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1、火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播与稳定理论火焰传播的基本方式火焰传播的基本方式可燃气体的火焰正常传播可燃气体的火焰正常传播火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论火焰正常传播速度火焰正常传播速度可燃气体层流淌力燃烧和扩散燃烧可燃气体层流淌力燃烧和扩散燃烧火焰稳定的基本原理和方法火焰稳定的基本原理和方法不稳定的火焰传播：振荡传播不稳定的火焰传播：振荡传播稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃正正常常火火焰焰传传播播(小小于于30m/s)30m/s)：燃燃烧烧产产物物以以自自由由膨膨胀胀的的方方式式向向管管外外逸逸出出，管管内内压压力力可可认
2、认为为是是常常数数。由由于于火火焰焰传传播播速速度度不不大大，火火焰焰传传播播完完全全依依靠靠气气体体分分子子热热运运动动的的导导热热方方式式将将热热量量从从高高温温的的燃燃烧烧区区（即即火火焰焰前前沿沿）传传给给与与火火焰焰接接近近的的低低温温未未燃燃气气体体燃燃料料，使使未未燃燃气气体体燃燃料料着着火火燃燃烧烧。燃燃烧烧的的火火焰焰一一层层地传播。层层地传播。爆爆燃燃：其其火火焰焰的的传传播播速速度度超超过过了了声声速速，一一般般可可达达100010004000m/s4000m/s，爆爆燃燃主主要要是是由由于于气气体体燃燃料料受受冲冲击波的绝热压缩而引起的。击波的绝热压缩而引起的。可燃气体
3、的火焰正常传播可燃气体的火焰正常传播由于火焰是一层很狭窄的燃烧区域，燃料的化学反应只在该区域内进行，在这种状况下，可近似地把它当作一个数学表面。这一表面把未燃的簇新燃料和燃烧产物分开，而全部的火焰传播即为此表面的传播。火焰正常传播火焰正常传播火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在其法线方在其法线方向上向上的速度的速度本生灯火焰移动速度本生灯火焰移动速度火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿的表面上，其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。的表面上，其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。本生灯火焰移动速度
4、本生灯火焰移动速度本生灯测量的局限性本生灯测量的局限性火焰前沿各处的速度并不一火焰前沿各处的速度并不一样。样。火焰前沿锥体离喷嘴出口有火焰前沿锥体离喷嘴出口有一段距离，并且宽度略大，一段距离，并且宽度略大，火焰速度与喷嘴直径有关，火焰速度与喷嘴直径有关，直径越小影响越大。直径越小影响越大。可燃气体混合物中的含氧量可燃气体混合物中的含氧量影响火焰锥体的形态。影响火焰锥体的形态。火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论泽利多维奇等的分区近似解法泽利多维奇等的分区近似解法火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的
5、扩散理论）等的扩散理论用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放热及其向簇新混气的热传导。放热及其向簇新混气的热传导。如未燃的可燃气体混合物的初速度如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止不动恰好使火焰前沿静止不动则初速度则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度即为火焰前沿移动的正常速度反应区的温度分布反应区的温度分布一元导热微分方程介质的连续性方程未反应区方程进行一次积分可得再次进行积分求解可得燃烧区特征燃烧区特征将将TB至至Tr之间的区域称为燃烧区。之间的区域称为燃烧区。在整个燃烧区域中，
6、其可燃气体混合物的化学反应速在整个燃烧区域中，其可燃气体混合物的化学反应速率是不同的。化学反应速率不仅与温度有关，还与可率是不同的。化学反应速率不仅与温度有关，还与可燃物的浓度有关。燃物的浓度有关。着火处旁边，可燃物浓度最大，但温度较低。着火处旁边，可燃物浓度最大，但温度较低。燃烧区末端，温度虽然很高，但可燃物浓度最低。燃烧区末端，温度虽然很高，但可燃物浓度最低。反应速率最大的区域为略低于燃烧温度旁边区域反应速率最大的区域为略低于燃烧温度旁边区域-反应区。反应区。近似假设在燃烧区域内的温度按直线规律上升近似假设在燃烧区域内的温度按直线规律上升假定可燃气体混合物完全在反应区进行反应。假定可燃气体
