第六章 火焰传播与火焰稳定 基本概念 层流火焰传播理论 层流预混火焰传播 层流火焰传播速度的影响因素 层流火焰传播速度的测定 基本概念

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1 第六章 火焰传播与火焰稳定 基本概念 层流火焰传播理论 层流预混火焰传播 层流火焰传播速度的影响因素 层流火焰传播速度的测定 基本概念
第六章　火焰传播与火焰稳定 基本概念 层流火焰传播理论 层流预混火焰传播 层流火焰传播速度的影响因素 层流火焰传播速度的测定 基本概念 湍流预混火焰传播 湍流火焰传播理论 湍流火焰传播速度的影响因素 基本概念 扩散燃烧火焰 层流扩散燃烧 湍流扩散燃烧 预混本生灯火焰稳定 预混高速气流火焰稳定 火焰稳定 扩散燃烧火焰稳定

2 概述 根据气流流动情况，预混气中火焰传播分为： 层流火焰传播（层流燃烧） 湍流火焰传播（湍流燃烧） 根据反应机理及火焰传播速度可分为：
缓燃 ( deflagration) 爆震 ( detonation) 在实际燃烧装置中，总是首先由局部地区开始着火，然后火焰传播到周围的其他空间。燃烧能够由局部向周围发展，正是由于可燃混气的火焰具有传播的特性。实际中提出的大量问题均需要了解火焰传播问题。例如，控制和预防充满可燃混合气体的矿井和坑道中的爆炸；为了在密封容器中，例如汽油机的汽缸中，获得高速而又能控制的燃烧速度；在伴随有流动的燃烧工况中，如航空发动机、锅炉燃烧室中火焰稳定问题。本章主要讨论可燃混气的层流火焰传播、湍流火焰传播，另外，在高速气流下维持火焰的稳定，是本章讨论的重点，另外介绍扩散燃烧与火焰的稳定。

3 缓燃（正常传播）：火焰锋面以导热和对流的方式 下传热给可燃混合物引起的火焰传播，也可能有辐 射（如煤粉燃烧时的火焰传播可能以辐射为主，也 有可能为对流和辐射并重）。传播速度较低（1～ 3m/s，远小于声速），传播过程稳定。一般的工程 燃烧均为此类。 爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压 缩（冲击波的绝热压缩）作用使未燃混合气的温度 升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气 推进，传播速度大于1000m/s，大于声速。如爆炸、 压燃式内燃机的火焰传播。 2017/9/10

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5 缓燃波与爆震波的参数差异 参数 爆震 缓燃 波前马赫数u1/c1 5~10 0.0001~0.03 爆震波前后u2/u1
0.4~0.7(减速) 4~16（加速） 爆震波前后压力p2/p1 13~55（压缩） 0.98（略膨胀） 爆震波前后温度T2/T1 8~11（加热） 4~16（加热） 爆震波前后密度2/  1 1.7~2.6 0.06~0.25

6 6.1层流火焰传播 一、火焰传播概念 当一个炽热物体或电火花将可燃混和气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面，火焰面产生的热量将加热邻近层的混和气，使其温度升高至着火燃烧。这样一层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个混和气，该现象成为火焰传播。 火焰波（燃烧波）：在充满均匀的可燃混气的容器中心用电火花点燃时，火焰像波一样从中心向四周传播，称为火焰波或燃烧波。

7 二、火焰传播焰锋结构 静止均匀混合气体中火焰锋面的传播 管道中传播的火焰 2017/9/10

8 火焰锋面/前沿/前锋 均匀混合气局部加热而着火并形成火 焰。依靠导热的作用将能量输送给火焰邻 近的冷混合气层，使这些层的混合气温度 升高而引起化学反应，并形成新的火焰。 一层一层的新鲜混合气依次着火，化 学反应区开始由点燃的地方向未燃混合气 传播，化学反应区使已燃区和末燃区之间 形成了明显的分界线，我们称这层薄薄的 化学反应发光区为火焰前沿（前锋或波 前)。分析中，可以把它看成为几何面。 火焰前锋：未燃气体和已燃气体的分界面即为火焰锋面，亦称火焰前沿（前锋）。 常压条件下火焰前锋的厚度1mm以下，10-2~10-1mm

9 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。

10 SL定义：一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度。 SL= (S− U ) ·n n 为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量
相对于未燃预混气体的层 流火焰速度： Su = Uu− dxf / dt = SL 相对于燃烧产物的层流火 焰速度： Sb = Ub− dxf / dt SL定义：一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度。 SL= (S− U ) ·n n 为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量 SL=Uu− dxf / dt 2017/9/10

