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浙大高等燃烧学火焰传播与稳定_程乐鸣_2013_9

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4燃烧学_火焰传播与稳定G_程乐鸣_2015_9

4燃烧学_火焰传播与稳定G_程乐鸣_2015_9


u u Sl
动量方程
p Const
能量方程 扩散方程
d dx
(
dT dx
) cPu
dT dx
Qw
0
d (D dfs ) u dfs w 0
dx dx
dx
层流火焰传播方程
d dx
(
dT dx
) cPSl
dT dx
Qw
0
用于简化近似分析的热理论
• 原理：认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放 热及其向新鲜混气的热传导。
火焰正常传播理论
方法
预热区
燃烧/反应区
影响规律
简化近似析热理 论
捷尔道维奇分区 近似解法
火焰传播精确解 法
Tanford等的扩散 理论
层流火焰数值求 解
0u0c p
T T0 (TB T0 )e
uH u0
a t
书78页4点
层流火焰传播的基本方程
• 对象: 一维有化学反应定常层流流动
• 方程: 连续方程
例，而与其定压比热Cp的平方根 成反比例，因此正常速度与气体
a uH u0 ~ t
混合物的物理常数有关
u0
( Tr TB )w c p C 0 TB T0
• (2)正常速度随着差值（TB-T0）的 减小而增加，因此如果将气体预
先加热后再送入燃烧室，则其正
T0: 可燃混合气初温
常速度能得以提高。
uH u0 ~
a t
u0
( Tr TB )w c p C 0 TB T0
T0: 可燃混合气初温 TB: 着火温度 Tr: 产物温度
小 结(续)
• (5) 考虑到导温系数中的密度与压力成一次方关 系, 且火焰传播速度与压力有以下关系:
火焰传播与稳定理论打印版讲解

火焰传播与稳定理论打印版讲解


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 流动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 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动 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。
• 若流速过高，则会造成吹灭。

0
• 介质的连续性方程
0u0 xux
• 未反应区方程
d dx
(
dT dx
)

cP 0u0
dT dx
dT x : dx 0,T T0 x 0 :T TB
• 进行一次积分可得
( dT
dx
)

cP 0u0 (T
T0 )
• 再次进行积分求解可得
0u0cp x
影响火焰正常传播速度的主要因素 -燃料化学结构的影响
对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大 火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子 数n无关；
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 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 散性和燃料分子量有关。
cos
dr
uH
(dr)2 (dz)2 w
dz w2 uH 2
dr
uH
w 2

uH

1 dz w dr uHΒιβλιοθήκη • 火焰形状z
1 uH
w0

wR R r
w0 3

R


r3 R2

•火炬着火区长度计算公式
火焰传播与稳定理论打印版讲解

火焰传播与稳定理论打印版讲解

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。
火焰的形状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
• 扩散形式的火焰可以在气体燃料和部分空 气均匀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 靠扩散来供给燃烧而形成的火焰。

反应区：d

dx
(
dT dx
)

wq

0

( dT dx
)
b
2 Tr wqdT
Tb
uH
2 Tr wqdT Tb
02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
uH
2 Tr wqdT T0
02c2p (Tr T0 )2
• 2种燃料性质相差不大的混气互相混合时。。。 • 若添加剂能改变扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。
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。 可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值
称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。 接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.03~0.08m/s。
w

k0cne
E RT
uH
2n! Bn1
ws 0 q 0cp (Tr T0 )
(T0 Tr
)n
exp[
E R
(1 Tr
1 )] T0
wS 0

w0
Tr T0
浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9

浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9


率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速
率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。
R fu ~ / k
湍流燃烧速率
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度的公式
t C k 1/ 2 C C D k 2 /
假定 k 1/ 2 正比于混合长度与均流速度梯度绝对值的乘
对于层流火焰，在一定条件下，火焰传播速度与试验装 置无关。
在研究湍流燃烧时，针对湍流火焰，同样期望确定其传 播速度时，不要与装置本身有关，以带有共性，仅与料量比： λ、μ、D等量数有关。 事实证明这是不可能的。
在某些化学当量比下，湍流中有效热扩散系数要比层流 中分子的热扩散系数大 100倍，因此，湍流火焰的理论概念 不象层流火焰那样容易定义。
分析湍流火焰时，不仅要考虑湍流的 输运特性，还必须考虑湍流的脉动特性。 建立湍流燃烧模型中，要把混合过程 的控制作用和湍流脉动的影响有机地统一 起来。 基于此，Spalding提出了k-ε-g模型
几率分布函数
几率分布函数，即：一个用于描述湍流燃烧系 统中的因变量。 对于某个量我们关心的是它取某个值的几率。 无量纲混合分数的几率分布函数定义如下： P(f)df=f(t)处于(f,f+df)范围内的那段时间间隔t的 时间分数，即几率。 式中，P(f)称为瞬态混合分数f的几率分布密度 PDF。
F Sl w0 FL
F ST w0 FT
湍流火焰锥外 表面面积
研究湍流火焰过程中发展起来的方法
一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的 表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。 另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为 目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率 分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。
火焰传播与稳定理论打印版概要课件

