燃烧学_第六章课件.ppt

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1、第六章第六章 层流预混火焰传播与稳定层流预混火焰传播与稳定提提 纲纲:影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)基本概念基本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定6.1 6.1 基本概念基本概念 一、预混一、预混(动力动力)燃烧和非预混燃烧和非预混(扩散扩散)燃烧燃烧化学反应进行很快，燃烧的快慢主要化学反应进行很快，燃烧的快慢主要化学反应进行很快，燃烧的快慢主要化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合取决于混合取决于混合取决于混合扩散速度扩散速度扩散速度扩散速度，而与化学反应速度关系不大。，而

2、与化学反应速度关系不大。，而与化学反应速度关系不大。，而与化学反应速度关系不大。扩散燃烧扩散燃烧:（非预混）（非预混）（非预混）（非预混）Diffusion Diffusion Diffusion Diffusion 动力燃烧动力燃烧:（预混）（预混）（预混）（预混）PremixedPremixedPremixedPremixed混合过程进行很快混合过程进行很快混合过程进行很快混合过程进行很快,燃烧的快慢主要燃烧的快慢主要燃烧的快慢主要燃烧的快慢主要取决于取决于取决于取决于化学反应速度（或化学动力因素化学反应速度（或化学动力因素化学反应速度（或化学动力因素化学反应速度（或化学动力因素），而与混

3、），而与混），而与混），而与混合扩散过程关系不大。合扩散过程关系不大。合扩散过程关系不大。合扩散过程关系不大。燃烧的快慢既与化学动力因素有关，燃烧的快慢既与化学动力因素有关，燃烧的快慢既与化学动力因素有关，燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关也与混合过程有关也与混合过程有关也与混合过程有关。动力扩散燃烧动力扩散燃烧:燃烧燃料所需的时间燃烧燃料所需的时间燃烧燃料所需的时间燃烧燃料所需的时间 燃料与空气混合时间燃料与空气混合时间燃料与空气混合时间燃料与空气混合时间 燃烧反应时间燃烧反应时间燃烧反应时间燃烧反应时间（）ph二、二、火焰传播速度火焰传播速度（即移动速度（即移动速度（即移动速

4、度（即移动速度,只有预混气才有此概念）只有预混气才有此概念）只有预混气才有此概念）只有预混气才有此概念）已燃气已燃气未燃气未燃气火焰前锋：火焰前锋：火焰前锋：火焰前锋：向新鲜混气传播的火向新鲜混气传播的火向新鲜混气传播的火向新鲜混气传播的火焰前沿（薄薄的化学反应发光区，焰前沿（薄薄的化学反应发光区，焰前沿（薄薄的化学反应发光区，焰前沿（薄薄的化学反应发光区，厚度及参数变化梯度）。厚度及参数变化梯度）。厚度及参数变化梯度）。厚度及参数变化梯度）。火焰传播速度：火焰传播速度：火焰传播速度：火焰传播速度：火焰前锋沿火焰前锋沿火焰前锋沿火焰前锋沿法线法线法线法线方向朝新鲜混气传播的速度（有方向朝新鲜混

5、气传播的速度（有方向朝新鲜混气传播的速度（有方向朝新鲜混气传播的速度（有相对速度相对速度相对速度相对速度的含义，是相对于未燃的含义，是相对于未燃的含义，是相对于未燃的含义，是相对于未燃混气的速度）。混气的速度）。混气的速度）。混气的速度）。方向：方向：方向：方向：总是从已燃气指向未燃气。总是从已燃气指向未燃气。总是从已燃气指向未燃气。总是从已燃气指向未燃气。三、火焰传播类型：三、火焰传播类型：层流、紊流和爆震。层流、紊流和爆震。(矢量形式矢量形式)四、火焰结构四、火焰结构层流预混火焰坐标系 通常层流火焰的火焰面是一个厚度在通常层流火焰的火焰面是一个厚度在0.010.010.10.1 毫米左右的