7、混合物完全在反应区进行反应。火焰前沿移动的正常传播速度与气体混合物的物理常火焰前沿移动的正常传播速度与气体混合物的物理常数有关。数有关。火焰正常传播速度随着差值（火焰正常传播速度随着差值（TB-T0）的减小而增加，）的减小而增加，因此假如将气体预先加热后再送入燃烧室，则其火焰因此假如将气体预先加热后再送入燃烧室，则其火焰正常传播速度就能得以提高。正常传播速度就能得以提高。火焰正常传播速度随着燃烧温度火焰正常传播速度随着燃烧温度火焰正常传播速度随着燃烧温度火焰正常传播速度随着燃烧温度T Tr r的减小而减小，就说明燃烧的减小而减小，就说明燃烧的减小而减小，就说明燃烧的减小而减小，就说明燃烧区放出
8、的热量不足以加热未燃的可燃混合物。区放出的热量不足以加热未燃的可燃混合物。区放出的热量不足以加热未燃的可燃混合物。区放出的热量不足以加热未燃的可燃混合物。可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传播速度。播速度。播速度。播速度。可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当可燃混当可
9、燃混当可燃混当可燃混合物中的空气含量偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦合物中的空气含量偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦合物中的空气含量偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦合物中的空气含量偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦降低火焰正常传播速度。降低火焰正常传播速度。降低火焰正常传播速度。降低火焰正常传播速度。火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论泽利多维奇等的分区近似解法泽利多维奇等的分区近似解法火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法坦福特（坦福特（TanfordTanford）等的扩散理论）等的扩散理论泽利多维奇等的分区近似解法泽利多
10、维奇等的分区近似解法火焰分为两个区域：预热区和反应区。火焰分为两个区域：预热区和反应区。对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。对反应区内的导热微分方程的简化方式处理。此式对于此式对于 整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种因素对火焰传播速度的影响，预料出火焰传播速度的变更趋势。因素对火焰传播速度的影响，预料出火焰传播速度的变更趋势。火焰正常传播的理论火焰正常传播的理论用于简化近似分析的热理论用于简化近似分析的热理论泽利多维奇等的分区近似解法泽利多维奇等的分区近似解法火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法坦福特（坦福特（TanfordTanfor
11、d）等的扩散理论）等的扩散理论火焰传播的精确解法火焰传播的精确解法利利用用数数值值计计算算方方法法干干脆脆对对层层流流火火焰焰基基本本方程进行迭代求解。方程进行迭代求解。坦福特等的扩散理论坦福特等的扩散理论认认为为凡凡是是燃燃烧烧均均属属于于链链式式反反应应，在在链链式式反反应应中中借借助助于于活活性性分分子子的的作作用用，使使混混气气变变为为燃烧产物。燃烧产物。对对于于层层流流火火焰焰中中的的某某些些反反应应，活活性性物物质质向向未未燃燃气气体体的的扩扩散散速速度度，能能确确定定火火焰焰速速度度的的大小。大小。各种理论解法的比较各种理论解法的比较影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播
12、速度的主要因素-过量空气系数的影响过量空气系数的影响可燃气体混合物最大的可燃气体混合物最大的火焰正常传播速度发生在火焰正常传播速度发生在可燃物浓度比化学当量比可燃物浓度比化学当量比例稍大的混合物中例稍大的混合物中(即过量即过量空气系数小于空气系数小于1)。最高燃烧温度也是偏向最高燃烧温度也是偏向富燃料区的，火焰中自由富燃料区的，火焰中自由基基H，OH等浓度较大，链等浓度较大，链锁反应的链断裂率较少，锁反应的链断裂率较少，因而反应速度较快。因而反应速度较快。对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大火焰速度火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子数几乎与分子中的
13、碳原子数n无关；无关；对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其层流火焰速度却较大。层流火焰速度却较大。差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩散性和燃料分子量有关。散性和燃料分子量有关。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-燃料化学结构的影响燃料化学结构的影响提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速率，从而增提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速率，从而增大火焰正常传播速度。大火焰正常传播速度。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正