11 四、层流火焰的内部结构及其传播机理 层流火焰传播的机理的两种理论：
　　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。 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。

12 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： 预热区P－P 反应区R－R

13 层流火焰传播速度推导（一） 对于一维带化学反应的定常层流流动，其基本方程为： 连续方程： P≈常数 动量方程： 能量方程：
绝热条件下，火焰的边界条件为：

14 层流火焰传播速度推导 分区近似解法： 把火焰分成预热区与反应区，在预热区中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。
　　把火焰分成预热区与反应区，在预热区中忽略化学反应的影响，而在反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项。 预热区： 能量方程 边界条件

15 层流火焰传播速度推导 反应区： 能量方程 边界条件 又：

16 层流火焰传播速度推导 预热区： 反应区： 能量方程 边界条件 ＝

17 层流火焰传播速度推导

18 层流火焰传播速度推导 引入导温系数 化学反应时间
　　层流火焰传播速度与导温系数的平方根成正比，与反应时间的平方根成反比。也就是说，ul 是可燃混气的一个物理化学常数。

19 层流火焰传播速度推导

20 平面火焰的正常传播 层流火焰传播速度推导(二) 如图表示一平面火焰在运动气流中的传播情况，设火焰传播方向正好与气流运动方向相反，即火焰向左传播而气流向右运动，且气流运动方向与火焰面相垂直。 可燃气流在进入火焰锋面以前的升温过程，即预热区，忽略化学反应项，气流自T0升温到 所需的热量等于在B点的导热量： （6-1）

21 燃烧反应速度的变化 式中：u0——气流速度； ρ——气体的密度； cp——平均定压比热。 由于 式（6-1）变为 （6-2） 已假设 ，且 ，则 （6-3）

22 所以 （6-4） 则 在反应区内，忽略对流项，对单位面积火焰锋面的热平衡为： 式中：Qr——可燃混合物的反应热；
vm——反应速度，在整个火焰锋面内认为是常量。 由式（6-4）可得： 则

23 对上式从B点 到Tlr作积分 从式（6-3）可知对于B点， 对于Tlr点， 所以 即有 （6-5）

24 由式（6-5）和式（6-3）消去(dt/dx)B 后得到
（6-6） 得 （6-7） 由燃尽时间的定义（可燃混合物在Tlr温度燃尽所需的时间）可写出 （6-8） （6-9 ） 上式表明层流火焰传播速度只取决于可燃混合物的物理化学性质，是一个物性参数。

25 火焰锋面与可燃混合物升温预热区的总厚度δ的数量级也可以近似求出。假定在δ范围内温度梯度的平均值为 ，则
（6-11） 上述推导结果既适用于层流流动气体也适用于静止气体。一般火焰正常传播速度约为1～100厘米/秒，而火焰锋面厚度小于1毫米。

26 五 、层流火焰传播速度的影响因素 （1）可燃混合物性质的影响
烃类燃料在空气中的层流火焰传播速度 （1）可燃混合物性质的影响 当提高导温系数（或扩散系数D）、理论燃烧温度Tlr（或反应热Qr）以及化学反应速度vm时，都会使层流火焰传播速度增大。 化学反应速度的大小与可燃混合气本身的化学性质有关，不同的燃料和氧化剂就有不同的火焰传播速度。

27 一些燃料/空气预混气体的层流火焰传播速度

28 理论燃烧温度对火焰传播速度的影响 理论燃烧温度的提高对火焰传播速度的影响主要是由于促进了火焰中化学反应的进程所致。
几种可燃混合气的最大火焰传播速度与理论燃烧温度之间的关系曲线。

29 可燃预混气中H原子浓度对层流火焰传播速度的影响

30 最大层流火焰传播速度与燃料分子中碳原子数量的关系
（2）燃料结构的影响 以碳氢化合物作燃料的可燃混合气，它们的火焰传播速度还受到燃料分子结构的影响。 如图表示燃料分子中碳原子数目对火焰传播速度的影响。 最大层流火焰传播速度与燃料分子中碳原子数量的关系 一般说来，它们的顺序为： 同时实验还证明，随着燃料分子量的增加，火焰传播速度（可燃极限）范围有越来越小的趋势。如前表所示。

31 燃料/氧化剂混合比对层流火焰传播速度的影响
（3）可燃混合物组成的影响 如图为燃料/氧化剂混合比对层流火焰传播速度uL影响的实验结果。 当混合比等于或接近化学计量比时，uL达到最大，类似于燃料/氧化剂混合比对绝热燃烧温度的影响。 通常认为，混合气组成之所以会影响uL值主要是因为它对绝热燃烧温度的影响所致，燃烧温度达到最高时其火焰传播速度也最大。