6、狭窄区域毫米左右的狭窄区域 此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧此区域内，可燃混合气的温度和成分都有急剧 地变化地变化(极大的浓度和温度梯度极大的浓度和温度梯度)。一维层流火焰结构一维层流火焰结构大多数研究者以温度变化曲线上的拐点大多数研究者以温度变化曲线上的拐点Ti为分界点，把整个火为分界点，把整个火焰面划分为预热区焰面划分为预热区ph和反应区和反应区r层流火焰速度层流火焰速度=由于缓燃由于缓燃RayleighRayleigh线斜率比线斜率比爆震爆震RayleighRayleigh线斜率小得多，线斜率小得多，所以缓燃速度比爆震速度小所以缓燃速度比爆震速度小得多。得多。Rayleigh线的

7、斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层线的斜率与相对于未燃气体的波的传播速度（层流火焰速度）有关。流火焰速度）有关。五、通过火焰的压降五、通过火焰的压降对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：对于稳态一维燃烧波，质量守恒方程变成：忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：忽略粘性影响和体积力（浮力），动量方程可写成：应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，应用以上两个方程估算通过火焰的压力降，由理想气体状态方程，由理想气体状态方程，碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的层流火焰速度典型值在碳氢燃料与空气混合物在大气条件下的

8、层流火焰速度典型值在15-40cm/s15-40cm/s范围内。范围内。的典型值在的典型值在5-75-7范围内，范围内，的典型值等于的典型值等于由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的由于反应物与产物的分子量近似相同，预期穿过火焰的压力降与温度增加相比是很小的，因此压力降与温度增加相比是很小的，因此。因此。因此的典型值为：的典型值为：因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。因此，忽略通过火焰的压力降是很合理的。层流火焰特点层流火焰特点火焰锋面很薄，通常只有火焰锋面很薄，通常只有0.010.010.1mm0.1mm层流火焰压力变化很小，可以认为是等压流动燃烧层流火焰压力变化很小，可以认为是

9、等压流动燃烧过程过程层流火焰传播速度很低，层流火焰传播速度很低，通常在通常在1m/s1m/s以下以下绝对速度绝对速度 气流速度气流速度相对速度相对速度提提 纲纲:影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)基本概念基本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定层流火焰传播的机理有三种理论：层流火焰传播的机理有三种理论：层流火焰传播的机理有三种理论：层流火焰传播的机理有三种理论：热理论：热理论：热理论：热理论：认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜认为火焰传播取决于

10、反应区放热及其向新鲜认为火焰传播取决于反应区放热及其向新鲜 混气的热传导混气的热传导混气的热传导混气的热传导扩散理论：扩散理论：扩散理论：扩散理论：认为来自反应区的链载体的逆向扩散是认为来自反应区的链载体的逆向扩散是认为来自反应区的链载体的逆向扩散是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控制层流火焰传播的主要因素控制层流火焰传播的主要因素控制层流火焰传播的主要因素综合理论：综合理论：综合理论：综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传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播

11、可能有同等重要的影响播可能有同等重要的影响播可能有同等重要的影响6.2 6.2 一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型 一、层流火焰传播的热理论内容一、层流火焰传播的热理论内容反应区反应区反应区反应区预热区预热区预热区预热区设火焰前锋在一绝热管内以速度设火焰前锋在一绝热管内以速度设火焰前锋在一绝热管内以速度设火焰前锋在一绝热管内以速度u u u un n n n传播（一维）传播（一维）传播（一维）传播（一维）假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直假定火焰前锋为平面形状，且与管轴线垂直如果新鲜混气以层流流速如果

12、新鲜混气以层流流速如果新鲜混气以层流流速如果新鲜混气以层流流速v v v v0 0 0 0流入管内，则当流入管内，则当流入管内，则当流入管内，则当v v v v0 0 0 0u u u un n n n时（方时（方时（方时（方向相反），可以得到驻定的火焰前锋。向相反），可以得到驻定的火焰前锋。向相反），可以得到驻定的火焰前锋。向相反），可以得到驻定的火焰前锋。将火焰前锋分为两个区域将火焰前锋分为两个区域将火焰前锋分为两个区域将火焰前锋分为两个区域预热区和反应区。在预热预热区和反应区。在预热预热区和反应区。在预热预热区和反应区。在预热区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身区内忽略化学反