14、常传播速度的主要因素-混合可燃物初始温度混合可燃物初始温度T0的影响的影响火焰温度对火焰传播速度火焰温度对火焰传播速度具有极大影响。具有极大影响。超过超过2500C自由基浓度自由基浓度大量增加起重要影响。大量增加起重要影响。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-火焰温度的影响火焰温度的影响影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-热扩散率和比压定热容的影响热扩散率和比压定热容的影响热扩散率越大，热扩散率越大，则火焰传播速度越则火焰传播速度越快。快。比压定热容越小，比压定热容越小，则火焰温度越高，则火焰温度越高，相应火焰传播速度相应火焰传播速度也越快。
15、也越快。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-惰性物质含量的影响惰性物质含量的影响惰性物质的加入将惰性物质的加入将使火焰传播速度降使火焰传播速度降低，并向燃料浓度低，并向燃料浓度较少的方向移动。较少的方向移动。接受添加剂的主要目的是提高着火温度及缓和过早着火和爆震的趋势，添加剂对火焰速度只有稍微的影响。2种燃料性质相差不大的混气相互混合时。若添加剂能变更扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。影响火焰正常传播速度的主要因素影响火焰正常传播速度的主要因素-添加剂的影响添加剂的影响火焰传播界限火焰传播界限对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。对于每种可燃气体混合
16、物来讲，都有火焰传播的浓度界限。可可燃燃物物在在混混合合物物中中的的浓浓度度低低于于某某值值而而使使正正常常速速度度为为零零的的浓浓度度值值称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。接近限值时，火焰的正常传播速度约为接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.030.08m/s。火焰正常传播速度的测量火焰正常传播速度的测量圆柱管法圆柱管法定容球法定容球法肥皂泡法肥皂泡法粒子示踪法粒子示踪法平面火焰燃烧器法平面火焰燃烧器法可燃气体层流淌力燃烧和扩散燃烧可燃气体层流淌力燃烧和扩散燃烧 火焰的形态及其长短对于确定喷燃器形式火焰的形态及其长短对于
17、确定喷燃器形式而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中的混合方法：的混合方法：动力燃烧火焰：预先混合好的化学匀整可燃气动力燃烧火焰：预先混合好的化学匀整可燃气体混合物的火焰。体混合物的火焰。扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部分扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部分空气预先混合或者不预先混合的状况下，由喷空气预先混合或者不预先混合的状况下，由喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。燃器喷出，燃烧所形成的火焰。不同混合方法所表示的三种火焰形态不同混合方法所表示的三种火焰形态不同混合方法所表示的三种火焰形态不同混合方法所表示的三种火焰形态化学匀整可燃气体混合物的动
18、力燃烧化学匀整可燃气体混合物的动力燃烧动力燃烧的火焰形态动力燃烧的火焰形态可燃气体混合物层流运动时任一截面可燃气体混合物层流运动时任一截面上混合物的速度分布规律上混合物的速度分布规律流出喷燃出口时的速度分布规律流出喷燃出口时的速度分布规律求得火焰形态函数求得火焰形态函数火焰形态火焰形态火炬着火区长度计算公式火炬着火区长度计算公式在喷管中心线上具有最大的正常传播速度在喷管中心线上具有最大的正常传播速度火焰锥体内部可燃气体混合物得到预热火焰锥体内部可燃气体混合物得到预热在喷管中心轴线上所获得的活泼中心较其他部分多在喷管中心轴线上所获得的活泼中心较其他部分多火焰中心线火焰中心线uH=w,火焰锥体的顶
19、部成为圆形火焰锥体的顶部成为圆形靠近管壁旁边气流速度最小，但是散热量大导致传播速度降低靠近管壁旁边气流速度最小，但是散热量大导致传播速度降低可燃气体的扩散燃烧可燃气体的扩散燃烧扩散火焰：将气体燃料和空气分别由喷燃器送入炉膛内进行燃烧。火焰的形态和表面积大小不再取决于火焰传播的速度，而是取决于气体燃料和空气之间的混合速度。在层流下，依靠分子热运动的分子扩散进行混合在湍流下，依靠微团扰动的湍流扩散部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧部分掺空气的可燃气体的扩散燃烧扩散形式的火焰可以在气体燃料和部分空气匀整混合后由喷燃器送入炉膛内，支持能够完全燃烧的部分空气从火焰的外界依靠扩散来供应燃烧而形成的火焰。一般将
