第四章燃氣燃燒的火焰傳播

(FlamePropagation)第一節火焰傳播的理論基礎第二節法向火焰傳播速度的測定第三節影響火焰傳播速度的因素第四節混合氣體火焰傳播速度的計算第五節紊流火焰傳播第六節火焰傳播濃度極限目前一頁\總數七十五頁\編于五點意義：

火焰傳播速度是燃氣燃燒最重要的特性；對火焰的穩定性、互換性有很大的影響；涉及：

燃燒方法的選擇……燃燒器的設計……安全……

目前二頁\總數七十五頁\編于五點第一節火焰傳播的理論基礎火焰的定義

快速放熱的氣相反應、以亞音速在空間傳播，同時伴隨可見光輻射。空間傳播特性：化學反應、氣體流動、分子擴散、熱量轉移等綜合作用目前三頁\總數七十五頁\編于五點未燃的可燃混合物是分層的；在某一點上點燃后，形成火焰；火焰是熱量、自由基的中心；熱量以導熱的形式向未燃的相鄰區域傳遞；自由基以擴散的形式向相鄰區域傳播。相鄰區域溫度升高、自由基濃度增大，著火。形成火焰的傳播過程。火焰傳播的基本物理概念（1）目前四頁\總數七十五頁\編于五點火焰傳播的基本物理概念（2）1.焰面(FlameFront):

火焰鋒面、火焰前鋒燃燒反應進行的區域；未燃氣體與燃燒產物的分界面；2.火焰傳播速度：

焰面的移動速度；符號S表示。單位為m/s,m3/m2.s意義：單位面積上、單位時間內燃燒的可燃混合物的體積。目前五頁\總數七十五頁\編于五點一、火焰傳播的方式（一）正常火焰傳播(緩燃波Deflagration)

由于傳熱作用，高溫焰面將熱量傳給未燃氣體，使其著火、燃燒；依次傳遍整個體積。等壓下進行。1.層流火焰傳播LaminarFlamePropagation依靠分子擴散、導熱等實現火焰的傳播。2.紊流火焰傳播TurbulentFlamePropagation依靠紊流擴散等實現傳播。目前六頁\總數七十五頁\編于五點法向火焰傳播速度Sn問題的描述：

火焰在管狀的靜止氣體中傳播；傳播方向與焰面垂直；傳播速度的大小與管壁散熱有關目前七頁\總數七十五頁\編于五點散熱對火焰傳播的影響管徑越小，散熱對火焰傳播影響越大；

小到一定程度→火焰不能傳播管徑越大，對火焰傳播的影響越小；

大到一定程度→散熱影響完全消失→此時的火焰傳播速度達到最大

法向火焰傳播速度：Sn

目前八頁\總數七十五頁\編于五點可見火焰傳播速度Sv管徑增大時，由于燃燒及管壁散熱，在焰面附近引起擾動，焰面皺曲，此時焰面的移動方向仍為管子軸向，但不是焰面的法向。沿管子的軸向移動的速度稱為可見火焰速度，記作Sv。顯然Sv>Sn目前九頁\總數七十五頁\編于五點層流火焰傳播速度的大小層流時一般很小；H2最大：Sn=2.8m/s;Sv=4.85m/s;CH4最小：Sn=0.38m/s;Sv=0.67m/s;在d=25.4mm管子中的實驗結果目前十頁\總數七十五頁\編于五點紊流火焰傳播氣流成為紊流狀態：

紊流擴散系數大于分子擴散熱量傳遞加劇火焰速度增大；St>SnSt不僅與可燃混合物的物理化學性質有關，還與紊動程度有關(Re/管徑等)目前十一頁\總數七十五頁\編于五點（二）爆炸(Explosion)背景：

均勻的燃氣-空氣混合物在密閉容器內局部著火，燃燒放熱與高溫產物熱膨脹，壓力急劇升高。結果：

未燃氣體絕熱壓縮；瞬間燃燒完畢。爆炸自身(緩慢)加熱或點燃目前十二頁\總數七十五頁\編于五點（三）爆燃(Detonation)管子的長與短

短管——燃燒產物及時排出，等壓下燃燒；長管——燃燒產物對未燃氣體絕熱壓縮，產生激波；火焰到達之前未燃氣體已到著火溫度；可燃混合物“一層”“一層”地燃燒。著火的原因：沖擊波的絕熱壓縮；火焰傳播速度：1000~3500m/s;極具破壞力目前十三頁\總數七十五頁\編于五點二、法向火焰傳播理論問題的描述：一端封閉(點燃)、一端開口的管子；假設管子不散熱焰面不皺曲；熱量傳遞僅依靠分子熱傳導進行；燃燒過程在等壓下進行。焰面移動、氣流靜止焰面的移動速度焰面靜止、氣流反向移動氣流的移動速度目前十四頁\總數七十五頁\編于五點需回答的問題法向火焰傳播速度Sn=?焰面厚度δ=？燃燒反應時間=？目前十五頁\總數七十五頁\編于五點可燃混合物的歷程冷態時——濃度為C0，溫度為T0；接近焰面時——被預熱(溫度逐漸升高)，但未發生化學反應，C0近似不變。T0Ti