13、应的影响，在化学反应区忽略混气本身区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身区内忽略化学反应的影响，在化学反应区忽略混气本身热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等）热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等）热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等）热焓的增加（即认为着火温度与绝热火焰温度近似相等）分区思想分区思想分区思想分区思想。火焰传播取决于火焰传播取决于火焰传播取决于火焰传播取决于反应区放热反应区放热反应区放热反应区放热及其及其及其及其向新鲜混气的热传导。向新鲜混气的热传导。向新鲜混气的热传导。向新鲜混气的热传导。层流火焰传播的热理论内容层流火焰传播的热理论

14、内容二、层流火焰传播速度二、层流火焰传播速度UnUn的确定（运用热理论）的确定（运用热理论）连续方程连续方程 动量方程动量方程 能量方程能量方程（6.2）对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：对于一维带化学反应的定常层流流动其基本方程为：化学反应生热量化学反应生热量化学反应生热量化学反应生热量传导的热流传导的热流传导的热流传导的热流扩散项扩散项扩散项扩散项混气本身热焓的变混气本身热焓的变混气本身热焓的变混气本身热焓的变化化化化对流项对流项对流项对流项(2-29)把火焰分成预热区和反应区。在把火焰分成预热区和反应区。在把火焰分成预热区和反应区。在把火焰分成预热区和反应区。在预热区预热区预

15、热区预热区中忽略化学反应中忽略化学反应中忽略化学反应中忽略化学反应的影响，而在的影响，而在的影响，而在的影响，而在反应区中忽略反应区中忽略反应区中忽略反应区中忽略能量方程中温度的一阶导数项能量方程中温度的一阶导数项能量方程中温度的一阶导数项能量方程中温度的一阶导数项。根据假设，在预热区中的能量方程为根据假设，在预热区中的能量方程为根据假设，在预热区中的能量方程为根据假设，在预热区中的能量方程为:根据分区近似解法，求根据分区近似解法，求根据分区近似解法，求根据分区近似解法，求UnUnUnUn：方程方程(6-2)中的边界条件如下：中的边界条件如下：假设假设，对方程（，对方程（6-46-4）从冷边界

16、到）从冷边界到x xi i积分得：积分得：气体冷边界条件气体冷边界条件:以及以及预热区：预热区：在预热区，假设在预热区，假设RR=0，能量方程（，能量方程（6-2）变成：）变成：（6-4）（6-5）方程（方程（6-56-5）的）的物理解释物理解释是：来自已燃气体的导热是：来自已燃气体的导热通量对预热区未燃气体混合物进行通量对预热区未燃气体混合物进行“预热预热”，将其，将其温度从温度从T Tu u提高到提高到T Ti i。反应区：反应区：在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量在反应区，能量的对流通量（源自温差）比扩散通量小，因而可以忽略对流项，能量方程（小，因而可以忽略对流项，能量方程（

17、6-2）变成：）变成：方程（方程（方程（方程（6-66-6）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导）的物理解释如下：在反应区流出的，经热传导进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。进入预热区的能量扩散通量等于化学反应释放的热量。将以上方程从将以上方程从到积分得，（6-6）到到积分，得积分，得积分，得积分，得可以看成是反应区中平均反应速率可以看成是反应区中平均反应速率可以看成是反应区中平均反应速率可以看成是反

18、应区中平均反应速率令在令在令在令在x=xx=xx=xx=xi i i i处，来自方程（处，来自方程（处，来自方程（处，来自方程（6-56-56-56-5）和（）和（）和（）和（6-66-66-66-6）的热通量相等，于是）的热通量相等，于是）的热通量相等，于是）的热通量相等，于是（6-76-76-76-7）解方程（解方程（解方程（解方程（6-76-76-76-7），可求出层流火焰传播速度），可求出层流火焰传播速度），可求出层流火焰传播速度），可求出层流火焰传播速度令令令令热扩散系数，假设当热扩散系数，假设当热扩散系数，假设当热扩散系数，假设当对于典型的碳氢燃料的总的活化能数值大于对于典型的碳氢

19、燃料的总的活化能数值大于40kcal/mol，Ti略小于Tb，于是式中式中式中式中（6-8a6-8a）和）和）和）和从方程（从方程（从方程（从方程（6-8b6-8b6-8b6-8b）可见，火焰速度）可见，火焰速度）可见，火焰速度）可见，火焰速度由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得由下图火焰面前后总的能量平衡关系，得 将以上关系式代入（将以上关系式代入（将以上关系式代入（将以上关系式代入（6-8a6-8a）得：）得：）得：）得：（6-8b）火焰面控制体火焰面控制体火焰面控制体火焰面控制体 受到受到受到受到扩散输运扩散输运扩散