火焰传播与稳定理论打印版概要课件

灭火技术研发
基于火焰传播与稳定理论，可以研究新型的灭火技术和方法，例如定向爆破、抑制火焰传播等，提高灭火效果和 安全性。
05
火焰传播的未来研究方向
高温燃烧的火焰传播研究
总结词
研究高温燃烧条件下火焰传播的特性、机制和规律，为高效、环保的燃烧技术提供理论支持。
详细描述
随着能源需求的增加和环保要求的提高，高温燃烧技术成为研究的热点。高温燃烧的火焰传播具有不 同于常温燃烧的特性，如更快的传播速度和更复杂的化学反应过程。因此，研究高温燃烧的火焰传播 对于提高燃烧效率、降低污染物排放具有重要意义。
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THANKS
火焰传播的稳定性分析
1 火焰传播的稳定性定义
火焰传播的稳定性是指火焰在受到扰动 后能否保持稳定传播的能力。如果火焰 在受到扰动后能够恢复稳定传播，则称 其为稳定的；反之，则为不稳定的。
2
线性稳定性分析
线性稳定性分析是一种常用的方法，通 过求解偏微分方程的线性化版本，可以 得到火焰传播的稳定性条件。这种方法 可以确定火焰是否对某些类型的扰动具 有稳定性。
3
非线性稳定性分析
对于更复杂的扰动，需要采用非线性稳 定性分析方法。这种方法考虑了非线性 效应，可以更准确地预测火焰的稳定性 行为。
火焰传播的数值模拟方法
数值模拟的重要性
由于火焰传播过程的复杂性，解析方法很难得到精确解。因此，数值模拟成为研究火焰传 播过程的重要手段。
数值方法的选取
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。选择合适的数值方法需要考 虑计算精度、计算效率和数值稳定性等因素。
火焰传播与稳定理论打印 版概要课件
目录
• 火焰传播基础 • 火焰传播理论 • 火焰传播的影响因素 • 火焰传播的应用 • 火焰传播的未来研究方向
火焰传播与火焰稳定

火焰传播与火焰稳定

压力的影响：
p0 T a a0 p T0
1 .7
a / ul
0 ( p0 / p)
b
（b=1.0～0.75）
压力下降，火焰厚度增加。当压力降到很低 时，可以使δ 增大到几十毫米。火焰越厚，火焰 向管壁散热量越大，从而使得燃烧温度降低
第 六 章 火 焰 传 播 与 火 焰 稳 定
第一节 层流火焰传播
四、影响层流火焰传播速度的因素
温度的影响：
ul T
C 0
（C=1.5～2）
温度增加，火焰传播速度增加。
p0 T a a0 p T0
1 .7
T 1 .7
a / ul
因为温度对导温系数a和对速度的影响差不多， 因此温度对火焰厚度的影响不大。
第一节 层流火焰传播
四、影响层流火焰传播速度的因素
混气性质的影响：
导温系数增加，活化能减少或火焰 温度增加时，火焰传播速度增大。
第 六 章 火 焰 传 播 与 火 焰 稳 定
第一节 层流火焰传播
四、影响层流火焰传播速度的因素
淬熄距离： 当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于 火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰 便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离。
W K ( 0 y0 ) n exp( E / RT )及 p / RT
QK ( 0 y 0 ) exp( E / RT ) ul 2 2 0 C p (Tm T0 )
n
1/ 2 ( p 0n 2 ) / 2
第 六 章 火 焰 传 播 与 火 焰 稳 定
二、层流火焰的内部结构及其传播机理
层流火焰传播的机理有三种理论： 热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应 区到未燃区域的热传导 扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩 散是控制层流火焰传播的主要因素 综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火 焰传播可能有同等重要的影响
燃烧理论6火焰传播与稳定解析

