第五章着火和火焰的稳定性

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 T 0 , 0 dx dT x , T T m , 0 dx
层流火焰传播速度uL表达式（1）
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。
大尺度弱湍流：
K 1(l L , u ' u L ) : 皱褶表面理论起主要作用
大尺度强湍流：
K 1(l L , u uL )：容积燃烧理论起主要作用
'
大尺度较强湍流：
K （ 1 l L , u u L）两个理论都可以用
'
下节内容
1、火焰稳定的条件 2、火焰稳定机理 3、回火、脱火临界条件 4、稳定火焰的方法、途径 5、高速气流火焰稳定机理 6、高速气流火焰稳定方法
280 240 200 160
H2/空气
uL
120 80 40 0 0 20 40 60
CO/O2
80
100
Xf
压力的影响
u L 0 W 1/ 2
W pn

uL 0 p
n 2
0.3
n2
(n-2)/2 0
n2
uL 0 p
n 2
p 0

uL p
n2 2
压力对火焰传播速度的影响取决 于反应的压力指数（n-2)/2
活性添加剂
250
H2 CO 100 0
60
uL
uL
% CH4 100 CO
0 0 40
0 100
0 80 0
0
%
40
0 100 Xf
70
加入H2对CO预混气uL的影响
Xf
加入CH4对CO预混气uL的影响
惰性添加剂
0.5 0%N2 0.5 0%CO2
uL (m/s) 58.8%N2 0 0.8
50%N2
层流火焰传播速度的测量方法
测定方法分类 测定方法： 肥皂泡法 球弹法 平面火焰法 本生灯法
• 移动火焰测定法 • 驻定火焰测定法
肥皂泡法
实际火焰传播速度公式：
1 dr uL a d
其中 缺点： •并非所有混气适用 •受水分影响 •实现困难 移动火焰测量法
0 D a f d
湍流火焰传播速度
湍流火焰传播速度： 层流：u L a 湍流： uT aT
uT aT uL a
混合气的物理化学性质
流动状态（Re） ( a /( c ))
(aT T /( c))
预混气火焰传播速度的实验结果
1）邓克尔实验
·Re<2300,
uT 1 uL
实验图形
，层流状态
•发光的火焰层，化 学反应区
火 焰 前 沿
已 燃 气
•已燃的区域和未燃 的区域之间形成的分 界线 •特征尺寸极薄，可看 成几何面
火焰的传播速度
火焰的传播速度： 火焰前锋沿其 法线方向相对于新 鲜混合气移动的速 度。
未燃气 n
已燃气
dn
平面火焰的传播方式
正常火焰传播速度（缓焰波） 火焰前锋 预混气 燃烧产物
流速度 测量的结果准确 适用于火焰传播速度 较低的预混气体。
整流网
惰性气体 预混气
本生灯法
• 驻定火焰测定法
平均的层流火焰传播速度：
H

L R
u L u sin
或者
uL V
u
R H 2 R 2
湍流火焰传播
特点：
• 湍流使火焰面变弯 曲，增大反应面积 • 湍流加剧了热和活性 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
3
球弹法
火焰传播速度
uL dr R r dp 2 d 3 pr k d
3 3
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
网格 驻定火焰测量法 使用专门的火焰烧嘴 火焰传播速度等于气 平面火焰


