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1、第三章气体燃料的燃烧第三章气体燃料的燃烧第1页，本讲稿共59页1 第一节第一节 预混可燃气体的着火和自燃理论预混可燃气体的着火和自燃理论（高等燃烧学高等燃烧学中称中称“热力爆燃理论热力爆燃理论”）热着火热着火 着火的反应机理着火的反应机理 化学链着火化学链着火 自燃自燃 自发的着火自发的着火 着火方式着火方式 点燃点燃 强迫着火强迫着火 第2页，本讲稿共59页2 一、自燃热力理论一、自燃热力理论 1 1、绝热条件下的自燃过程绝热条件下的自燃过程 质量作用定律质量作用定律：阿累尼乌斯定律阿累尼乌斯定律：产热率产热率：kJ/(sm3)热值；热值；化学反应速度。化学反应速度。第3页，本讲稿共59页3
2、 若若 n=a+b+化学反应级数化学反应级数 平衡式平衡式 将将 代入：代入：积分积分 1 1、绝热条件下的自燃过程、绝热条件下的自燃过程第4页，本讲稿共59页4 根据初始条件：根据初始条件：时时,反应结束：反应结束：（绝热火焰温度）（绝热火焰温度）两式除两式除 微分微分 1 1、绝热条件下的自燃过程、绝热条件下的自燃过程第5页，本讲稿共59页5 1 1、绝热条件下的自燃过程、绝热条件下的自燃过程图图3-1 3-1 反应物浓度与温度的关系反应物浓度与温度的关系第6页，本讲稿共59页6 1、绝热条件下的自燃过程图图3-2 3-2 温度、浓度、反应速率随时间的变化温度、浓度、反应速率随时间的变化
3、第7页，本讲稿共59页7 1、绝热条件下的自燃过程图图3-3 3-3 绝热容器内反应过程中绝热容器内反应过程中C C与与T T随时间的变化随时间的变化第8页，本讲稿共59页81 1、绝热条件下的自燃过程、绝热条件下的自燃过程图图3-4 3-4 绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化 第9页，本讲稿共59页9即各组分扩散速度的总和不为0。即各组分扩散速度的总和不为0。l非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热和放热综合作用的结果。l散热 l能量平衡l即 2、非绝热条件下的自燃过程第10页，本讲稿共59页10图图3-5 3-5 非绝热条件下的热量平衡非绝热条件
4、下的热量平衡 a点稳定点；b点平衡点，不稳定点；c点不稳定点，着火临界点TcTc着火温度着火温度第11页，本讲稿共59页11自燃的临界条件：2、非绝热条件下的自燃过程 第12页，本讲稿共59页12lT T0c0c自燃温度，一般自燃温度，一般 T T0c0cTTC Cl 维持着火的燃料浓度限维持着火的燃料浓度限l 一定一定p p，TT或一定或一定T T，pp着火范围变窄着火范围变窄l 一定一定p p，TT或一定或一定T T，pp任意浓度下任意浓度下 不会着火不会着火l 容器散热程度容器散热程度着火范围变窄着火范围变窄 3自燃界限第13页，本讲稿共59页133 3自燃界限自燃界限图3-11 一定压
5、力下着火温度与成分的关系第14页，本讲稿共59页143 3自燃界限自燃界限图3-12 一定温度下自燃的临界压力与成分的关系第15页，本讲稿共59页154 4着火延滞（感应）期着火延滞（感应）期l可燃混合物从初始温度可燃混合物从初始温度T T0 0上升到上升到 着火温度着火温度TcTc所经历的时间。所经历的时间。第16页，本讲稿共59页16二、链锁自燃理论二、链锁自燃理论 链锁反应基本步骤：链的激发链的传递链的中断 （反应中存在链载体）第17页，本讲稿共59页17第二节第二节 预混可燃气体的点燃理论预混可燃气体的点燃理论 点燃点燃 用具有较高能量的外部热源去接触可燃用具有较高能量的外部热源去接触
6、可燃 混合物，靠近外部热源的部分先行着火，混合物，靠近外部热源的部分先行着火，然后火焰传播到整个混合物中去。然后火焰传播到整个混合物中去。第18页，本讲稿共59页18一、点燃特点一、点燃特点热物体表面附近，取热物体表面附近，取 厚度：厚度：图图3-16 3-16 稳定的缓慢氧化状态下，热物体附面层中的稳定的缓慢氧化状态下，热物体附面层中的温度场和浓度场温度场和浓度场第19页，本讲稿共59页19 能量方程能量方程 （1 1）导热导热=反应放热量反应放热量 热平衡热平衡 扩散方程扩散方程 （2 2）反应物消耗量反应物消耗量=扩散量扩散量 物质平衡物质平衡 扩散方程乘扩散方程乘Q Q，代入能量方程，