燃烧理论6火焰传播与稳定解析


dx
Tf
层流火焰传播速度推导
能量方程 边界条件
预热区：
0ul C p
dT dx
d (dT ) dx dx
x
, T
T0 ,
dT dx
0
反应区：
d 2T dx 2
WQ
0
x 0, T Tf
x
, T
Tm ,
dT dx
0
dT 0ulCp (Tf T0 )
dx
＝
dT 2 TmWQdT
实际上，只有极少数的火焰传播过程是单纯受热力理论控制或 单纯是受扩散理论控制的，碳氢化合物燃烧时热力理论和扩散理论 同时起作用。在一般情况下热力理论比较接近于实际，被认为是目 前比较完善的火焰传播理论。
四、层流火焰的内部结构及其传播机理
设：u0 = ul，则火焰锋 面驻定。 将火焰锋面可分为两部 分：
三、层流火焰速度(Laminar flame speed, SL）
层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火 焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。
层流火焰速度：SL(标量) 火焰传播速度：S (矢量)
流场速度：U(矢量)
相对于未燃预混气体的层 流火焰速度：
Su = Uu− dxf / dt = SL
热力理论：火焰中化学反应主要是由于热量的导入使分子热 活化而引起的，所以火焰前沿的反应区在空间中的移动决定于从 反应区向新鲜预混可燃气体传热的传导率。并不否认火焰中心有 活性中兴存在和扩散，但认为在一般的燃烧过程中活化中心的扩 散对化学反应速度的影响不是主要的。
扩散理论：火焰中化学反应主要是活化中心（如H、OH 等）向新鲜预混可燃气体扩散，促进使其链锁反应发展所致。
浙大高等燃烧学导论和基础 [兼容模式]

浙大高等燃烧学导论和基础 [兼容模式]




煤燃烧火焰
1
燃烧科学的发展简史

对火的认识


燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，这种 现象又称为“火” “摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从 而最终把人和动物分开” 火的使用是人类出现的标志之一 第一次产业革命(18 世纪60 年代)在英国出现， 其标志就是蒸汽机的产生，这是人类在火(燃烧) 现象的长期知识和经验积累的结果

第七讲：液体燃烧的燃烧理论，除了介绍经典的油滴蒸 发燃烧的理论，如Stefan流等的影响等。

第八讲：讨论煤的热解和燃烧的理论，内容包括煤的热 解、煤的加热和着火、煤的着火模式理论、碳球的燃烧、 煤燃烧过程等理论；

燃素逸至空气中时就引起了燃烧现象，逸出的 程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰。 物质易燃和不易燃的区别，就在于其中含有燃 素量的多寡不同

这一学说对于许多燃烧现象无法说明：


燃素的本质是什么? 为什么物质燃烧重量反而增加? 为什么燃烧使空气体积减少?
燃烧学的不断发展

燃烧学的不断发展(续）
火是神的贡献，是普鲁米修斯为了拯 救人类的灭亡，从天上偷来的 在我国，燧人氏钻木取火的故事更为 切合实际和动人 但这些离火的本质相距甚远


燃素论

十七世纪末叶德国化学家贝歇尔(J.J.Becher) 和斯塔尔(G.E.Stahl,1660～1734)提出燃素论解 释燃烧现象 一切物质之所以能够燃烧，都是由于其中含有被 称为燃素的物质 一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸 收燃素与释放燃素的过程
3