32 压力对层流火焰传播速度的影响 （4）可燃混合物压力的影响 刘易斯用定容弹的方法确定了压力p与uL之间的关系。他首先假定uL ∝pK存在，然后对不同的烃类/O2 /N2 /Ar/He混合气体火焰确定压力指数K 。

33 根据火焰传播的热力理论对于uL< 50cm/s的火焰，其反应级数小于2；而对于50<uL <100cm/s的火焰，其反应级数等于2；以及对于uL>100cm/s的火焰， 其反应级数大于2。由此可以得到uL与压力p之间的简单关系： （6-12） 此外，由分子物理及热学可知，热扩散率α与密度ρ随压力p的变化规律为 及 ，由式（2-36）可知化学反应速度 ，一起代入式（6-7）以后得到 由此可见，实验结果与理论分析是一致的。

34 一般燃烧化学反应的级数n=1～2，因此火焰的正常传播速度与压力有如下的关系
其中指数η约为0～0.5。 当压力增加时，对一般的碳氢燃料-氧化剂火焰，其火焰传播速度是要减少的，如下图（a）所示。 但一般的工程实践说明，当压力增加时，燃烧强度明显增加。由式（6-9）可以得到： 当压力p增加时，质量传播速度也要增加。这一关系表示在下图（b）中。

35 1-丁二烯3.68%与He+O2 2-乙烯7% 3-乙烯9% 4-汽油
压力对层流火焰传播速度的影响 1-丁二烯3.68%与He+O2 2-乙烯7% 3-乙烯9% 4-汽油 5-庚烷 6-三甲基戊烷22.4% 7-丁二烯3.68%与N2+O2

36 （5）可燃混合物初温的影响 对不同燃料及成分的可燃混合气进行实验，测定uL随混合物初温T0的变化，其结果如下图所示。实验结果表明，火焰传播速度uL随初温T0的增大而增大，其关系大致为uL∝T0m的形式，这里m大约在1.5～2之间，如下图所示。 几种混合物初温对其火焰传播速度的影响 混合物初温对火焰传播速度的影响

37 （6）可燃混合物中添加剂的影响 ①惰性添加剂的影响 惰性组分影响火焰传播速度的实验结果 惰性组分对火焰传播速度的影响

38 当可燃混合气中的氧化剂或燃料过量时，其过量部分的作用类似于惰性添加物质。
甲烷/氧气混合气中加入氮对火焰传播速度的影响 当可燃混合气中的氧化剂或燃料过量时，其过量部分的作用类似于惰性添加物质。

39 ②反应添加剂的影响 H2对CO/空气火焰传播速度的影响

40 加入的反应物质不同，其对uL的影响也不同。若在CO-空气的混合气中不是加入H2，而是加入CH4，则其曲线的转移如图所示。
CH4对CO/空气火焰传播速度的影响 上述各种影响火焰传播速度的因素，如果控制得好，将有助于燃烧的稳定和加强。否则将对火焰传播不利。更有甚者，可能会使火焰传播不能维持，发生淬熄。

41 五、层流火焰传播速度的测定 为什么要测量火焰速度？ 火焰速度是燃料燃烧特性 的重要参数 从实际应用的角度上看: 从基础研究的角度上看:
火焰速度是影响燃烧器内燃料 燃烧状况和效率的重要因素 从基础研究的角度上看: 火焰速度是用来验证各种燃料 的化学反应机理的重要参数， 同是也是模拟湍流预混火焰传 播的重要输入参数之一。 2017/9/10

42 SL定义：一维平面预混火焰的火焰面相对于来流未燃预混气体的速度。 SL= (S− U ) ·n n 为火焰面指向预混未燃气体的单位法向量
SL=Uu− dxf / dt 2017/9/10

43 稳态火焰与非稳态火焰 dxf/dt=Uu−SL SL= (S− U ) ·n 本生灯火焰 球形火焰 2017/9/10

44 层流火焰速度的测量方法 稳态火焰法 平面火焰 本森灯火焰 对型流火焰 非稳态火焰法 管内传播火焰 球形传播火焰(定容) 球形传播火焰(定压)
肥皂泡法 2017/9/10

45 平面火焰法 2017/9/10

46 修正热损失的方法: 线性拟合法 火焰通过热传导向平面 火焰器传递热量（热损 失），因此不是理想状 态下的平面火焰。
热损失会导致层流火焰 速度降低。 不同平面火焰器的热损 失不一样，因此测出来 的层流火焰速度也不一 致。 修正热损失的方法: 线性拟合法 2017/9/10