20、输运扩散输运（通过（通过（通过（通过反应动力学反应动力学反应动力学反应动力学（通过（通过（通过（通过RRRRRRRR）的影响。）的影响。）的影响。）的影响。层流火焰传播速度与导温系层流火焰传播速度与导温系层流火焰传播速度与导温系层流火焰传播速度与导温系数及反应速度的平方根成正比。也就是说数及反应速度的平方根成正比。也就是说数及反应速度的平方根成正比。也就是说数及反应速度的平方根成正比。也就是说,是可燃混气的是可燃混气的是可燃混气的是可燃混气的一个物理化学常数一个物理化学常数一个物理化学常数一个物理化学常数。和和和和例例例例6.1 6.1 6.1 6.1 利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比

21、的丙烷利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷利用简化的预混层流火焰理论估算化学恰当比的丙烷-空气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学空气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学空气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学空气混合物的层流火焰速度。在计算过程中利用总体单步化学反应机理估计平均化学反应速率。反应机理估计平均化学反应速率。反应机理估计平均化学反应速率。反应机理估计平均化学反应速率。可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计算可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计算可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计

22、算可以看出，计算层流火焰速度的关键就是计算理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（理论中假设化学反应发生在火焰厚度的后半部分（选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：选择该反应区的平均温度来计算化学反应速率：解：由简化的预混层流火焰理论可知：解：由简化的预混层流火焰理论可知：解：由简化的预混层流火焰理论可知：解：由简化的预混层流火焰理论可知：。在简化。在简化。在简化。在简化），），），），温度在火焰内随温度在火焰内随温

23、度在火焰内随温度在火焰内随假设假设假设假设轴成线性变化。轴成线性变化。轴成线性变化。轴成线性变化。假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料假设燃气中没有氧气或者燃料，可得出氧气和燃料的平均质量分数分别为：的平均质量分数分别为：的平均质量分数分别为：的平均质量分数分别为：其中其中其中其中0.23310.23310.23310.2331为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷为空气中氧气的质量分数，化学恰当比的丙烷-空气混合物空

24、燃比空气混合物空燃比空气混合物空燃比空气混合物空燃比A/FA/FA/FA/F为为为为15.62515.62515.62515.625。化学反应速率：化学反应速率：化学反应速率：化学反应速率：式中将上述的将上述的将上述的将上述的和和和和是平均化学反应速率。是平均化学反应速率。是平均化学反应速率。是平均化学反应速率。a a a a是热扩散系数。热扩散系数是热扩散系数。热扩散系数是热扩散系数。热扩散系数是热扩散系数。热扩散系数式中式中式中式中可表示为可表示为可表示为可表示为把平均温度定义为整个火焰厚度内的平均温度，因为热传导把平均温度定义为整个火焰厚度内的平均温度，因为热传导把平均温度定义为整个火焰

25、厚度内的平均温度，因为热传导把平均温度定义为整个火焰厚度内的平均温度，因为热传导不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此不仅仅发生在反应区，而是在整个火焰区内都存在，因此的值代入层流火焰速度公式得：的值代入层流火焰速度公式得：的值代入层流火焰速度公式得：的值代入层流火焰速度公式得：提提 纲纲:影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)基本概念基本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定 决

26、定层流火焰传播速度的主要因素决定层流火焰传播速度的主要因素是混气的是混气的化学反应速率化学反应速率和和热扩散系数热扩散系数。所以凡是影响化学反应速率和热扩散系所以凡是影响化学反应速率和热扩散系数的物理化学参数均会影响层流火焰传数的物理化学参数均会影响层流火焰传播速度。播速度。6.3 6.3 影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素 化学参数的影响化学参数的影响化学参数的影响化学参数的影响 (1)(1)(1)(1)混合比（混气成分）的影响混合比（混气成分）的影响混合比（混气成分）的影响混合比（混气成分）的影响 层流火焰传播速度随燃料层流火焰传播速度随燃料层流火焰传播速度随燃料层流火焰