7、代入能量方程：。一、点燃特点一、点燃特点第20页，本讲稿共59页20l一般情况下一般情况下 Le1 l积分，代入边界条件积分，代入边界条件 （环境）（环境）l将将 代入代入 （3 3）一、点燃特点一、点燃特点第21页，本讲稿共59页21 可燃气体的点燃是有一定条件的。维持热物体表面附近一薄层气体稳定 氧化的极限状态，即为点燃的临界状态。图3-17 温度不同的热物体点燃时的温度分布 二、点燃热力理论二、点燃热力理论（4 4）（1 1）（）（3 3）（）（4 4）联）联立，可求解。但分析解很难，只能求近似解。第22页，本讲稿共59页22 双区理论：双区理论：l反应区反应区 反应进行比较迅速，反应的
8、热量也主要由这一区域放出。反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。l导热区导热区 不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。二、点燃热力理论二、点燃热力理论第23页，本讲稿共59页23 1 1、热球点火、热球点火 炽热的石英球或铂金球炽热的石英球或铂金球 若球温若球温 ，可能着火。，可能着火。2 2、平面火焰点火、平面火焰点火 火焰为无限大平板火焰为无限大平板 3 3、电火花点火、电火花点火 点火能点火能 熄火距离熄火距离 最小点火能最小点火能 在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。三
9、、点燃方法 第24页，本讲稿共59页24 可燃混合物着火可燃混合物着火 温度、时间。温度、时间。临界点燃时间临界点燃时间 在一定的能源性质、形状及大小等条 件下，使一定的可燃混合物发生着火 所必须的能源与混合物的接触时间。要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量：或短时间提供要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量：或短时间提供 大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。可燃极限可燃极限 在一定的压力和温度下，点火能量加大到一定程 度以后，混合物的点燃浓度界限就不再扩大了，这就称为饱和点火能下的可燃浓度界限，或简称 可燃极限。四、可燃界限 第25页，本
10、讲稿共59页25 图3-25 可燃界限示意图可可燃燃界界限限示示意意图图图图3-25 四、可燃界限第26页，本讲稿共59页261 1、压力压力 p p 可燃极限可燃极限2 2、流速、流速 w w 着火范围变窄着火范围变窄3 3、可燃混合物初温、可燃混合物初温 T T0 0 着火范围变小着火范围变小4 4、掺入其它物质、掺入其它物质 惰性气体惰性气体使着火范围变窄（上限下降）使着火范围变窄（上限下降）另一种可燃物质另一种可燃物质 可燃极限介于两者之间。可燃极限介于两者之间。五、影响可燃极限的因素 第27页，本讲稿共59页27掺入惰性气体可消除火灾掺入惰性气体可消除火灾l热容（比热）和导热性能对着
11、火和火焰传播的影响热容（比热）和导热性能对着火和火焰传播的影响 高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播；高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播；高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。l良好的灭火剂都具有较高的良好的灭火剂都具有较高的 值（火焰传播困难）。值（火焰传播困难）。第28页，本讲稿共59页28 层流火焰传播层流火焰传播 火焰传播火焰传播 湍流火焰传播湍流火焰传播 爆爆 震震 第三节第三节 层流层流火焰传播火焰传播火焰锋面向未燃气流方向的推进火焰锋面向未燃气流方向的推进。第29页，本讲稿共59页29一、层流火焰传播的概念一、层流火焰传播的概念1 1、
12、层流火焰传播速度、层流火焰传播速度 方向一致时取负号。l 火焰面移动的绝对速度l 未燃混合气体的绝对速度l 火焰不动；回火；吹熄。第30页，本讲稿共59页302 2、层流火焰传播速度的测定方法、层流火焰传播速度的测定方法 肥皂泡法、圆管法、本生灯法。肥皂泡法、圆管法、本生灯法。3 3、本生灯法、本生灯法 （法向分速度）（法向分速度）测得测得 和和 ，可求，可求 。一、层流火焰传播的概念第31页，本讲稿共59页31一、层流火焰传播的概念实实际际的的本本生生灯灯火火焰焰图图3-344 4实际本生灯火焰实际本生灯火焰*顶部呈圆头形：顶部呈圆头形：原因是热量与活性粒子扩散强烈；*管口边缘形成凸出部分：
