第五章火焰传播和火焰稳定性

山东大学“工程燃烧学I”课程教学大纲课程号：0183100310课程名称：工程燃烧学I英文名称：Engineering CombustionⅠ总学分：2 总学时：34 授课学时：30 实验学时：4 上机学时：0适用对象：热能与动力工程专业先修课程：大学物理高等数学热工学流体力学使用教材及参考书：1、汪军，工程燃烧学，中国电力出版社，2008.72、霍然等，工程燃烧概论，中国科学技术大学出版社，2001.93、岑可法等，高等燃烧学，浙江大学出版社，2002.124、严传俊，范玮等，燃烧学（第2版），西北工业大学出版社，2008.7。

5、刘联胜，燃烧理论与技术，化学工业出版社，2008.66、黄勇，燃烧与燃烧室，北京航空航天大学出版社，2009.97、（美）特纳斯著，姚强，李水清，王宇译，燃烧学导论：概念与应用（第2版），清华大学出版社，2009.48、C. K. Law, Combustion Physics, Cambridge University Press, 2006.9、Poinsot, T. and Veynante, D., Theoretical and Numerical Combustion, 2005.10、Irvin Glassman, Richard A. Yetter, Combustion, 4th Edition- Elsevier,200811、徐通模，燃烧学，机械工业出版社，2010.7* 在教材及主要参考资料中第1项为教材，其它为主要参考资料。

一、课程教学目的工程燃烧学是热能与动力工程专业的一门重要的技术基础课，也是该专业的必修主干课。

本课程的授课对象是热能与动力工程专业本科生，属热动类专业基础必修课。

课程主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生对燃烧现象和基本理论的认识。

通过本课程的学习掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程的基本知识与基本理论。

第五章预混合气体火焰5.1 概述讨论预混合气体火焰问题就是要研究着火前燃料与氧化剂已经均匀混合成可燃混合气中的火焰传播机理。

在预混合火焰的传播过程中化学反应速度、传热、流动、扩散等都起着各自的重要的作用。

例如，汽油机中的燃烧是预混合火焰，火焰能在极短时间内传遍整个燃烧室，很重要的因素就是发动机在高速运动时气缸内有足够的气流及湍流强度，使燃烧能力大大增强。

在低温时化学反应速度慢，与扩散及传热相比，它在燃烧过程中所需的时间长。

因此，化学反应动力学(即反应速度)对火焰的传播起控制作用（即对燃烧过程起主要作用)。

在高温时则化学反应速度极快，而扩散与传热却相对是速度慢的环节。

因而，扩散与传热对火焰的传播起着控制作用。

预混合气体的火焰锋面将燃料混合气体与燃烧产物分开。

火焰锋面及其前后成分、温度、密度、速度、压力等的分布情况如图5-5(b)所示。

由于燃烧过程是复杂的化学反应过程，通常它是由许多个中间反应过程所组成。

因而，在火焰锋面处有许多复杂的、不稳定的、极为活泼的中间产物。

所有上述变量随火焰锋面厚度方向的变化情况称之为火焰的结构。

5.2 燃烧分类 (爆燃与缓燃)在燃烧现象中，火焰的传播速度与气流的流动状态及速度有关。

当火焰的传播速度大到有激波出现并同时伴随着燃烧时，在火焰锋面两侧有很大的压力突变，称之为爆燃(爆震波、爆轰，取决于所在学科，见下表)，此时火焰锋面随同爆震波一起前进，燃烧速度(即火焰传播速度)极快。

当载气流的流速较低时燃烧速度较慢。

火焰锋面前后的压差较小，称之为缓燃，一般的工业及生活中的燃烧均属此类。

表5-4所示为一些预混合气的爆震速度。

下面讨论上述两种燃烧现象与载气流速度及燃烧前后压力变化的关系。

图5-2所示为一水平安置的内部充满可燃混合物的等截面圆管，火焰面从管的左端向管内传播。

图5-2 在可燃混和气的水平管内的反应锋面的传播设燃烧波以稳定的速度沿管向右传播。

如取运动着的波面为坐标，取该处为x=0，则可将该波面看作静止的，可燃混合气以恒速（即燃烧速度）流向反应波处，并认为波前方的反应物及波后面的产物各自为均匀的、无粘性并不导热的，下标s 及f 分别代表反应物及产物，由一维的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程对介质从s 状态到f 状态的流动有:s s f f u u ρρ= （连续方程） (5.1)22s s s f f fu p u p ρρ+=+ （Bernolli 动量方程） (5.2) 2222f s s f u u h h +=+ （能量方程）(5.3)在这里，焓的定义中还包括化学生成焓在内。

第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。

重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。

2.预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。

2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。

3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。

4.着火感应期，着火过程的时间特征。

5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。

7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。

8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。

10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。

11.影响湍流火焰传播速度的因素。

12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。

13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。

14.工程上稳定火焰的措施。

作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。

现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。

2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。

3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。

第五章燃烧室第5章燃烧室燃烧室功用高压空气燃油燃烧化学能热能高温高压燃气5.1 对燃烧室的基本要求–点火可靠、–燃烧稳定、–燃烧完全、–总压损失小、–尺寸小、–出口温度分布满足要求、–排气污染小。

