火焰传播和火焰稳定性共77页

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:

长度较长
长度较短
火焰稳定，表面光滑
火焰抖动，呈毛刷状
燃烧时较安静
燃烧时有噪声
流动面积小，粘度系数大 流动面积大，粘度系数小
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯曲，
层 流
湍 流
增大反应面积
火
火
• 湍流加剧了热和活性
焰
焰
中心的输运速率，增
大燃烧速率
• 湍流缩短混合时间， 提高燃烧速率
• 湍流燃烧，燃烧加强， 反应率增大
T0
层流火焰传播速度是与预混气的物理化学性质有关
宏观角度分析：
L u L
在固定火焰、稳定燃烧条件下：
导入热量
QD

Tm
L
T0
/ A
获得热焓量 Q h u L A 0C P (Tm T 0)
Q

A
t



Q mC p t
火焰传播速度
a
uL

dT dx C
2 Tm
WQdT
Ti
dT dx
p

uL

0 C p Ti
T0
则求得传播速度为：
uL
Tm
2 WQdT Ti

2 0
C
2 P
Ti T0
2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti
u L d 3 pr 2 k d
优点 • 可测定不同压力下、温度 下的以及高压情况下的火焰 传播速度 • 只适用火焰传播速度快的混合气
移动火焰测量法
平面火焰法

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

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。
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
• 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

谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
火焰传播和火焰稳定性
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。

火
焰 稳
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
定
第 第一节 层流火焰传播
六 章 三、层流火焰传播速度
对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为：
火 焰
连续方程：
u0 u 00 u l m
传 播 与 火
动量方程： 能量方程：
P≈常数
0ulCpd dT xddx(d dT x)WQ
第 第一节 层流火焰传播
六 章 四、影响层流火焰传播速度的因素
火
压力的影响：
焰 传
1.7
a a0
p0 p
T T0
播 与
a/ul
火 焰
0(p0/p)b （b=1.0～0.75）
稳
压力下降，火焰厚度增加。当压力降到很低
定
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 第一节 层流火焰传播
六 章 四、影响层流火焰传播速度的因素
温度的影响：
火
焰
ul T0C （C=1.5～2）
传 播
温度增加，火焰传播速度增加。
与 火 焰 稳
aa0
p0 p
TT0
1.7
T1.7
a/ul
定
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 第一节 层流火焰传播
dTபைடு நூலகம்
x ,TT0,
0 dx
x 0, T Tf
x
, T
Tm,
dT dx
0
稳 定
ddT x0ulCp(Tf T0) ＝
dT dx

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

（2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使 反应速率增加，即燃烧速率增加； （3）湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合，缩 短了混合时间，提高了燃烧速度。
第 六 章 火 焰 传 播 与 火 焰 稳 定
第二节 湍流火焰传播
一、湍流火焰的特点
湍流火焰理论正是基于以上概念发展起来的。 湍流火焰传播理论主要有两种： （1）皱折表面理论（邓克尔和谢尔金） （2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）
第一节 层流火焰传播
四、影响层流火焰传播速度的因素
火焰前锋的厚度：
dT Tm T0 dx
dT ul 0 C p (Tm T0 ) dx
1 a / ul 0 C p ul
火焰厚度与导温系数成正比，与层流火焰 传播速度成反比。

第 六 章 火 焰 传 播 与 火 焰 稳 定
d q 常数 / u l p
淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比
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：
温度对淬熄距离的影响
压力对淬熄距离的影响
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
小尺度强湍流： 湍流锋面不发生皱折，但由于湍流增加了传 质而使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快。
可推得湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比 等于两者传输率之比的平方根， 1/ 2 1/ 2 T / 0C p a ut / ul T a / C ut / ul (at l 0 p l 湍流导温系数: at T 0 C p

选定燃料的火焰速度计算公式
往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验 公式：
参考温度下：uL,ref BM B2 ( M )2
T 350 K 时：uL uL,ref T / Tref P / Pref (1 2.1Ydil )
式中： 参考状态指： Tref 298 K、Pref 1atm
dT 2 Tm WQdT
dx C Ti

dT dx
p

uL

0Cp Ti
T0
则求得传播速度为： uL
2 Tm WQdT Ti
02CP2 Ti T0 2
层流火焰传播速度uL表达式（3）
因为预热区反应速度很小
Ti WdT 0
例题：针对下述几种工况，对汽油－空气混合物在 0.8
下的层流火焰速度进行比较： （1）参考状态：Tref 298 K、Pref 1atm （2）典型的电火化点火的条件，即：T 685K, P 18.38atm （3）条件与（2）相当，但有15％的废气回流量。
影响火焰传播速度的因素
T0
Tm WdT Tm WdT
Ti
T0
因为反应区温度变化不大: Ti T0 Tm T0
Tm WQdT Q Tm WdT QW
Ti Ti T0
T0 Tm T0
火焰传播速度为：
uL
2QW
02CP2 Tm T0
dT dx

d
dx
dT dx
WQ

d 2T dx2
WQ

0
边界条件：

– 火u量P焰可(相前燃对沿气静移体止动 混容速合器度物) 速u，H度可(相方燃对法气火和体焰不流) 足动，之速火处度焰w前n沿，传本播生速灯度测
3. 火焰正常传播理论
– 5种，特点比较
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
第二节：火焰正常传播的理论
• （1）研究火焰正常传播的理论的目的，就是 为了找到(层流)火焰前沿移动速度uH。
• （2）与其影响参数如温度等的关系
层流火焰传播速度的确定
火焰正常传播理论
• 用于简化近似分析的热理论
– 火焰前沿移动速度受其他因素影响的定性结论
• 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
•
uH
im n
0
dn
d
火焰前沿移动速度uH (相对火焰) 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
举例：本生灯火焰传播速度
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。
数学模型
d dx
(
dT dx
)
cP xux
dT Qw dx 0u0cp x
0
着火前混合 物温度变化

火焰结构及其特征

u0=uLT 0 m,Cf,0 Cf,0
火焰前锋驻定
up,Tm p
p
Ti
c
Tm
Cf0→0 T0
w -x i +x
火 焰 结 构 及 参 数 分 布 示 意 图
火焰结构及其特征
火焰前沿分两个区：物理预热区和化学反 应区 前沿厚度很小，但温度梯度和浓度梯度很 大，存在强烈的热传导和物质扩散 火焰前沿在预混气中移动，是由于反应区 放出热量不断向新鲜混合气传递及新鲜混 合气不断向反应区中扩散。
•泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解

在预热区：反应速度W近似为零
dT d dT 0u L C p dx dx dx dT 边界条件：x , T T0 , dx 0 x p , T Ti
积分后：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
t Q A
获得热焓量 Qh uL A0CP (Tm T 0) 火焰传播速度
uL a W
Q mCp t
a
0C P

选定燃料的火焰速度计算公式
往复式内燃机和燃气轮机在典型温度和压力下的经验 公式：
参考温度下：uL,ref BM B2 ( M )

燃烧前沿的导热微分方程
能量微分方程为：
dT d dT 0u L C p WQ dx dx dx
对于绝热条件，火焰面的边界条件为
dT x , T T0 , 0 dx dT x , T Tm , 0 dx
层流火焰传播速度uL表达式（1）
则求得传播速度为：