13、管口边缘形成凸出部分：原因是热量损失与活性粒子碰壁销毁。第32页，本讲稿共59页32本本生生灯灯火火焰焰的的u0、w分分布布图图3-351.u1.u0 0分布分布2.W2.W分布分布3.3.理想火焰理想火焰4.4.实际火焰实际火焰第33页，本讲稿共59页33二、层流火焰传播理论二、层流火焰传播理论 层流火焰传播理论层流火焰传播理论 -控制火焰传播的主要机理控制火焰传播的主要机理 热理论热理论-从反应区到未燃区的热传导从反应区到未燃区的热传导 扩散理论扩散理论-链载体的逆向扩散链载体的逆向扩散 综合理论综合理论-热传导与活性粒子的扩散有同等影响热传导与活性粒子的扩散有同等影响第34页，本讲稿共5
14、9页34 热理论：热理论：1 1火焰锋面内几个参量的变化火焰锋面内几个参量的变化 火焰锋面火焰锋面 已燃气体和未燃气体的分界面。已燃气体和未燃气体的分界面。最大温差最大温差/最大温度梯度最大温度梯度 火焰锋面压力差火焰锋面压力差 （动量守恒：（动量守恒：）二、层流火焰传播理论二、层流火焰传播理论第35页，本讲稿共59页35浓度与温度关系浓度与温度关系由能量方程与扩散方程求得由能量方程与扩散方程求得 （假定（假定Le=1）2 2、泽尔多维奇双区理论、泽尔多维奇双区理论 能量方程能量方程 预热区预热区忽略化学反应项忽略化学反应项 反应区反应区忽略对流项忽略对流项二、层流火焰传播理论二、层流火焰传播
15、理论第36页，本讲稿共59页36火火焰焰传传播播的的热热理理论论图图3-37二、层流火焰传播理论二、层流火焰传播理论第37页，本讲稿共59页373 3、火焰锋面厚度和预热及反应时间、火焰锋面厚度和预热及反应时间 预热区厚度预热区厚度 反应区厚度。反应区厚度。预热时间预热时间 反应时间反应时间 火焰锋面内平均反应速率，火焰锋面内平均反应速率，见（见（3-83）式）式。二、层流火焰传播理论第38页，本讲稿共59页381 1、温度、温度 混合物初温混合物初温 m=1.52 火焰温度火焰温度 比比 影响大影响大2 2、压力、压力 n 总反应级数，当总反应级数，当 n2,则则 （大多数碳氢燃料的燃烧（大
16、多数碳氢燃料的燃烧n2）工程中，工程中，燃烧强度燃烧强度（增压燃烧）（增压燃烧）原因：原因：火焰质量传播速度火焰质量传播速度 （燃料消耗量）随压力增大。（燃料消耗量）随压力增大。三、影响层流火焰传播的因素第39页，本讲稿共59页393 3、燃料、燃料/氧化剂混合比氧化剂混合比 混合比混合比=化学计量比时，化学计量比时，最大。最大。4 4、燃料结构、燃料结构 饱和烃类（烷），饱和烃类（烷），与与 （碳原子数目）无关（碳原子数目）无关 不饱和烃类，不饱和烃类，5 5、添加剂、添加剂 惰性添加剂，使惰性添加剂，使 反应添加剂反应添加剂三、影响层流火焰传播的因素第40页，本讲稿共59页40四、层流火焰
17、传播界限四、层流火焰传播界限 当当 降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火淬熄。淬熄。发生淬熄时的临界条件发生淬熄时的临界条件火焰传播界限。火焰传播界限。第41页，本讲稿共59页41第四节第四节 湍流火焰传播湍流火焰传播一、流体的湍动参数一、流体的湍动参数 1 1、湍动能、湍动能 湍流脉动速度的均方值湍流脉动速度的均方值 湍动能湍动能 湍动相对强度湍动相对强度 平均速度平均速度 湍动能耗散率湍动能耗散率 湍动能的减弱速率湍动能的减弱速率 2 2、湍动尺度、湍动尺度 欧拉尺度欧拉尺度考察各瞬间流体微团的脉动情况考察各瞬间流体微团的脉动情况 拉格朗日尺
18、度拉格朗日尺度考察空间某一质点的运动情况考察空间某一质点的运动情况第42页，本讲稿共59页42 小尺度湍流火焰小尺度湍流火焰微团的平均尺寸微团的平均尺寸层流下火焰锋面厚度层流下火焰锋面厚度类型类型 大尺度弱湍流火焰大尺度弱湍流火焰 大尺度强湍流火焰大尺度强湍流火焰 湍流火焰的传播速度比层流时大得多。湍流火焰的传播速度比层流时大得多。原因：原因：（1）湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加；湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加；（2）湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度；湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度；（3）湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合。湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合。