——開始著火，經感應期后到達Ti

’，進行劇烈燃燒，溫度很快升高到Tth；濃度從溫度Ti時開始下降，燃燼時C=0。目前十六頁\總數七十五頁\編于五點可燃組分的濃度變化曲線沿火焰厚度方向的溫度變化曲線燃燒產物的濃度分布曲線化學反應速度曲線目前十七頁\總數七十五頁\編于五點火焰的結構焰面以左：預熱區+感應區厚度ph反應速度很慢焰面以右：反應區厚度ch化學厚度ch<物理厚度ph目前十八頁\總數七十五頁\編于五點在火焰鋒面中取一薄層，討論在單位時間內/單位面積內的平衡情況。連續性方程：動量方程：能量方程：混合物自身的焓變化導熱導致的凈能量變化化學反應產生的熱量在未燃處的邊界條件：在燃盡處的邊界條件：目前十九頁\總數七十五頁\編于五點將火焰分為預熱區和反應區，其交界處的溫度為Ti在預熱區中忽略化學反應在反應區中忽略自身的能量變化從T0~Ti積分從Ti~Tm積分交界面上的熱流量連續目前二十頁\總數七十五頁\編于五點Ti是未知量；可利用已知條件簡化：化學反應集中在反應區，預熱區中反應速率很小。反應區內的溫度變化很小，目前二十一頁\總數七十五頁\編于五點為進一步簡化；定義T0~Tm之間的平均反應速率目前二十二頁\總數七十五頁\編于五點分析1、導溫系數a=/Cp;化學反應時間與平均反應速率成反比，即可有層流火焰傳播速度與導溫系數的平方根成正比；與化學反應時間的平方根成反比。層流火焰傳播速度是可燃混合物的物理化學常數目前二十三頁\總數七十五頁\編于五點2、壓力的影響平均的燃燒反應速率對理想氣體，成立綜觀反應級數一般n=1.5~2，所以Sn隨著壓力增大而減小！目前二十四頁\總數七十五頁\編于五點3、火焰的厚度由和火焰厚度與導溫系數成正比，與火焰速度成反比。導溫系數與溫度、壓力的關系是因此壓力越低，火焰厚度越大。目前二十五頁\總數七十五頁\編于五點第二節法向火焰傳播速度的測定

一般可使用實驗方法測出各種單一氣體在一定條件下的火焰傳播速度；再計算得到混合氣體的火焰速度。技術上的困難定義：焰面為平面；焰面與火焰傳播方向或氣流方向垂直。難以實現目前二十六頁\總數七十五頁\編于五點目前采用的實驗方法焰面不能嚴格垂直于氣流，但焰面必須是平面；焰面不是平面，而有很小的曲率，但氣流方向必須與焰面垂直。目前二十七頁\總數七十五頁\編于五點靜力法（動態火焰法）焰面在靜止的可燃混合物中運動；

火焰核法；皂泡法；管子法；動力法(靜態火焰法)

焰面靜止；可燃混合物以層流狀態與火焰傳播方向做相反運動。球形火焰法；錐形火焰法；平面火焰法倒置火焰法；新月形火焰法；目前二十八頁\總數七十五頁\編于五點管子法原理管子內充滿可燃混合物；點燃后形成火焰、在管子內移動；用照相機或攝象機記錄火焰在不同時刻的位置。

注意Vb=100Vt保持燃燒過程中壓力不變目前二十九頁\總數七十五頁\編于五點實際情況管子散熱，導致氣流紊動，焰面成為曲面，所測的火焰速度為可見火焰傳播速度。當管子直徑增大到一定程度，火焰傳播速度將接近于Sn……但是，直徑越大，氣流紊動越強烈，焰面彎曲越大，二者相差越大……目前三十頁\總數七十五頁\編于五點隨著管子直徑減小，散熱的影響增大，可見火焰傳播速度減小。當小到某一值時，管子的散熱使火焰無法傳播。此時的直徑稱做“臨界直徑”——dc在工程上，dc可用來防止回火