27、传播速度随燃料氧化剂配比而变化，主氧化剂配比而变化，主氧化剂配比而变化，主氧化剂配比而变化，主要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合要是由于温度随混合比的变化所引起的。对于碳氢化合物燃料，在物燃料，在物燃料，在物燃料，在化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传化学恰当比或者燃料稍富的混气中，火焰传播速度达到最大播速度达到最大播速度达到最大播速度达到最大。一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最一般认为，火焰温度最

28、高的混合物其火焰速度也最一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中以维持火

29、焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中传播。也就是说，传播。也就是说，传播。也就是说，传播。也就是说，火焰传播有浓度的上下限。火焰传播有浓度的上下限。火焰传播有浓度的上下限。火焰传播有浓度的上下限。达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？达到浓度极限时火焰传播速度是否为零？(2)(2)(2)(2)混气性质的影响：混气性质的影响：混气性质的影响：混气性质的影响：导温系数增加，活化能减少或火焰温度增导温系数增加，活化能减少或火焰温度增导温系数增加，活化能减少或火焰温度增导温系数增加

30、，活化能减少或火焰温度增加时，火焰传播速度增大。加时，火焰传播速度增大。加时，火焰传播速度增大。加时，火焰传播速度增大。氧浓度增加，火焰传播速度增大。氧浓度增加，火焰传播速度增大。氧浓度增加，火焰传播速度增大。氧浓度增加，火焰传播速度增大。几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传播几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传播几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传播几种典型燃料的均匀混气的层流火焰传播速度见下页。速度见下页。速度见下页。速度见下页。几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度几种燃料均匀混气的层流火焰传播速度燃燃 料料氧化剂氧化剂S SL

31、L（cm/s)cm/s)着火极限余气系数着火极限余气系数贫油富油汽油汽油汽油汽油空气空气空气空气454545451.61.61.61.60.250.250.250.25煤油煤油煤油煤油空气空气空气空气363636361.81.81.81.80.230.230.230.23甲烷甲烷甲烷甲烷CH4CH4CH4CH4空气空气空气空气373737375.05.05.05.00.540.540.540.54乙炔乙炔乙炔乙炔C2H2C2H2C2H2C2H2空气空气空气空气1351351351353.283.283.283.280.0210.0210.0210.021氢氢氢氢H2H2H2H2空气空气空气空气

32、25025025025010.110.110.110.10.1410.1410.1410.141氢氢氢氢H2H2H2H2氧气氧气氧气氧气1200120012001200 MetghalchiMetghalchiMetghalchiMetghalchi和和和和KeckKeckKeckKeck通通通通过过过过实实实实验验验验决决决决定定定定了了了了各各各各种种种种燃燃燃燃料料料料-空空空空气气气气混混混混合合合合物物物物在在在在内内内内燃燃燃燃机机机机和和和和燃燃燃燃气气气气轮轮轮轮机机机机中中中中典典典典型型型型的的的的温温温温度度度度和和和和压压压压力力力力下下下下的的的的层流火焰传播速度层流

33、火焰传播速度层流火焰传播速度层流火焰传播速度,给出如下经验公式给出如下经验公式给出如下经验公式给出如下经验公式:层流火焰传播速度计算公式层流火焰传播速度计算公式层流火焰传播速度计算公式层流火焰传播速度计算公式式中系数式中系数式中系数式中系数 ,与燃料类型有关与燃料类型有关与燃料类型有关与燃料类型有关,列于下表中。列于下表中。列于下表中。列于下表中。式中的系数式中的系数式中的系数式中的系数 式中温度和压力的指数式中温度和压力的指数式中温度和压力的指数式中温度和压力的指数 是当量比是当量比是当量比是当量比 的函数的函数的函数的函数,可以表示为可以表示为可以表示为可以表示为:根根根根据据据据以以以以