20、预先和气体燃料相混合好的那部分空气称为一次风；将由外界扩散入的那部分空气称为二次风经过确定的假设，扩散燃烧的火焰形态如下所示1 1空气过剩时空气过剩时2 2气体可燃物过剩时气体可燃物过剩时气体可燃物层流工况下火焰长度层流工况下火焰长度当气流流淌速度和喷燃器半径增大时，火焰长度增加当扩散系数增加时，则火焰长度减短湍流工况下火焰长度扩散燃烧的火焰核心的长度随气体速度和喷燃器管径增扩散燃烧的火焰核心的长度随气体速度和喷燃器管径增加而增加，但其增加程度比层流工况下小。加而增加，但其增加程度比层流工况下小。不论气体的流淌工况为层流或湍流，在化学非匀整的扩散燃烧过程中，其火焰的性质在很大程度上取决于气体的
21、空气动力学特性和混合过程的物理因素，而火焰核心的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。火焰稳定的基本原理要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前流淌的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这流淌的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就静止在某一位置上。静止在某一位置上。当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流淌当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流淌速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内传播，造成回火。传播，造成回火。若流速过高
22、，则会造成吹灭。若流速过高，则会造成吹灭。火焰稳定的特征火焰稳定的特征-火焰根部形态火焰根部形态假想火焰根部形态为正锥形火焰稳定的特征火焰稳定的特征-火焰形态火焰形态火焰根部呈现点火圆环对气流来说，靠近壁面速度趋于零。散热明显，温度较低，管壁旁边链反应缓慢，从而火焰传播速度也较低。火焰顶部不成尖锥形，一般往往形成一个圆角，这样才火焰顶部不成尖锥形，一般往往形成一个圆角，这样才能实现火焰的稳定能实现火焰的稳定火焰稳定的特征火焰稳定的特征-火焰前沿位置火焰前沿位置动力火焰：动力火焰：稳定在稳定在 的表面的表面扩散火焰：扩散火焰：稳定在过量空气系数为稳定在过量空气系数为1 的表面上的表面上火焰稳定的
23、基本方法火焰稳定的基本方法-小型点火火焰小型点火火焰把炙热气流射入高速的、冷的未燃混合气中。在两股气流的边界把炙热气流射入高速的、冷的未燃混合气中。在两股气流的边界处进行猛烈的热量和质量交换，使冷的未燃混合气温度提高。处进行猛烈的热量和质量交换，使冷的未燃混合气温度提高。火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法-钝体钝体气流绕流过钝体在其后缘形成了一个特殊的气流结气流绕流过钝体在其后缘形成了一个特殊的气流结构构 旋涡对所组成的回流区。旋涡对所组成的回流区。由于回流区中高紊流度和低流速的特征，就可以将由于回流区中高紊流度和低流速的特征，就可以将其视为一个能使燃料与氧化剂其视为一个能使燃料与氧化剂(空
24、气空气)在其中停留过在其中停留过程中进行充分的化学反应，由于回流区与主气流的程中进行充分的化学反应，由于回流区与主气流的热质交换，因而使燃烧过程得以持续和稳定。热质交换，因而使燃烧过程得以持续和稳定。火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法-钝体钝体煤粉颗粒的惯性远远大于空气的惯性，实现浓淡分别。在燃烧器出口处加装钝体，使煤粉气流在其后形成回流区，着火后的部分高温烟气经卷吸回流至钝体前方。在钝体旁边同时形成了一个既有较高温度场，又有高扰动度，还有高煤粉浓度的三高区域。火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法-用反吹射流用反吹射流反吹射流的引入在燃烧器旁边形成空气动力稳燃区反吹射流的引入在燃烧器旁边形成
25、空气动力稳燃区形成高温中心回流区形成高温中心回流区火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法-旋转射流由于旋转离心效应，在漩涡核心处产生明显负压区，形成强由于旋转离心效应，在漩涡核心处产生明显负压区，形成强大的中心回流区。大的中心回流区。由于射流外边界的猛烈卷吸，也会产生外回流区。由于射流外边界的猛烈卷吸，也会产生外回流区。要产生相近宽度的回流区，钝体所需的尺寸比旋流器的尺寸要大得多。旋流燃烧器所产生的回流区的长度也比钝体来得大。随着旋转强度的变更，回流区的尺寸及高温烟气回流量的调整便利。火焰稳定的基本方法火焰稳定的基本方法-旋转射流的优点火焰稳定的其他方法火焰稳定的其他方法 利用燃烧室器凹槽稳定火焰 利用带孔圆筒稳定火焰 利用流线型物体稳定火焰