19、二、湍流火焰传播的特点第43页，本讲稿共59页43三、湍流火焰的表面理论三、湍流火焰的表面理论 从火焰锋面入手展开讨论。四、湍流火焰的容积理论四、湍流火焰的容积理论 容积理论认为：不存在火焰锋面，反应也不仅仅发生在锋面厚度之内。第44页，本讲稿共59页44 一、本生灯火焰的稳定一、本生灯火焰的稳定 稳定条件稳定条件 ：火焰传播速度；预混可燃气流速度。不稳定的因素不稳定的因素（使使 ）：）：1、管壁的散热作用；2、射流边界层外缘混入外界气体。第五节 火焰的稳定第45页，本讲稿共59页45图3-603-60 本生灯管壁面附近及火焰锥根部的气流速度 u uS S分布和u0的分布以及稳定着火区域 2
20、2截面以下，从出口开始，壁面散热作用影响愈来愈小；截面以下，从出口开始，壁面散热作用影响愈来愈小；2 2截面以上，射流外缘混入外界气体的影响愈来愈截面以上，射流外缘混入外界气体的影响愈来愈大。大。第46页，本讲稿共59页46图3-623-62 在本生灯管口加障碍物使预混可燃气体火焰稳定的方法喷口外加障碍物，可使火焰稳定。喷口外加障碍物，可使火焰稳定。第47页，本讲稿共59页47 1 1、热平衡原理、热平衡原理 2 2、着火和灭火的临界工况、着火和灭火的临界工况 3 3、火焰稳定传热原理、火焰稳定传热原理二、火焰稳定的均匀搅混热平衡原理 和传热原理第48页，本讲稿共59页481 1、用小型点火火
21、焰稳定主火焰；、用小型点火火焰稳定主火焰；2 2、用钝体稳定火焰、用钝体稳定火焰 形成回流区形成回流区三、湍流火焰的稳定方法第49页，本讲稿共59页49图3-69 3-69 常见的钝体及其回流区和温度场第50页，本讲稿共59页503 3、用小股反向射流提高火焰稳定性、用小股反向射流提高火焰稳定性 形成回流区，且阻力损失小。形成回流区，且阻力损失小。图3-74 3-74 小股反向高速射流形成的回流区 和火焰形状示意图三、湍流火焰的稳定方法第51页，本讲稿共59页51 大速差大速差同向小股高速射流，形成回流区。同向小股高速射流，形成回流区。三、湍流火焰的稳定方法图3-75 3-75 大速差同向小股
22、高速射流形成的回流区示意图第52页，本讲稿共59页524 4、用旋转射流稳定火焰、用旋转射流稳定火焰5 5、扩散火焰的稳定、扩散火焰的稳定 扩散火焰扩散火焰燃料气一边和周围的空气混合一边进行燃烧。燃料气一边和周围的空气混合一边进行燃烧。扩散火焰比预混火焰容易保持稳定，扩散火焰比预混火焰容易保持稳定，原因：原因：（1）射流边界层中总有某些局部区域的组分（燃料和氧化剂的混合）射流边界层中总有某些局部区域的组分（燃料和氧化剂的混合）接近于化学计量比；接近于化学计量比；（2）扩散火焰不会发生回火。）扩散火焰不会发生回火。三、湍流火焰的稳定方法第53页，本讲稿共59页53一、预混火焰和扩散火焰的概念一、
23、预混火焰和扩散火焰的概念l燃料与氧化剂充分混合后的燃烧火焰燃料与氧化剂充分混合后的燃烧火焰预混火焰预混火焰。l若燃烧速率主要取决于混合和扩散，称为扩散燃烧过程，相应的火焰称若燃烧速率主要取决于混合和扩散，称为扩散燃烧过程，相应的火焰称扩散火焰扩散火焰；l若燃烧速率主要取决于化学反应速率，相应的火焰称预混火焰，或若燃烧速率主要取决于化学反应速率，相应的火焰称预混火焰，或简称简称动力火焰动力火焰。第六节 气体燃料火焰的类型和自由射流 的基本特性第54页，本讲稿共59页54二、等温自由射流二、等温自由射流 轴对称射流与矩形射流轴对称射流与矩形射流卷吸量与速度衰减。卷吸量与速度衰减。三、不等温自由射流
24、三、不等温自由射流 速度场、温度场、浓度场速度场、温度场、浓度场第55页，本讲稿共59页55 第七节 湍流流场数值计算简介和各种 复杂流动的特点第56页，本讲稿共59页56一、湍流流场的数值计算和自由射流中 的湍流特性1 1、二维平面湍流流动的基本方程、二维平面湍流流动的基本方程 等温自由淹没射流等温自由淹没射流 射流边界层射流边界层 未知量未知量 （假定（假定 为常数）为常数）可用五个方程求解。可用五个方程求解。但但 为变量。为变量。2 2、方程湍流模型方程湍流模型 湍流运动粘性系数湍流运动粘性系数 湍动能；湍动能；湍动能耗散率。湍动能耗散率。方程是双方程模型，即方程是双方程模型，即 方程和方程和 方程。方程。第57页，本讲稿共59页57 二、平行射流组二、平行射流组三、相交射流三、相交射流四、旋转射流四、旋转射流五、受限射流五、受限射流第58页，本讲稿共59页58第八节第八节 射流火焰射流火焰（自学）第九节第九节 气体燃料燃烧设备气体燃料燃烧设备（自学）第59页，本讲稿共59页59