47 本生灯火焰法 2017/9/10

48 2017/9/10

49 管内传播火焰法 2017/9/10

50 6.2湍流预混火焰传播 一、湍流火焰的特点 层流火焰： 火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。 湍流火焰：
火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快。

51 一、湍流火焰的特点 衡量 湍流特性参数： 湍流尺度 l ： 在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，或湍流微团在消失前所经过的平均距离
　　在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，或湍流微团在消失前所经过的平均距离 若 l <  （层流焰面厚度）为小尺度湍流，反之为大尺度湍流 湍流强度  ： 　　流体微团的平均脉动速度与主流速度之比。 若 u’ > ul （层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流

52 一、湍流火焰的特点 三种湍流火焰模型： 小尺度强湍流 大尺度弱湍流 大尺度强湍流

53 a）小尺度湍流火焰 b）大尺度弱湍流火焰 c）大尺度强湍流火焰
湍流火焰示意图 a）小尺度湍流火焰 b）大尺度弱湍流火焰 c）大尺度强湍流火焰

54 Re数对本生灯火焰传播速度的影响

55 湍流脉动对火焰的影响: （1）湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加，但是曲面上的法向燃烧速度仍保持为层流火焰传播速度。 （2）湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度，这时具有特定反应速率的反应区在起作用，因此增大了垂直火焰表面的实际燃烧速度。 （3）湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合，使火焰本质上成为较均匀混合的反应物，而均相反应速率则取决于在混合过程中产生的已燃气与未燃气的比例。

56 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 （2）容积燃烧理论

57 邓克尔和谢尔金首先区别了小尺度和大尺度的高强度与低强度湍流。
皱折表面理论 邓克尔和谢尔金首先区别了小尺度和大尺度的高强度与低强度湍流。 1．小尺度湍流 在2300≤Re≤6000范围内，湍流为小尺度的。根据层流火焰传播理论知 （6-13） 假定动量传递、传热和传质三者近似，则其输送系数数值相等，即ν=α=D，这样有 （6-14）

58 邓克尔根据相似性得到湍流火焰传播速度uT与层流火焰传播速度uL的比值为
（6-15） 其中ε为湍流扩散系数， 。在管内流动时，湍流尺度与管径d成正比，而脉动速度w’与主气流速度u0成正比，所以 （6-16） 故有 （6-17） 在2300≤Re≤6000时，有的研究给出以下关系式： （6-18）

59 继邓克尔之后，谢尔金发展了这个模型，认为在小尺度湍流情况下，火焰传播速度不仅受到分子输运过程的影响，也受到湍流输运过程的影响，即
（6-19） 在小尺度湍流情况下，式（6-19）就变成式（6-15）。 小尺度湍流的燃烧区火焰厚度δT，可参照上述分析及层流火焰面的厚度表达式（6-11）求得 （6-20） 故有 （6-21） 式中δ为层流火焰锋面厚度。

60 因此只要算出凹凸不平的火焰锋面的曲面面积S与平均位置的平面面积S0之比值就可以求出uT。
图6-21 大标尺湍动引起的火焰传播简化模型 2．大尺度湍流 大标尺弱湍动时，湍流迁移的气体微团的脉动速度较小， ，如图6-21所示。 单位时间内烧掉的可燃混合物数量是正常传播速度uL与曲面面积S之乘积uLS。 它又可由湍流火焰传播速度uT与火焰锋面来计算 ,则 （6-22） 因此只要算出凹凸不平的火焰锋面的曲面面积S与平均位置的平面面积S0之比值就可以求出uT。

61 锥面高度： 式中t为锥面顶点以脉动速度冲刺而形成这个锥体的时间。 锥底r为 即 式中d为锥底直径。 则有 （6-23） 又 即

62 把式（6-23）代入得 故 （6-24） 在大尺度弱湍动时， ，则上式展开为二项级数： （6-25） 略去高次项可得 可见在很弱的湍动时，

63 图6-22 大标尺强湍动时的火焰传播简化模 在大尺度强湍动时，即 时， 从式（6-24）可得 这时的火焰传播物理模型（图6-22）可以设想成大团大团的未燃烧的可燃混合物冲破火焰锋面而输运至高温燃烧产物的包围之中，大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输运至未燃烧的可燃混合物中。上述的模型后来又被发展而得到大尺度强湍动下的火焰传播速度 （6-26）

64 卡洛维兹等人在扭曲的层流火焰基础上，考虑湍流引起火焰传播速度的增加，运用湍流迁移距离的概念，给出以下计算式：
对大尺度弱湍动 （6-27） （6-28） 对大尺度强湍动 总之，湍流火焰传播速度不但与可燃混合物的物理化学性质与参数有关，也和湍流的状态有关。 以上各种湍流火焰传播速度模型都认为燃烧化学反应本身的速度非常高，燃烧化学反应只是在薄薄的一层火焰锋面内进行，所以都属于火焰传播的表面理论的范畴。