H2:dc=0.9mm;CH4:dc=3.5mm;

焦爐氣：dc=2mm目前三十一頁\總數七十五頁\編于五點管子法總結直觀；受管徑影響比較大、準確性不夠；只能在相同管徑下對各種燃氣的實驗結果進行比較。目前三十二頁\總數七十五頁\編于五點氫氣水煤氣CO乙烯煉焦煤氣乙烷甲烷高壓富氧汽化煤氣目前三十三頁\總數七十五頁\編于五點皂泡法(火焰核法)原理：

皂泡是一個球體，火焰的傳播是對稱的；焰面與火焰傳播的方向垂直；皂泡具有彈性壁面，可自由膨脹，過程是等壓的。計算：按照皂泡的膨脹率(火焰空間所占體積的變化)目前三十四頁\總數七十五頁\編于五點問題與解決皂泡溶液蒸發，導致氣體混合物變濕。對CO，問題尤甚；含凈化劑的甘油無水皂泡皂泡的擴張速度起始時的皂泡半徑結束時的皂泡半徑目前三十五頁\總數七十五頁\編于五點本生火焰法一次空氣→內錐；二次空氣→外錐；目前三十六頁\總數七十五頁\編于五點Benson火焰的特點直徑略大于管口直徑，根部較平

近管口處的未燃氣體向外擴散，火焰根部不與管口銜接——火焰外凸；頂部較平頂點附近散熱損失小，活化中心集中，火焰傳播速度大，向未燃氣體溯進——頂部變圓。只有圓錐中部比較真實地代表了混合氣參數下的層流火焰面。目前三十七頁\總數七十五頁\編于五點Sn計算原理對管口出口斷面和錐形火焰面，列連續性方程：燃燒器出口斷面積燃燒器出口處空氣-燃氣混合物的平均流速火焰內錐表面積出口處的平均流速火焰內錐表面積目前三十八頁\總數七十五頁\編于五點火焰表面的位置/面積測量符合法向火焰傳播速度的定義；光學方法：發光法、陰影法、紋影法、干涉法；發光法：靠近火焰的一面比真正面積大；陰影法：測的是密度梯度最大的位置，處于中間值；紋影法、干涉法：測定的是密度的直接分布情況、靠近混合物一側，較為準確。目前三十九頁\總數七十五頁\編于五點顆粒示蹤法Lewis-VonElbe提出；在可燃混合物中摻入氧化鎂/氯化銨/硅油煙霧等既閃光、又不引起化學反應的微小顆粒——連續頻閃攝象；由頻閃和顆粒移動距離，計算顆粒移動速度；顆粒移動速度=氣流速度；目前四十頁\總數七十五頁\編于五點Benson內錐微粒移動軌跡——流線目前四十一頁\總數七十五頁\編于五點內錐焰面大部分Sn為常數中心處有所下降邊緣處Sn下降目前四十二頁\總數七十五頁\編于五點平面火焰法平面火焰的面積容易測量；Powling燃燒器。多孔板/蜂窩格/整流網平面火焰防止外圍空氣的擴散破壞火焰外緣的平整性適合火焰速度低于15cm/s的氣體目前四十三頁\總數七十五頁\編于五點不同方法測量值的比較錐形火焰法平面火焰法Powling火焰CH4目前四十四頁\總數七十五頁\編于五點第三節影響火焰傳播速度的因素一、燃氣濃度(混合氣比例)的影響Snmax在燃氣比例略高于化學計量比處稍富時：自由基濃度高；斷鏈概率小；稍富時，火焰溫度最高，反應速度最快；目前四十五頁\總數七十五頁\編于五點氫氣（化學計量比29.6%）CO（化學計量比29.6%）乙烯（化學計量比6.54%）丙烯煉焦煤氣存在上限/下限！！！目前四十六頁\總數七十五頁\編于五點二、燃氣性質的影響導溫系數越大，火焰傳播速度越大。1、導溫系數H2:=0.186,Snmax=2.8m/s;CH4:=0.0286,Snmax=0.38m/s目前四十七頁\總數七十五頁\編于五點2、分子結構炔族>烯族>烷族燃料分子量越大，火焰速度越小；烷烴：火焰速度與碳原子數無關；烯烴/炔烴：碳原子數以4為界，下降速度趨緩。碳原子數目前四十八頁\總數七十五頁\編于五點三、溫度的影響1、初始溫度的影響T0，火焰速度升高。Tm增大，火焰速度增大2、火焰溫度的影響目前四十九頁\總數七十五頁\編于五點初始溫度目前五十頁\總數七十五頁\編于五點四、壓力的影響1、一般燃燒反應：n<2;2、質量燃燒速率隨壓力增大而增大；Sn=25cm/s的火焰，n=1.4;Sn=25~50cm/s的火焰，n<2;Sn=50~100cm/s的火焰，n=2;Sn>100cm/s的火焰，n=2;Sn>800cm/s的火焰，n=2.5;目前五十一頁\總數七十五頁\編于五點壓力對火焰傳播速度的影響目前五十二頁\總數七十五頁\編于五點五、惰性氣體的影響CO中加入少量的水，火焰速度快速增大——近1倍！惰性氣體加入、降低了氧含量，降低了火焰速度。填加組分的具體影響，需按照對物性、化學反應途徑等的影響來全面考慮。目前五十三頁\總數七十五頁\編于五點CO的火焰速度與水蒸汽含量的關系無水目前五十四頁\總數七十五頁\編于五點1——1.5%N2+98.5%O2;2——20%N2+80%O2;3——40%N2+60%O2;4——60%N2+40%O2;5——70%N2+30%O2;6——75%N2+25%O2;7——79%N2+21%O2;目前五十五頁\總數七十五頁\編于五點第四節混合氣體火焰傳播速度的計算有必要、有條件時，可進行實驗測試；或按照經驗公式、根據單一氣體的最大火焰傳播速度，進行計算。CO<20%(以燃氣中的可燃組分為100%計)N2+CO2<50%(扣除燃氣中的O2所對應的空氣！！！)計算公式的適用條件準確程度：與實測的偏差小于5%目前五十六頁\總數七十五頁\編于五點燃氣中O2所對應的N2燃氣中的O2所對應的空氣考慮惰性氣體的影響各單一氣體的最大法向火焰傳播速度各單一氣體在最大法向火焰傳播速度時的一次空氣系數目前五十七頁\總數七十五頁\編于五點計算燃氣最大火焰速度的數據目前五十八頁\總數七十五頁\編于五點第五節紊流火焰傳播與層流相比：