激光诱导荧光仪（ PLIF ）
红外热重色谱联用仪
飞行时间质谱仪
[工学]火焰传播与稳定理论6课时

[工学]火焰传播与稳定理论6课时

热容比)/ г-1可以推导出以上方程式，该方程在P－1/图 上是叫Hugoniot曲线，意味着给定初态p0、 0及反应热 之下，终态pr和r的关系。
过程与声速的关系
a 2 RT u0 Ma a
a2 RT
pr pr>>p0,1/ρr略<1/ρ0 A
Ma>1
pr略<p0,1/ρr>>1/ρ0 0<Ma<1
结 论
u0
T Ti ( r )w c p C0 Ti T0
1、火焰前沿移动的正常速度是与其平均导热系数的平方根成 正比例，而与其定压比热Cp的平方根成反比例，因此正常速 度与气体混合物的物理常数有关。 2、正常速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，随着燃烧室中 的燃烧温度Tr的降低而减小。因此如果将气体预先加热然后 再送入燃烧室，则其正常速度能得以提高。 3、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 常传播速率，从第2点及公式可知，当可燃气体混合物的热 效应及化学反应速率降低的情况下，则正常速度数值亦小。 4、可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当 可燃混合物中的空气含量不足（α<1）或过多时（α>1）都 会使燃烧温度Tr降低，因而亦降低正常速度。
本生灯测量火焰移动速度（实验法） —————————————————
本生灯的锥形表面为火 焰前沿，火焰前沿不动， 即火焰传播速度up为零。 说明气流在锥形表面某点 处的法线方向上分速度wn 等于火焰前沿移动速度 uH。
本生灯火焰前沿
dS表示火焰前沿微元面面积，
dσ表示与微元面相应的气流微 元面积
火焰前沿
火焰前沿具有的特征 ———————————————————
浙大高等燃烧学燃料的着火理论_程乐鸣_2013_9

浙大高等燃烧学燃料的着火理论_程乐鸣_2013_9



燃烧过程第一阶段：着火阶段 可燃混合物着火方式
※ 自燃着火（热力着火）
依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐积累热 量和活化分子， 自行加速反应，最后导致燃烧 [化学自燃：不需外界给入热量，在常温下依靠 自身的化学反应发生的着火]
※ 点燃（强迫着火）
用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部地 区受到强烈地加热而首先着火、燃烧，随后这部分 已燃的火焰传播到整个反应体系的空间
符号问题：查阅原文，推进条件，符号意义

第3节自主作业：
1. 查阅文献资料，讨论目前燃烧理论研究主要方向，各方向 的热点及其研究原因，目前世界上主要研究小组情况； 2. 查阅文献资料，讨论目前在着火理论方面的①研究热点， 讨论其作为研究热点的原因，目前世界上主要研究小组情 况、实验方法、实验装置、测试手段，实验主要结果、存 在问题分析和你们的想法；②主要模型其发展，目前世界 上主要研究小组情况，计算方法，采用软件，主要结果， 你们的想法 3. 火焰传播方面 4. 湍流燃烧理论方面 提交报告，我部分第3节课ppt讲述、讨论（分成4大组，每 大组分成2小组，初定**人/组） 参考文献：作者，题目，刊物/论文集，卷号，期号，页码
2 cPVRTC
注意推导过程中 的一些考虑实际 情况的假设应用
i
qk 0 C n E
e E / RTC
与谢苗诺夫所得结果也是一致的
T
n i k n 2 E / RTB B
p
e
常数
热自燃理论的最新发展
谢苗诺夫及费朗克--卡门涅茨基的分析方法都 是基于在无反应物浓度变化，放热条件恒定及 常物性等条件而进行的。 这些假定条件与实际过程有较大距离。 后续的研究者针对这些假定作出了许多更符合 实际的分析和研究。2级及以上阶数反应。
高温空气燃烧技术中燃烧特性的研究进展

高温空气燃烧技术中燃烧特性的研究进展

高温空气燃烧技术中燃烧特性的研究进展
王关晴;程乐鸣;骆仲泱;岑可法
【期刊名称】《动力工程学报》
【年(卷),期】2007(027)001
【摘要】高温空气燃烧(HTAC)技术是集节能与环保的新型燃烧技术,被燃烧界誉为21世纪最有发展前景的燃烧技术之一.讨论了HTAC系统常见的基本类型和燃烧机理,介绍了HTAC的工作原理与主要特点,从火焰特性、温度特性、污染物(NOx)排放特性等3个方面,对HTAC燃烧特性的研究现状和进展进行了系统的阐述,并探讨了需要进一步研究的内容.
【总页数】9页(P81-89)
【作者】王关晴;程乐鸣;骆仲泱;岑可法
【作者单位】浙江大学,热能工程研究所,能源清洁利用国家重点实验室,杭
州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源清洁利用国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源清洁利用国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,热能工程研究所,能源清洁利用国家重点实验室,杭州,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TK22
【相关文献】
1.固体燃料高温空气燃烧技术的研究进展 [J], 李庆慧;王启民;李源;张小辉
2.氧化性气氛中镁颗粒燃烧特性研究进展 [J], 黄序;夏智勋;黄利亚;胡建新
3.高温空气燃烧技术在隧道窑中的应用分析 [J], 孟庆新
4.浸没在多孔介质中的液体燃料燃烧特性的研究进展 [J], 吕爱敏;朱轶飞;孙喜龙
5.高温空气燃烧技术在隧道窑中的应用研究 [J], 张闯
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[工学]火焰传播与稳定理论6课时