cm/s
添加剂的影响
活性添加剂（H2）
—火焰传播界限和火焰传播速度随活性添 加剂浓度改变而发生明显变化。 惰性添加剂（CO2、N2、He） —火焰传播速度减小，火焰传播界限缩 小，火焰传播极限向燃料浓度减小方向偏 移。 催化剂（铂、钯、铯） — 加入混合气中对火焰传播速度有明显 的影响。
1
• 2300<Re<6000, •
uT Re 2 ，小尺度湍流火焰 uL
uT 6000<Re<18000, A Re 0 B ，大尺度湍流火焰 uL
5
小尺度
4
大尺度
uT/uL
3
2 1
0
4
8
12
16
Re 20X100
Re对火焰传播速度的影响
返回
预混气火焰传播速度的实验结果
2）博林杰—威廉姆斯经验公式 uT .24 0 . 18 d 0 .26 Re 0 0 uL 3) 达郎托夫经验公式
层流火焰传播速度uL表达式（2）
• 在反应区：反应区温度升高所消耗的能量 近似为零 边界条件：
d 2T 2 WQ 0 dx
dT x , T T m , dx
0; x
p
,T Ti
积分后： dT
WQdT Ti dx C
2
Tm
层流火焰传播速度uL表达式（2）
•泽尔多维奇和弗朗克-卡门涅茨基的分区近似解 反应速度W近似为零 在预热区：
dT d dT 0u L C p dx dx dx dT 边界条件：x , T T 0 , dx x p ,T Ti
0
积分后：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
-0.3 20 100
uL
100
压力指数对uL的影响
初始温度的影响
初始 温度 提高 •预热到着火的时间缩短 •燃烧反应带温度提高 •反应速度加快 •气体导热系数增加 • 气体密度减小。 火焰 传播 速度 增大
• 实验结果
uL T
n 0
n=1.5~2
3 2 2 u u 0 . 45 10 T T • 经验公式 L1 L 0 1 0
皱折表面理论
层流及湍流火焰前锋示意图：
1）小尺度湍流火焰传播速度模型 (l L ) 1 uT lu Re 2 uL
容积扩散理论
强湍流脉 动作用 微团 多个新 的微团 边混合 边反应 达到着火 整体燃烧 条件 与其他微 没达到着 团结合 火条件
湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关，也与可燃物特 性及着火燃烧条件有关。
不正常火焰传播（爆震波） 多个火焰中心 爆震波火焰前锋 电 点 火
层流火焰传播理论
层流火焰传播理论分为： 热力理论:火焰传播过程主要是由于反应区
向预热区的热量交换的传热过程。
扩散理论:火焰传播过程取决于活性中心浓
度的扩散过程。 实际中两种机制同时起作用。
火焰结构及其特征

u0=uL 0 Tm,Cf,0 Cf,0
每班两个问题！
火焰的稳定性
火焰稳定概念： 没吹熄（脱火），没回火； 火焰区位置和体积稳定。 主要内容： 火焰稳定的条件 影响火焰稳定的因素 稳定火焰的方法
一维平面火焰稳定的条件
点火
w0=uL,火焰驻定 火焰稳定条件
w0 0 uL
w0<uL,产生回火 w0>uL,产生吹熄（脱火）
w0 uL
w0
uL
uL (m/s) 32.1%CO2 0
25%CO2
1.4
0.8
1.4
当量比 加入N2对甲烷uL的影响
当量比 加入CO2对甲烷uL的影响
催化剂的影响
CO/空气反应中加入水蒸汽： 干CO/空气：
u L 20 ~ 40 m/s
潮湿CO/空气：u L 106m/s
活性中心 ( H, OH )浓度 ，W ，u L
拐点处：
dT dT dx P dx C
2 Tm dT WQdT Ti dx C
则求得传播速度为：
uL dT 0C p Ti T0 dx p
uL
C Ti T0
湍流火焰传播速度影响因素： 混合气性质、浓度、初温、初压，流动状态
湍流火焰传播理论
皱折表面理论
湍流脉动——火焰面皱褶变形——燃烧反应表面积 增大——燃烧速度增大——湍流火焰传播速度增大 实质：火焰面褶皱到那里，就燃烧到那里。
容积扩散理论。
湍流混合强度决定了火焰传播速度。 实质：湍流火焰传播速度既与湍流脉动特性有关， 也与可燃物特性及着火燃烧条件有关。
uT u L 5.3(u ' ) 0.6~ 0.7 (u L ) 0.4~ 0.3
u ' u L时，uT 5.3(u ' ) 0.6~ 0.7 (u L ) 0.4~ 0.3