34、上上上上给给给给出出出出的的的的公公公公式式式式和和和和系系系系数数数数,我我我我们们们们能能能能够够够够计计计计算算算算出不同初温和初压下的层流火焰传播速度。出不同初温和初压下的层流火焰传播速度。出不同初温和初压下的层流火焰传播速度。出不同初温和初压下的层流火焰传播速度。氢氢-空气空气的层流火焰速度的层流火焰速度氢的最大火焰速度在稍富的混合物（氢的最大火焰速度在稍富的混合物（氢的最大火焰速度在稍富的混合物（氢的最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1=1.1）处）处）处）处氢的最大火焰速度为氢的最大火焰速度为氢的最大火焰速度为氢的最大火焰速度为280 cm/sec280 cm/sec甲烷甲烷-空

35、气空气的层流火焰速度的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系烷烃最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1）烃烃-空气的层流火焰速度空气的层流火焰速度对于乙烯和乙炔，最大火焰速度分别为对于乙烯和乙炔，最大火焰速度分别为=1.2和和=1.4处处 乙炔的最大火焰速度为乙炔的最大火焰速度为160 cm/sec丙烷丙烷-空气混合物的层流火焰速度空气混合物的层流火焰速度插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系插图表示化学恰当比的火焰速度与压力的关系烷烃最大火焰速度在稍富的混合物（烷烃最大火焰速度在稍富的混合物（=1.1）处）处 惰性物质或添加剂的影响：惰性

36、物质或添加剂的影响：惰性物质，一方面直接惰性物质，一方面直接惰性物质，一方面直接惰性物质，一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧影响燃烧温度从而影响燃烧影响燃烧温度从而影响燃烧影响燃烧温度从而影响燃烧速度，另一方面，通过影响速度，另一方面，通过影响速度，另一方面，通过影响速度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质（可燃混合气的物理性质（可燃混合气的物理性质（可燃混合气的物理性质（热热热热扩散系数）扩散系数）扩散系数）扩散系数）来（来（来（来（明显）明显）明显）明显）影响影响影响影响火焰传播速度。火焰传播速度。火焰传播速度。火焰传播速度。大量实验证明，惰性物质的大量实验证明，惰性物质的大量实验证明

37、，惰性物质的大量实验证明，惰性物质的加入，将使火焰传播速度降低，加入，将使火焰传播速度降低，加入，将使火焰传播速度降低，加入，将使火焰传播速度降低，可燃界限缩小，以及使最大的可燃界限缩小，以及使最大的可燃界限缩小，以及使最大的可燃界限缩小，以及使最大的火焰传播速度值向燃料浓度较火焰传播速度值向燃料浓度较火焰传播速度值向燃料浓度较火焰传播速度值向燃料浓度较少的方向移动。少的方向移动。少的方向移动。少的方向移动。甲烷-氧-氮混合物火焰速度 当氧化剂中氧的摩当氧化剂中氧的摩当氧化剂中氧的摩当氧化剂中氧的摩尔分数增加时，火焰速尔分数增加时，火焰速尔分数增加时，火焰速尔分数增加时，火焰速度增加。随着氧化

38、剂中度增加。随着氧化剂中度增加。随着氧化剂中度增加。随着氧化剂中氧的摩尔分数增加，反氧的摩尔分数增加，反氧的摩尔分数增加，反氧的摩尔分数增加，反应速率通过氧的密度和应速率通过氧的密度和应速率通过氧的密度和应速率通过氧的密度和反应温度增加而增加。反应温度增加而增加。反应温度增加而增加。反应温度增加而增加。物理参数的影响物理参数的影响 (1)(1)(1)(1)压力的影响压力的影响压力的影响压力的影响一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数一般碳氢燃料燃烧过程的反应级数1.51.51.51.52 2 2 2，因此：，因此：，因此：，因此：(v v v

39、 v=0=0=0=00.25)0.25)0.25)0.25)压力对火焰传播速度的影响较小。压力对火焰传播速度的影响较小。压力对火焰传播速度的影响较小。压力对火焰传播速度的影响较小。一级反应，压力增加，层流火焰传播速度下降；一级反应，压力增加，层流火焰传播速度下降；二级反应，与压力无关。二级反应，与压力无关。若将若将若将若将 及及及及 代入（代入（代入（代入（6 6 6 68b8b8b8b），得），得），得），得(2)(2)(2)(2)初始温度的影响：初始温度的影响：初始温度的影响：初始温度的影响：（C=1.5C=1.5C=1.5C=1.52 2 2 2）初温增加，火焰传播速度增加。初温增加，火