火焰前沿
火焰前沿具有的特征 ———————————————————
Ti至Tr之间的区域称为燃烧区, 在燃烧区中可燃物的化学 反应速率是不同的. 由于化学反应速率w不仅与温度有关，并 且还与可燃物的浓度有关。在着火处附近，虽然可燃物的浓度 最大，但是该处的温度较低，所以可燃混合物在着火后的一段 距离内只进行较慢的化学反应；而在燃烧区的末端，其温度虽 然已达到很高的数值，但可燃物几乎完全消耗掉，所以在燃 烧区域的末端必然没有化学反应。化学反应主要集中在中间很 窄的区域c中进行，温度略低于燃烧温度Tr, 称其为化学反应 区。混气经过此区域后95—98％发生了反应。
压力对uH的影响 ———————————
uH p uH p
速度cm.s-1 ＜50 50～100 ＞100
m n 1 2
压力指数m m＜0 m＝0 m＞0
变化关系 uH随压力下降而增大 uH不随压力变化 uH随压力升高而增大
反应级数
n＜2 n＝2 n＞2


一般轻质碳氢燃料在空气中燃烧，其总反应级数 均为n≤2,故火焰传播速度uH随着压力下降而增加。 但此时可燃混合气的着火和燃烧稳定性将恶化。 当压力增大时，虽然uH下降，流过火焰面的质量 流量ρuH增加，单位时间内燃料燃烧量增加。
惰性物质含量的影响 ———————————————————
添加惰性物质，一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速 度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质来影响火 焰传播速度。大量实验证明，惰性物质的加入，将使火焰 传播速度降低，可燃界限缩小，以及使最大的火焰传播速 度值向燃料浓度较少的方向移动。 不同惰性物质的影响主要表现在热导率与比定压热容比值 λ /cp上，加入某种惰性物质使可燃混合气λ/cp增大，则 uH将增大，反之将减小。

第六章火焰传播与火焰稳定


f 2 (r / x)
第二节 射流流动
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧
二、射流的吸卷及吸卷量的计算
射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性， 与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射 流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷 或引射。 任意截面及出口截面上射流的质量流量为：
m
x
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧

预混火焰
一次空气不足时，出现内外两个火焰锥面；
二次空气
内、外锥的高度：
H
in
a 2 A0 q 0
H
一次空气
out

a 3 a 4 A0 q 0 d0
第四节 预混火焰结构
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧

预混火焰的特点
放热强度大，火焰温度高 燃烧室长度短 可实现无焰燃烧 容易回火
第 七 章 气 体 燃 料 燃 烧

引射式大气燃烧器的设计计算
引射器的划分： 根据气体燃料的喷射压力：
＜2×104 Pa
＞2×104 Pa
低压引射器(计算时可不考虑压缩性）
高（中）压引射器
根据吸气管内的压力：
＝ P0 ＜P0 常压吸气引射器（第二类引射器） 负压吸气引射器（第一类引射器）
第五节 引射式大气燃烧器
125mm长径比12锥角90120圆锥形进口面积与出口面积之比一般为46一次空气的进风面积一般为燃烧器火孔总面积的125225倍吸入风速不超过15ms使燃料与空气进行充分的混合并使混合气体在其出口处达到速度温度和浓度的均匀分布
燃 料 与 燃 烧
第七章 气体燃料燃烧
要求：了解不同射流流动的特征，掌 握扩散燃烧与动力燃烧的概念、结构 及特性，了解气体燃料燃烧器的工作 原理与设计方法。
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书78页4点
Tanford等的扩散 理论
层流火焰数值求 解
层流火焰传播的基本方程
• 对象: 一维有化学反应定常层流流动 • 方程: u u S l 连续方程 动量方程 p Const 能量方程 扩散方程
d dT dT ( ) c P u Qw 0 dx dx dx
4. 火焰正常传播速度
– 8因素对火焰传播速度的影响，火焰传播界限，5种火 焰传播速度的测量方法
5. 可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧
– 了解概念
6. 火焰稳定的基本原理和方法
– 火焰稳定基本方法
火焰的定义
• 可以把火焰看作是发生在反应区内快速的但是自 持的化学反应. 只在某一方面描述火焰。
• 把缓燃波定义为靠燃烧维持的亚声速波是唯一严 谨的定义。 • 火焰一般可分为： 扩散火焰—边混合，边燃烧； 预混火焰—预先混合好
• 捷尔道维奇分区近似解法 • 火焰传播精确解法
• Tanford等的扩散理论
• 层流火焰数值求解
火焰正常传播理论
方法 简化近似析热理 论 捷尔道维奇分区 近似解法 火焰传播精确解 法 预热区
T T0 (TB T0 )e
0u0 c p
燃烧/反应区
u H u0 a t
影响规律