65 容积燃烧理论 容积燃烧理论认为，在每个湍动的微团的内部，一方面在进行不同成分和温度的物质的迅速混合，同时也在进行快慢程度不同的反应。 图6-23 容积理论的物理模型 容积理论还假定，不仅不同的微团的脉动速度不同，即使同一个微团内部的各个部分，其脉动速度也是不同的，如图6-23所示。

66 苏联学者谢钦科夫在不同的湍动强度和uL下，针对微团内几种可能的湍动速度分布，作了湍流火焰传播的数值计算，得出了一定压力和温度下的定性关系：
（6-29） 萨默菲尔德认为在高强度湍流情况下，湍流火焰是一个弥散的反应区。这个反应区的火焰传播机理被看成与层流火焰类似，根据相似性，可以推导出湍流火焰传播速度为： （6-30） 其中ε为湍流扩散系数。τT为湍流情况下反应区的反应时间。由式（6-10）和式（6-30）可以得到： （6-31）

67 由于 及 ，代入上式，得到： （6-32） 其中δ、δT分别为层流火焰前沿厚度及湍流反应区厚度。 上式还可以写成： （6-33） 式（6-33）称为相似性假定方程。表示湍流和层流两种火焰相似所需要的条件。 对层流火焰，由实验测定给出： （6-34） 根据式（6-33），则湍流火焰为： （6-35） 可以根据测定的反应区厚度及湍流扩散系数ε求出湍流火焰传播速度uT。

68 三、湍流火焰传播速度的影响因素 （1）w’和uL对uT的影响 根据大多数实验观察表明：脉动速度w’和层流火焰传播速度uL是影响uT的基本而重要的因素，它随着w’和uL的增大而增大。图6-24给出了在不同的uL之下，uT随的变化曲线。 图6-24 uT与uL和之间关系

69 它们的关系可用下列经验公式来表示： （6-36） 在 的情况下，上式可简化为 （6-37） 进一步的实验表明，uT与uL和w’之间存在着并非如式（6-36）或式（6-37）所示的单值函数关系，也就是说 不是一个通用公式，它仅在给定的可燃混合气性质、组成和其它条件下才能应用。 （2）湍流尺度对uT的影响 实验表明，特别是在大尺度强湍流的情况下，湍流尺度与uT无关，这一结果与前面的分析是一致的。

70 图6-25 uT和α之间关系 （3）可燃混合气的性质和组成对uT的影响 不同燃料混合气的uT值是不同的，即使是同一种燃料混合气，因组成不同（贫燃料或富燃料），uT值亦不一样，图6-25表示出了它们之间的定性关系。 （4）温度对uT的影响 因uL随温度提高而增大（如uL∝T1.7），故uT亦随之增大，实验还表明，温度对uT的影响，贫燃料时要比富燃料时大些。 （5）压力对uT的影响 压力对uT影响是通过压力对uL和的影响所致。由实验得到，在大气压力下：

71 所以 （6-38） 赫拉门卓夫认为，压力下降引起uT减小的原因首先可能是由于湍流强度的下降，其次可能是由于某种目前尚不知道的动力因素的改变。因此，即使在和uL保持不变的情况下，减少压力也仍会使uT减小。所以在低压下，尤其是低于一个大气压时，燃烧过程的性能要大大恶化。 实际工程中，为提高燃烧速度，改善燃烧性能，往往采用如下的方法： （1）设法提高湍流强度； （2）采用uL大的可燃气体混合物； （3）提高混合气体的压力及温度；

72 6.3扩散燃烧火焰 扩散燃烧基本概念 燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混 合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边
扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称 为扩散控制燃烧，扩散燃烧，其火焰称为扩散火焰。

73 特征 燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过 程 和燃料与氧化剂混合的过程。 根据燃烧过程进展条件的不同：
化学动力燃烧 （混合速度大于燃烧速度 ） 燃烧过程 扩散燃烧 （混合速度大于燃烧速度 ） （更为常见） 基本性质：控制燃烧速率的是混合过程的快慢。

74 分类 层流扩散燃烧 （分子扩散） 气体扩散燃烧 扩散燃烧 湍流喷雾燃烧 （涡团扩散） 液体喷雾燃烧

75 扩散燃烧火焰的类型 按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有： a）自由射流火焰 (free jet flame)
b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰 ） (concentric jet flame) c）逆向喷流扩散火焰 (counter-flow diffusion flame) 层流射流扩散火焰 紊流射流扩散火焰 优点：不会发生回火现象 ，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料 与氧化剂进行预先混合 ，操作 方便 ，所以在工业上应用很广。