40、焰传播速度增加。初温增加，火焰传播速度增加。初温增加，火焰传播速度增加。初温初温初温初温 增加增加增加增加 理论燃烧温度理论燃烧温度理论燃烧温度理论燃烧温度 升高升高升高升高 火焰传播速度火焰传播速度火焰传播速度火焰传播速度 增加。增加。增加。增加。1-C2H4/1-C2H4/空气；空气；空气；空气；2-C3H8/2-C3H8/空气；空气；空气；空气；3-CH4/3-CH4/空气空气空气空气(3)(3)(3)(3)火焰温度的影响：火焰温度的影响：火焰温度的影响：火焰温度的影响：火焰温度增加按指数规律影响火焰传播速度，火焰温度增加按指数规律影响火焰传播速度，火焰温度增加按指数规律影响火焰传播速度

41、，火焰温度增加按指数规律影响火焰传播速度，可见可见可见可见 主要受火焰温度影响。主要受火焰温度影响。主要受火焰温度影响。主要受火焰温度影响。淬熄距离淬熄距离淬熄距离淬熄距离根据火焰传播的临界条件可得出：根据火焰传播的临界条件可得出：根据火焰传播的临界条件可得出：根据火焰传播的临界条件可得出：淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比。淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比。淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比。淬熄距离与火焰传播速度及压力成反比。淬熄距离淬熄距离 ：当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火当管径或容器尺寸小到某个

42、临界值时，由于火 焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰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便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离 。淬熄距离与混气浓度的关系淬熄距离与混气浓度的关系温度对淬熄距离的影响温度对淬熄距离的影响提提 纲纲:影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)基本概念基本概念一维层流预混火焰传播模型一维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰

43、稳定火焰稳定6-4 火焰厚度火焰厚度 火焰中温度和浓度梯度决定于火焰中温度和浓度梯度决定于火焰厚度，因为这些梯度支持火焰厚度，因为这些梯度支持火焰的扩散过程。火焰的扩散过程。对于大的活化能，对于大的活化能，对于大的活化能，对于大的活化能，TiTbTiTb，于是，于是，于是，于是（6-13）火焰厚度和火焰传播速度是相火焰厚度和火焰传播速度是相互联系的互联系的,其定性关系可以从其定性关系可以从xi处的能量平衡求得。处的能量平衡求得。(6-13)与化学恰当比呈弱函数关系，火焰厚度与火焰与化学恰当比呈弱函数关系，火焰厚度与火焰与化学恰当比呈弱函数关系，火焰厚度与火焰与化学恰当比呈弱函数关系，火焰厚度与

44、火焰速度速度速度速度成反比。火焰速度与当量比具有一定的函数关系。成反比。火焰速度与当量比具有一定的函数关系。成反比。火焰速度与当量比具有一定的函数关系。成反比。火焰速度与当量比具有一定的函数关系。热扩散热扩散热扩散热扩散系数系数系数系数 测量的大气压下预混甲烷测量的大气压下预混甲烷-空气火焰厚度与公式计算值比空气火焰厚度与公式计算值比较，模型计算值与实验值用化学恰当比混合物归一。较，模型计算值与实验值用化学恰当比混合物归一。与预热区厚度与预热区厚度反应区厚度反应区厚度（6-146-14）之比如下式所示：之比如下式所示：与预热区相比，反应区很薄（与预热区相比，反应区很薄（火焰厚度火焰厚度 ）式中

45、式中式中式中n n为总的反应级数。方程（为总的反应级数。方程（为总的反应级数。方程（为总的反应级数。方程（6-166-16）表示火焰厚度随压力）表示火焰厚度随压力）表示火焰厚度随压力）表示火焰厚度随压力减低而增加。对于预混层流火焰结构的大多数实验研究都是减低而增加。对于预混层流火焰结构的大多数实验研究都是减低而增加。对于预混层流火焰结构的大多数实验研究都是减低而增加。对于预混层流火焰结构的大多数实验研究都是在低压（典型的压力低于在低压（典型的压力低于在低压（典型的压力低于在低压（典型的压力低于0.10.1大气压）下进行的，所以火焰大气压）下进行的，所以火焰大气压）下进行的，所以火焰大气压）下进