Tr
T0
wdT
分区近似解是精确求解 法的一个一次逼近值
Tanford等的扩散理论
• 原理： 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借 助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。 • 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散 速度，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
分析各因素对火焰 传播速度的影响，预测火焰传播速度的变化趋势
火焰传播的精确解法
• 由董道义所建立的精确解法，是对层流火 焰基本方程直接进行精确求解。（直接迭 代法） • 层流火焰传播方程为： dT d dT 0 Sl c p ( ) wq dx dx dx
uH 2 q s 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
火焰传播速度 up uH wn
•
火焰前沿移动速度uH (相对火焰)
n dn u H im 0 d
火焰前沿传播速度uP (相对静止容器)
可燃气体流动速度wn
如果火焰前沿移动方向和可燃混气的移动速度方向一 致，取正号，反之，取负号。（想象其过程） 火焰传播速度：火焰相对于无穷远处的未燃混合气在 其法线方向上的速度
1 t~ w
u H u0 ~
a tLeabharlann 小结• (1)火焰前沿移动的正常速度是与 其平均导热系数的平方根成正比 例，而与其定压比热 Cp 的平方根 成反比例，因此正常速度与气体 混合物的物理常数有关
u H u0 ~
a t
Tr TB u0 ( )w c p C0 TB T0
• (2)正常速度随着差值（TB-T0）的 减小而增加，因此如果将气体预 先加热后再送入燃烧室，则其正 常速度能得以提高。
第3章 火焰传播与稳定的理论
程乐鸣 87952802 lemingc@ 2013年9月29日-10月3日
第2章：燃料的着火理论
• • • • • 燃烧过程的热力爆燃理论 链锁爆燃理论 热力着火的自燃范围和感应周期 强迫着火的基本概念 朗威尔(Longwell)反应器理论
主要内容
第一节：（层流）火焰传播速度
• 燃烧试验：快速 • 火焰传播
– 速度 – 强度 – 延续性 – 控制性 – 传播形状
第一节：（层流）火焰传播速度
• 火焰传播的三种类型
– 正常火焰传播 (<30m/s) – 爆燃波 – 爆燃(>1000m/s)
稳定的火焰正常传播
• 第一种是正常火焰传播(小于30m/s) 由于火焰传 播速度不大，火焰传播完全依靠气体分子热运动 的导热方式将热量从高温的燃烧区（即火焰前沿） 传给与火焰临近的低温未燃气体燃料，使未燃气 体燃料着火燃烧。燃烧的火焰一层层地传播。 • 第二种：爆炸波的传播：入口稳定，超过火焰震荡，熄火 • 第三种：爆燃 其火焰的传播速度超过了声速， 一般可达1000～4000m/s，爆燃主要是由于气体燃 料受冲击波的绝热压缩而引起的。
df s df s d ( D ) u w0 dx dx dx
层流火焰传播方程
d dT dT ( ) cP Sl Qw 0 dx dx dx
用于简化近似分析的热理论
• 原理：认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区放 热及其向新鲜混气的热传导。 假设： • 温度为T0，密度0的未燃可燃气体混合物以速度u0进入燃 烧室，并且其初速度u0使可燃气体混合物维持层流流动工 况； • 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，则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度。
u H u0 ~
a t
Tr TB u0 ( )w c p C0 TB T0
T0: 可燃混合气初温 TB: 着火温度 Tr: 产物温度
小 结(续)
• (5) 考虑到导温系数中的密度与压力成一次方关 系, 且火焰传播速度与压力有以下关系:
n2
u H u0 ~
p
则, 对于二次反应来说,火焰传播速度将与压力 无关. （不是二次反应？） • (6) 上述理论尚不能定量分析,且有较大缺陷。如 未燃混气初温与着火温度间的关系。