76 气体扩散燃烧火焰 一、基本概念 已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而 燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点 燃后相互接触。
扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中 ，燃料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。 已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而 燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点 燃后相互接触。

77 着火前燃料气和空气分子的扩散过程

78 着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散
在具有理论燃烧剂量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃烧 表面。 燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。

79 实验现象 富氧扩散火焰：火焰表面逐 渐收缩到圆管的轴线上，成 为圆锥形火焰。
贫氧扩散火焰：空气中的氧 气不足，这时火焰扩展到外 管的壁上形成喇叭形的。 空气 燃料 空气 1-富氧火焰 2-贫氧火焰 现象解释：一个稳定的火焰边界只能是燃 料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在 火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有 过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不 能稳定。 同心圆管内的扩散火焰

80 扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化 学剂量比混合的表面上才是稳定的。

81 二、扩散火焰高度 1.实验观察 分析试验结果 火焰特征随气流喷射速度的变化

82 2. 数学模型 层流扩散火焰 火焰高度 推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的 燃料质量M2成比例 。 喷管尺寸（直径d）
流率（u） 火焰高度 层流扩散火焰 推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的 燃料质量M2成比例 。

83 湍流扩散火焰 用湍流涡团扩散系数ε代替上式内的层流扩散系数D， 即 ： 湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与
气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 L/d = 定值。实验结果证实了这一点。

84 6.4火焰稳定 一、本生灯火焰的稳定 本生灯是实验室内常用的一种燃气燃烧设备，用于加热。它的原理与乙炔-氧气焊枪以及煤气灶很接近，本生灯的结构如图所示。 本生灯简图 1K——一级空气 2K——二级空气 3——内火焰锋面 4——外火焰锋面

85 一级过量空气系数a1k:一级空气量占理论空气量的份额；

86 当a1K >0但煤气与一级空气预混物流量很小、流速很低时，则火焰可能逆流传播进入本生灯内部直至煤气小喷口处。即回火。
无论是回火还是脱火都是不希望的，只有当预混物流量在某一范围内时，火焰才是稳定的，即不脱火也不回火。 本生灯火焰示意图 图为本生灯的圆锥形火焰示意图，图中火焰锋面上的点M以速度uL沿火焰锋面的法线方向向内传播，而混合物主气流以速度u0向上流动，它们的矢量和便构成火焰锋面的绝对速度，火焰以这个合成速度传播的结果便形成圆锥面火焰。

87 图所示的五个截面1～5上的流速与火焰正常传播速度分布图相比较，比较详细地解释点火环存在及其与脱火回火的关系。
本生灯的着火机理示意图 （a）火焰稳定 （b）脱火 （c）回火 在截面1上到处有u0>uL，因此火焰锋面即使出现，流速u0与传播速度uL合成以后也不可能为零，合成速度必然顺着速度u0的方向，因此火焰锋面不能锚泊固定在截面1上，都被吹到气流下游去。 截面2是本生灯出口，情况同截面1一样，火焰锋面也不能锚泊固定。

88 截面3上的流速u0曲线比截面2的u0曲线斜率减小了一些，因为射流出了本生灯口以后开始扩展。这时影响火焰传播速度uL曲线变化的有两个因素：
②二级空气被卷入射流，一步步扩展到射流中央而使可燃混合物中的煤气浓度降低。 截面3上二级空气扩散进射流尚不严重，但淬熄的取消却对其迅见成效，结果uL曲线向左延展伸长。u0与uL两曲线相切于A点。只有在A点上u0=uL，其它地方仍有u0> uL。这个A点便是火焰锋面锚泊固定而形成点火环的地方。

89 截面4上u0曲线进一步减小斜率，u0与uL曲线交于B、C两点。B与C之间的地方u0< uL，其它部分仍为u0> uL。
截面5上u0曲线斜率更小，uL曲线因为二级空气扩散进来的现象十分严重，因此向右退缩减短。于是u0与uL曲线又相切于一点D。 ABDC围成一个区域。区域之内u0<uL，区域之外u0>uL，边界上u0=uL。在本生灯出口处淬熄距离之外，火焰锋面可以在某些地方锚泊固定，形成一个圆形点火环。点火环作为策源地传出火焰而生成了圆锥火焰锋面。 从图所示的速度合成图可得： 本生灯火焰示意图

90 式中lhy为火焰长度。 当θ很小时，可近似认为 所以 则 在实验中测出火焰长度lhy和气流速度u0之后，便可按上式计算火焰正常传播速度。这是燃烧实验中的基本方法之一。

