小于火焰傳播速度時，火焰就會向管內傳播，造成回火。傳播，造成回火。 若流速過高，則會造成吹滅。若流速過高，則會造成吹滅。火焰穩定的特征火焰穩定的特征-火焰根部形狀火焰根部形狀cossinHnsuwwww不斷將火焰前沿帶離噴嘴火焰穩定的特征火焰穩定的特征-火焰形狀火焰形狀火焰根部呈現點火圓環 對氣流來說，靠近壁面速度趨于零。 散熱明顯，溫度較低，管壁附近鏈反應緩慢，從而火焰傳播速度也較低。火焰頂部不成尖錐形，一般往往形成一個圓角，這樣才火焰頂部不成尖錐形，一般往往形成一個圓角，這樣才能實現火焰的穩定能實現火焰的穩定火焰穩定的特征火焰穩定的特征-火焰前沿位置火焰前沿位置動力火焰：動力火焰：穩定在穩定在 的表面的表面擴散火焰：擴散火焰：穩定在過量空氣系數為穩定在過量空氣系數為1 的表面上的表面上uwcosH火焰穩定的基本方法火焰穩定的基本方法- -小型點火火焰小型點火火焰把熾熱氣流射入高速的、冷的未燃混合氣中。在兩股氣流的邊界把熾熱氣流射入高速的、冷的未燃混合氣中。在兩股氣流的邊界處進行強烈的熱量和質量交換，使冷的未燃混合氣溫度提高。處進行強烈的熱量和質量交換，使冷的未燃混合氣溫度提高。火焰穩定的基本方法火焰穩定的基本方法- -鈍體鈍體 氣流繞流過鈍體在其后緣形成了