層流——火焰鋒面很薄、光滑；紊流——鋒面變厚、焰面抖動/粗糙。燃燒速度增大十幾倍或更高。目前五十九頁\總數七十五頁\編于五點一、紊流火焰結構燃燒反應在發光的燃燒區內完成；少量未燃盡氣體在高溫燃燼區內繼續燃燒；紊流火焰特點：焰面皺曲、輪廓模糊；焰面厚度較大、火焰高度較短；火焰穩定性變差，易脫火；燃燒時噪聲較大。目前六十頁\總數七十五頁\編于五點二、紊流火焰傳播的一般結論1、紊流火焰的傳播取決于紊流流動特性：St與Re有關Re<2300,St/Sn=1Re=2300~6000,St/SnRe1/2Re>6000,St/SnRe目前六十一頁\總數七十五頁\編于五點2、紊流火焰速度與混合物濃度的關系與層流時基本相同在氣流速度較小時，相對層流而言，受濃度影響較小層流紊流目前六十二頁\總數七十五頁\編于五點表征紊流特性的參數氣流脈動速度的時均方根值紊動微團從形成到分裂過程所經過的平均自由行程表示紊流程度的強弱表示紊動范圍的大小，尺度的大小層流火焰的厚度目前六十三頁\總數七十五頁\編于五點紊流火焰的種類劃分小尺度紊流火焰大尺度紊流火焰大尺度弱紊動大尺度強紊動焰面厚度稍大于層流焰面皺曲不存在連續焰面目前六十四頁\總數七十五頁\編于五點紊流火焰結構圖示小尺度紊動大尺度弱紊動大尺度強紊動容積燃燒模型燃燒產物新鮮混合氣部分燃盡氣體目前六十五頁\總數七十五頁\編于五點三、紊流火焰的表面理論主要論點：層流火焰鋒面的基本結構未發生變化，燃燒集中于鋒面中；紊流火焰比層流火焰傳播速度大的原因：傳遞過程的加快、焰面的增大；小尺度紊流對層流火焰aA=a+DTSnSt紊流擴散系數目前六十六頁\總數七十五頁\編于五點所以由于當有小尺度紊流一般只發生在燃燒器管壁附近；只有在小口徑管子的中心，才有可能出現小尺度紊流。目前六十七頁\總數七十五頁\編于