91 本生灯的特性 如图表示了本生灯的特性，划分为四个区域：回火区、脱火区、稳定区和黄色明亮火焰区。回火的极限是边界线1；脱火的极限是边界线2；在回火区和脱火区之外是火焰稳定区。

92 在本生灯管口加障碍物使预混可燃气体火焰稳定的方法
由前面的讨论可知，本生灯管口的气流速度较大，火焰前锋将会向下游移动，但当气流速度增大到一定数值后，就会发生脱火现象。为了增大本生灯的脱火极限，可以在喷口处沿管子中心线插入一根平头细棒（图a），或在喷口外横放一根棒（图b），或在喷口处放置一金属圈（图c）。如果原来的本生灯已不能使火焰稳定，则加了上述障碍物后，就有可能使火焰稳定。 在本生灯管口加障碍物使预混可燃气体火焰稳定的方法

93 二、预混高速气流火焰稳定 在高速气流中保证火焰稳定的问题，可以归结为如何在气流中人为地形成自偿点火源的问题。
在气流中形成自偿点火源的办法有多种多样，除了上述在气流中放置某些能够引起气流流动发生局部阻碍的物体外，还可以在气流中组织一些特殊的、在适当的燃烧强度下工作的“引燃火焰”，也就是一般所谓的引燃喷燃器。它们稳定火焰所遵循的基本原则却是一个：创造必要条件（例如形成必需的空气动力场 ），提供一连续不断的固定点火源。 2017/9/10

94 如图给出了在无法自动稳定的工况下（即气流流速 较大时）采用引燃火焰保持火焰稳定的例子。
可燃混合气在引燃火焰作用下的火焰稳定（u0’ < u0 ） 如图给出了在无法自动稳定的工况下（即气流流速 较大时）采用引燃火焰保持火焰稳定的例子。 2017/9/10

95 在工程中常采用下列方法：钝体、旋转气流、逆向喷流、燃烧室壁凹槽、带孔圆筒、网孔等来防止脱火吹熄，实现高速气流中火焰的稳定。
几种常见的钝体火焰稳定器 （a）圆盘型 （b）V型槽圆环 （c）圆锥型 在工程中常采用下列方法：钝体、旋转气流、逆向喷流、燃烧室壁凹槽、带孔圆筒、网孔等来防止脱火吹熄，实现高速气流中火焰的稳定。 （1）利用钝体稳定火焰钝体即不良流线体，通常是做成圆盘形、V形槽圆环、圆锥形等形状，如图所示。

96 将各截面气流轴向速度为 零的各点相连得到回流区边 界线，在边界线以外是主流 区，在边界线以内是回流 区。由于回流的是高温燃烧 产物，可以起自动连续点火 源的作用，从而使新鲜可燃 混和气不断被点燃。 常用于航空燃气轮机加力 燃烧室和煤粉燃烧器。

97 当高速气流流过钝体时，由于气体的粘性，将钝体后面的静止气体带向下游，从而降低了钝体后面的气体静压，在静压差的作用下，部分下游气体将产生回流流动，从而在钝体后面形成一回流区如图所示。
钝体后的气体流动示意图 由于回流的是高温燃烧产物，它可以起一个自动连续点火源的作用，从而使新鲜可燃混合物不断地被点燃，满足了前述的火焰稳定的必要条件。在回流边界线附近存在的低流速区也为火焰的稳定创造了良好的条件。这种火焰稳定方法常用于航空燃气轮机加压燃烧室中，近年来亦应用于煤粉燃烧器。

98 影响钝体火焰温度范围的主要因素为钝体的形状与尺寸，预混可燃物的流速、温度、压力以及可燃混合物的成分等。如图给出了典型的钝体火焰稳定特性。
图5-35 叶片式旋流器结构图 （2）利用旋转射流稳定火焰 图5-35中给出了一种叶片式旋转器的结构图。

99 利用旋转射流稳定火焰有两种典型情况： ①当旋转射流流入圆筒形的燃烧室时，由于圆筒壁面的约束，气流将作螺旋形运动。在离心力和旋转射流的卷吸作用下，使燃烧室前部中心处气体静压下降，在静压差的作用下产生回流流动，如图所示。这种火焰稳定方法常用于燃气轮机燃烧室。 圆筒形燃烧室内气流轴的速度的分布

100 ②如旋转射流流入不受壁面约束的自由空间（相当于流入空间很大的炉膛情况），这时气流将沿流出旋转器时的气流方向作惯性运动，而形成放射状的空心圆锥形射流，在图表示出上述火焰稳定示意图。这种火焰稳定方法常见于锅炉燃烧器。 旋转射流流入炉膛时的流动时的流动情况 1—一次风调节挡板 2—二次风壳 3—二次风叶轮 4—茹型扩散锥 5—喷油嘴 6—旋门 7—二次风入口