46、行的，所以火焰是足够厚的，因而，有很好的分辨率。是足够厚的，因而，有很好的分辨率。是足够厚的，因而，有很好的分辨率。是足够厚的，因而，有很好的分辨率。（6-166-16）(1)火焰厚度主要取决于它的火焰厚度主要取决于它的 与与 值值(2)火焰厚度很薄（仅十分之几或百分之几毫米）火焰厚度很薄（仅十分之几或百分之几毫米）在火焰厚度内完成了：在火焰厚度内完成了：传热传热 扩散扩散 化学反应过程化学反应过程 火焰厚度内，温度火焰厚度内，温度浓度相差很大，有较大的温度梯度浓度相差很大，有较大的温度梯度 与浓度梯度，可以保证：与浓度梯度，可以保证：热量很快从化学反应区传出热量很快从化学反应区传出 快速扩散

47、迅速供给反应区反应物快速扩散迅速供给反应区反应物 保证火焰以一定的速度传播保证火焰以一定的速度传播例例6.3 在一个大气压力下，贫燃丙烷在一个大气压力下，贫燃丙烷-空气混合物中自由伸空气混合物中自由伸展的绝热火焰传播速度为展的绝热火焰传播速度为30cm/s，火焰厚度为，火焰厚度为2mm。如。如果压力下降为果压力下降为0.25个大气压，求该混合物中自由伸展的绝个大气压，求该混合物中自由伸展的绝热火焰传播速度和火焰厚度？热火焰传播速度和火焰厚度？解：提提 纲纲:影响层流火焰传播速度的因素影响层流火焰传播速度的因素(层流火焰传播速度数据层流火焰传播速度数据)基本概念基本概念一维层流预混火焰传播模型一

48、维层流预混火焰传播模型火焰厚度火焰厚度火焰稳定火焰稳定6-5 火焰稳定火焰稳定 一、火焰稳定的分类一、火焰稳定的分类l 低速气流下的火焰稳定，包括回火和吹熄问题低速气流下的火焰稳定，包括回火和吹熄问题l 高速气流下的火焰稳定高速气流下的火焰稳定工程中的火焰稳定工程中的火焰稳定 多数属于这种情况多数属于这种情况二、火焰稳定条件二、火焰稳定条件注：（注：（注：（注：（1 1）火焰锋）火焰锋）火焰锋）火焰锋面总是朝着新鲜面总是朝着新鲜面总是朝着新鲜面总是朝着新鲜混气方向传播的混气方向传播的混气方向传播的混气方向传播的（2 2）火焰传播速）火焰传播速）火焰传播速）火焰传播速度是依据度是依据度是依据度是

49、依据预混气预混气预混气预混气体体体体燃烧而提出的燃烧而提出的燃烧而提出的燃烧而提出的吹熄吹熄吹熄吹熄回火回火回火回火稳定稳定稳定稳定1 1、火焰稳定的流动必要条件、火焰稳定的流动必要条件、火焰稳定的流动必要条件、火焰稳定的流动必要条件火焰传播余弦定理火焰传播余弦定理火焰传播余弦定理火焰传播余弦定理 为为为为火焰锋面火焰锋面火焰锋面火焰锋面法向法向法向法向稳定条件余弦定律：稳定条件余弦定律：稳定条件余弦定律：稳定条件余弦定律：上式说明在气流中，上式说明在气流中，上式说明在气流中，上式说明在气流中，要保持火焰稳定，必须满足火要保持火焰稳定，必须满足火要保持火焰稳定，必须满足火要保持火焰稳定，必须满

50、足火焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条件件件件，这就是米哈尔松火焰传播的余弦定律的实质所，这就是米哈尔松火焰传播的余弦定律的实质所，这就是米哈尔松火焰传播的余弦定律的实质所，这就是米哈尔松火焰传播的余弦定律的实质所在。这是在。这是在。这是在。这是火焰稳定的流动必要条件火焰稳定的流动必要条件。切向稳定条件：切向稳定条件：切向稳定条件：切向稳定条件：有一个稳定的点火源。有一个稳定的点火源。有一个稳定的点火源。有一个稳定的点火源。锥形火焰稳定条件：锥形火焰稳定