5.1 对燃烧室的基本要求▪燃油与空气的比例油气比余气系数当量比▪燃油的流量空气流量fam fm q q f ,,5.1 对燃烧室的基本要求余气系数空气流量燃油流量理论空气量0,,L q q f m a m =α进入燃烧室的空气流量; 进入燃烧室的燃油流量理论空气量理论空气量是一公斤燃油完全燃烧所需要的最少空气量。

对于航空煤油,理论空气量为: 14.7公斤空气／公斤燃油5.1 对燃烧室的基本要求物理意义贫油和富油5.1 对燃烧室的基本要求▪▪▪5.1 对燃烧室的基本要求▪▪燃烧效率气体实际吸收的热量理论上释放出的热量▪燃烧完全系数理论上释放出的热量5.1 对燃烧室的基本要求▪3▪▪▪▪5.1 对燃烧室的基本要求▪–容热强度▪▪▪bbufmvb VpHqQ*2,3600η=5.1 对燃烧室的基本要求同一个环在径向上5.1 对燃烧室的基本要求 污染–污染物的含量随发动机的工作状态而变化5.1 对燃烧室的基本要求5.2 燃烧室的分类管式环式管环5.2 燃烧室的分类-管式燃烧室一、管式燃烧室–单独的火焰筒和外套–旋流器, 喷油嘴–联焰管5.2 燃烧室的分类-管式燃烧室▪扩压通道▪火焰筒▪连焰管:传焰,均压▪喷油嘴:雾化▪旋流器:回流区▪点火装置5.2 燃烧室的分类-管环式燃烧室二、管环式燃烧室–火焰筒：燃油与空气进行混合燃烧，第二股进气和燃气掺混降低温度。

–结构比较紧凑, 致使发动机的直径较小, 外壳体可以传递扭矩, 从而改善发动机整体刚性,有利于减轻发动机的结构重量。

5.2 燃烧室的分类-管环形燃烧室–火焰筒–连焰管–喷油嘴–旋流器–点火装置：5.2 燃烧室的分类-环形燃烧室三、环形燃烧室优点5.2 燃烧室的分类-环形燃烧室▪由四个同心圆筒组成▪最内、最外的两个圆筒为燃烧室的内、外壳体▪中间两个圆筒为火焰筒▪在火焰筒的头部装有一圈旋流器和喷油嘴▪环型燃烧室多用于轴流式压气机的发动机▪由于其结构最紧凑, 性能比较好, 近来很多发动机都采用环式燃烧室5.3 燃烧室的稳定燃烧－稳定燃烧的条件▪▪降低空气的流速▪提高火焰的传播速度,5.3 燃烧室的稳定燃烧－降低空气的流速二、降低空气的流速–１．扩散器–２．旋流器5.3 燃烧室的分类-管环形燃烧室 旋流器5.3 燃烧室的稳定燃烧－降低空气的流速3分股进气 第一股25余气系数稍小于1进行燃烧第二股75补充燃烧降低燃气的温度控制温度分布冷却保护5.3 燃烧室的稳定燃烧－影响火焰传播速度的因素▪余气系数α稍小于１时,火焰传播速度最大。

《燃烧工程》思考题第一章煤的基本性质第一节煤的成分与表示方法1.煤中的主要成分是什么？其中的有机可燃质主要包括什么？2.收到基、空气干燥基、干燥基和干燥无灰基成分的表示方法？3.不同基煤的成分换算关系如何？第二节煤的分析1.煤的元素分析和工业分析分别分析什么？2.为什么要对煤进行工业分析？3.如何进行挥发分测定？煤中的挥发分是定值还是变值？4.煤灰在变形温度、软化温度和流动温度下有什么特征？5.何为煤的高位发热量和低位发热量？工业应用中一般利用哪一种发热量？6.不同基之间的发热量如何进行转换第三节煤的分类1.根据煤的碳化程度可将其分为几类？他们分别是什么？2.烟煤、无烟煤的最大特点是什么？3.V AWST代表什么？其高、中、低值如何区分？4.工业锅炉行业煤主要以什么指标进行分类？第四节煤的理论燃烧温度1.何为煤的理论燃烧温度？2.煤的理论燃烧温度主要有那些量决定？3.煤的低位发热量、过量空气系数、空气中的氧浓度、以及煤和空气的温度对煤的理论燃烧温度有什么影响？第二章煤燃烧化学反应动力学基础第一节化学反应的分类1.什么是简单反应、复杂反应、可逆反应、平行反应、串联反应、链锁反应？第二节化学反应速率及其方程式1.什么是质量作用定律？它的使用范围？第三节反应级数1.什么是反应级数？什么是零级反应、一级反应、二级反应、三级反应？2.一级反应、二级反应的速率方程？一级、二级反应的特点？3.反应级数与反应分子数有什么不同？第四节阿累尼乌斯定律及活化能1.常见的反应速率与温度关系的五种类型？2.什么是阿类尼乌斯定律？它的使用范围？3.什么是活化分子？活化能？活化能的大小说明了什么？第五节反应速率的理论1.什么是碰撞频率、有效碰撞频率、有效碰撞份额？2.什么是活化络合物？第六节影响化学反应速率的因素1.活化能的大小对化学反应速率有何影响？2.温度对化学反应速率有何影响？3.反应物浓度对化学反应速率有何影响？4.压力对化学反应速率有何影响？第七节链锁反应1.简述链锁反应过程的三个阶段。