101 （3）利用逆向射流稳定火焰 在高速的可燃混合气流中，设置一逆向射流喷嘴，则可利用由喷嘴喷出的气体在可燃混合物中建立一局部滞止区，如图所示。可利用这一滞止区作为点火源稳定火焰。 逆向射流示意图

102 （4）利用壁面凹槽稳定火焰 当气流流过突然扩大的管道，在突扩处将产生一回流区。可利用这一特点建立点火源稳定火焰。 如图表示出了气流流过壁面凹槽产生回流的情况。这种壁面凹槽通常是在耐火材料砌制的通道中作出一些坑穴，因此结构是相当简单的。这种火焰稳定方法常用于工业炉。 气流流过壁面凹槽时的流动情况图

103 ①在圆筒顶端存在滞止区，当其中的气体被小孔射流卷吸带走后，在该处形成局部低压区，因此就有气体回流补充形成回流区。
（5）带孔圆筒稳定火焰 带孔圆筒也是一种火焰稳定器，如图所示。气流从一排或多排小孔进入圆筒内，在圆筒的顶端和小孔之间的筒壁处形成很多小的回流区。这些回流区的形成是因为： ①在圆筒顶端存在滞止区，当其中的气体被小孔射流卷吸带走后，在该处形成局部低压区，因此就有气体回流补充形成回流区。 ②在小孔之间的筒内壁上也一样有气体的滞止区，那里的气体被小孔射流卷吸带走形成低压区，有气流回流补充后也形成回流区。这种稳焰方法大多用在燃气轮机燃烧室中。 利用带孔圆筒稳定火焰

104 在燃煤装置中，为了保持火焰的稳定，既要防止脱火，又要防止回火。回火主要是由于可燃混合物流速低于火焰传播速度造成的，为此防止回火可从两方面着手：
一是设法降低喷口处的火焰传播速度； 二是设法提高可燃混合物在喷口处的速度。 具体方法介绍如下： （1）应根据最低热负荷工况来决定可燃混合物的喷口尺寸，以保证气流速度总能高于火焰传播速度。喷口较大，一般来说难于吹脱，但是容易回火。可以采用减小喷孔直径及增加喷孔深度的办法。当热负荷一定时，可以增加喷孔数。目的是利用喷孔壁面的冷却作用，降低壁面边界层处的火焰传播速度。

105 （2）采用导热性能差的陶瓷喷嘴，以减少热量通过喷嘴壁面传到喷嘴内部而引起的预热可燃混合物的作用。因为可燃混合物温度的提高将使火焰传播速度增加。
（3）对喷嘴头部进行水冷或空冷，以降低喷嘴壁温，防止可燃混合物温度升高。 （4）减少一次空气量，增加二次空气。如果一次空气量减少，可燃混合物浓度将偏离化学当量比，火焰传播速度将降低。 （5）保持较高的喷嘴内压力，以保持较高的喷出速度。 （6）使可燃混合物喷口处的气流速度分布尽可能均匀，以保证该截面的最低流速也能大于火焰传播速度。为此常将喷口作成收缩形，并要求提高加工光洁度。 （7）采用喷头混合型喷嘴，是防止回火的根本措施，即在喷嘴部分，使气体燃料和空气边混合边燃烧。

106 三、扩散燃烧火焰稳定 对扩散火焰的稳定性简单分析如下。
扩散火焰的稳定与预混气火焰的稳定有以下差别：预混气火焰存在吹脱及回火现象。而扩散火焰只存在吹脱现象而无回火现象；由于扩散火焰只能稳定在燃料和氧化剂达到化学当量比的位置上，而且在火焰根部还需存在一个稳定的点火源。因此扩散火焰稳定机理比较复杂。 在高速气流中为保持扩散火焰稳定所必需的点火源可以采用预混气火焰同样的方法，常用的方法有：钝体、旋转射流、壁面凹槽、逆向射流等。这些方法的共同特点就是建立一个高温燃气回流区作为点火源，其工作原理在这里不再重复。 2017/9/10

107 主要内容回顾 基本概念 层流火焰传播理论 层流预混火焰传播 层流火焰传播速度的影响因素 层流火焰传播速度的测定 基本概念 湍流火焰传播理论
湍流预混火焰传播 湍流火焰传播理论 湍流火焰传播速度的影响因素 基本概念 扩散燃烧火焰 层流扩散燃烧 湍流扩散燃烧 预混本生灯火焰稳定 预混高速气流火焰稳定 火焰稳定 扩散燃烧火焰稳定