第五章 火焰传播和火焰稳定性

火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法【引言】火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法是一项在火焰研究和工程设计中广泛应用的技术。

通过对火焰燃烧过程的理论分析和实验验证，可以提供有关火焰自动轨迹和稳定性的关键信息。

本文将介绍火焰自动轨迹和稳定性曲线理论推演方法的基本原理和应用。

【主体】1. 火焰自动轨迹理论推演方法火焰自动轨迹是指火焰的运动路径，对于工程设计和火焰控制至关重要。

通过理论推演方法，可以预测和分析火焰燃烧过程中的运动路径，为火焰控制提供指导。

以下是火焰自动轨迹理论推演方法的基本原理：（1）流体动力学模拟：利用流体动力学的基本方程，如Navier-Stokes方程和连续方程，对燃料流动进行数值模拟。

通过对燃料流动的理论分析，可以得到火焰燃烧过程中的速度分布和流动行为。

（2）燃气特性分析：通过对燃料燃烧特性的研究，如燃烧速率、温度和浓度分布等，可以进一步分析火焰燃烧过程中的物理和化学过程。

这些特性是推演火焰自动轨迹的重要参数。

（3）数学建模：将流体动力学模拟和燃气特性分析的结果进行数学建模，建立火焰自动轨迹的数学模型。

例如，可以利用偏微分方程描述火焰的运动路径，并通过求解这些方程得到火焰自动轨迹。

2. 火焰稳定性曲线理论推演方法火焰稳定性是指火焰在不受外界干扰的情况下，能否保持稳定燃烧的能力。

火焰稳定性曲线是用于衡量和预测火焰稳定性的重要工具。

以下是火焰稳定性曲线理论推演方法的基本原理：（1）火焰传热机制研究：通过研究火焰传热机制，如火焰辐射传热、对流传热和传导传热等，可以确定火焰在不同条件下的传热效率。

传热效率是火焰稳定性的重要指标之一。

（2）火焰燃烧动力学分析：对火焰燃烧动力学进行分析，如燃料与氧气的反应速率、火焰的扩散速度等。

这些分析可以提供关于火焰稳定性的动力学特性，并进一步推演火焰稳定性曲线。

（3）稳定性指标定义：根据火焰传热机制和燃烧动力学分析的结果，定义火焰的稳定性指标。

例如，可以以火焰传热速度与火焰消耗速度的比值作为火焰稳定性的指标。

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。

燃烧器火焰的稳定性对于预混式燃料气喷嘴，燃料气和空气的混合物从火孔喷出并被点燃后，不一定都能形成稳定的火焰。

当流速很低时，火焰可能逆流传播进火孔，使燃烧在喷嘴内进行。

这种现象称为回火。

当流速很高或 :;很大时，火焰将被吹离喷头，后面随之而流出的燃料气和空气混合物根本不能着火。

这种现象称为脱火或吹熄。

嫩料气和空气混合物自火孔喷出时，其射流截面上的流速分布是中心高，四周低。

而火焰传播速度都是均匀的 (只有在靠近壁面的淬熄距离内火焰传播速度为零 )，有些地方混合物的流速正好等于火焰传播速度，那里就形成一个固定的火焰锋面，即作为整个火焰策源的所谓点火环。

只有在这种情况下火焰才是稳定的。

当天然气和空气混合物以层流状态自火孔喷出时，其火焰特性如图7-5 所示。

从该图可以看出，α1≈1时，火焰稳定区域并不宽，尤其当。

α1>1 时，稳定区域更加狭窄。

当α1 略低于 0.75 时，火焰的稳定区域比较宽阔，运行比较可靠。

当αt=0 时，形成扩散火焰，它不可能回火，也不易脱火，火焰极为稳定。

管式炉上使用的气体燃烧器，燃料气和空气混合物在火孔出口处一般都处于流速很高的湍流状态，其流速远远超过上述层流状态的脱火区边界。

虽然湍流火焰传播速度比层流的高得多，但仍需采取适当措施来防止火焰脱火。

常用的措施有：（1）使燃烧在燃烧道内进行。

至少在火焰根部设置然烧道。

炽热的燃烧道耐火材料将连续地对可燃混合物进行强迫点燃。

(2)采用α1 较低的半预混燃烧器，可以得到较稳定的火焰。

(3)采用多火孔互相交叉喷射，各火孔火焰可互相强迫点燃，保证火焰的稳定性。

(4)缩短燃料气和空气的预混合段长度，有意使其浓度场不均匀，则有些地方燃料气浓度稍高，出现局部区域具有较低α1 的工况，可改善火焰稳定性。

(5)采用凹凸不平的燃烧道壁面或火焰附墙壁面，以便产生涡流和回流，使热烟气回流作为强迫点燃的热源。

(6)在靠近火孔处的燃烧道不采用平缓过渡而采用截面突然扩大的办法，造成死角，以便形成较大的死滞旋涡区，使热烟气回流。

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。