i
ki pi Di , 0 Bi
S l 17
Cr k H p H DH , 0 kOH pOH DOH , 0 ( ) Xp BH BOH
上述中17这一常数表明存在着一个与自由基浓度无关，仅与 火焰有关的速度
层流火焰问题的数值求解方法
• 虽然前面已经提供了几种层流火焰的近似和精确 求解方法，然而，真正能够用解析方法研究的火 焰现象仍然是很少的。
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， 在这种情况下，可 近似地把它当作一 个数学表面，这一 表面把未燃的新鲜 燃料和燃烧产物分 开，而所有的火焰 传播现象即为此表 面的传播。
火焰传播数学描述
• (1)预混可燃气体是一维稳定流动，忽略粘 性力和体积力，管壁为绝热； • (2)预混可燃气体和燃烧产物为理想气体， 定压比热为常数，摩尔质量保持不变； • (3) 燃烧波（化学反应波）是驻定的 , 预混 可燃气体不断流向燃烧波，无穷远处预混 气流速度就是燃烧波传播速度。
化学反应速度与组分相关
结 果
2 T 2 sl wqdT 2 T 0 c p (Tb T0 ) 02 c 2 ( T T ) p b 0
r b

Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
Tr
uH
ws 0 q T0 n 2n! E 1 1 ( ) exp[ ( )] n 1 B 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
假
设
• 在扩散理论的发展过程中，还作了进一步的假设： 1）活性物质的活化能近似为零； 2）所有活化自由基的浓度呈指数分布： 3）整个燃烧区域的平均温度且不变； 4）燃烧区域内气体的质扩散系数均为常数； 5）组分方程的源项表达式呈一级反应； 6）直链反应。
层流火焰速度的表达式
S l u0 Cr Xp
捷尔道维奇等的分区近似解法 （泽利多维奇Zel’dovich）
• 同样，将火焰分为两个区域（预热区和反应 区），但与前面的分析改进之处是将组分守恒 方程与能量方程联立，而不是仅考虑能量方程， 其基本假定是： • (1)压力不变 • (2)反应过程中摩尔数不变 • (3)物性参数Cp和λ为常数 • (4)λ/cp=D，即Le=1 • (5)火焰为一维稳定火焰
举例：本生灯火焰传播速度
• 根据本生灯的锥形火焰 来测量火焰传播速度 • 简单、可靠 • 可燃预混气体在本生灯 的管子中保持运动
d ds cos u H w cos V uH F
F 火焰前沿总面积
本生灯的火焰前沿
利用本生灯测量火焰传播速度
F r0 h r
2
2 0
第三节 火焰正常传播
• 主要内容
–影响火焰正常传播速度的主要因素。 –火焰传播界限。 –火焰正常传播速度的测量。
影响火焰正常传播速度的主要因素
• • • • • • • • 过量空气系数 燃料化学结构 添加剂 混合可燃物初始温度T0 火焰温度 压力 惰性物质含量 热扩散系数和比热
基于理论公式分析，关注推导 过程中的假设等条件变化
• 近年来，随着高速计算机的发展，大多数的层流 燃烧现象就可借助于数值方法来研究。一方面可 以解决用解析法暂时不能解决的问题，另一方面 有助于通过与解析及实验结果的对比来检验微分 方程及其数值解的正确性
Herimerl和Coffee计算的燃烧速度与 Streng和Grosse的试验值的比较
臭氧的初始摩尔分数 1.00 0.75 0.50 0.25 0.20 燃烧速度（cm/s） Heimerl Streng 和 Grossea 497 474 396 333 248 193 64 52 33 24 比率 1.05 1.19 1.28 1.23 1.38
具体分析讨论得到规律。印象。
过量空气系数的影响
• 可燃气体混合物火焰传播 速度uH随着过量空气系数 α而改变 • 可燃气体混合物最大的 uHmax并非处于可燃气体混 合物的过量空气系数α等于 1的情况，即混合物按化学 当量的比例来混合的成份 • uHmax发生在含可燃物浓度 比化学当量的比例稍大的 混合物中（即α<1）