燃烧理论第四讲火焰传播理论

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1、第四章火焰传播理论一、层流火焰传播机理在工程应用中，可燃混合物着火的方法是先引入外部热源，使局部先行着火，然后点燃部分向未燃部分输送热量及生成活性中心，使其相继着火燃烧。在可燃混合物中放入点火源点火时，产生局部燃烧反应而形成点源火焰。由于反应释放的热量和生成的自由基等活性中心向四周扩散传输，使紧挨着的一层未燃气体着火、燃烧，形成一层新的火焰。反应依次往外扩张，形成瞬时的球形火焰面。此火焰面的移动速度称为层流火焰传播速度Sn(或称层流火焰传播速度Sl，或正常火焰传播速度)，简称火焰传播速度。未燃气体与已燃气体之间的分界面即为火

2、焰锋面，或称火焰面。静止均匀混合气体中的火焰传播流管中的火焰锋面取一根水平管子，一端封住，另一端敞开，管内充满可燃混合气。点火后，火焰面以一定的速度向未燃方面移动，由于管壁的摩擦和向外的热量损失、气体的粘性、热气体产生的浮力，使其成为倾斜的弯曲焰面。如果管子相当长，那么火焰锋面在移动了大约5～10倍管径的距离之后，便明显开始加速，最后形成速度很高的(达每秒几千米)高速波，这就是爆振波。如果将可燃混合物置于一个封闭的容器内，氧化反应释放出的热量会导致容器内压力上升，反应速率越大，则压力上升越快，压力上升又会进一步加快反应速率，

3、导致压力不断升高，如果容器不能承受其压力就会爆裂开来，这种伴随着压力不断上升的燃烧现象称之为爆炸。正常燃烧属于稳定态燃烧，可视为等压过程；而爆振和爆炸属不稳定态燃烧，是靠气体的膨胀来局部压缩未燃气体而形成的冲击波。在民用燃具和燃气工业炉中，燃气的燃烧均属于正常燃烧。若可燃混合气在一管内流动，其速度是均匀分布的，形成一平整的火焰锋面。如Sn=u，则气流速度与火焰传播速度相平衡，火焰面便驻定不动。这是流动可燃混合气稳定燃烧的必要条件。层流火焰传播理论第一是热理论，它认为控制火焰传播的主要是从反应区向未燃气体的热传导。第二是扩散理

4、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。第三是综合理论，即认为热传导和活性中心的扩散对火焰的传播可能同等重要。大多数火焰中，由于存在温度梯度和浓度梯度，因此传热和传质现象交错地存在着，很难分清主次。下面介绍由泽尔多维奇等人提出的热理论。火焰层结构及温度、浓度分布在火焰锋面上取一单位微元，对于一维带化学反应的稳定层流流动，其基本方程为：连续方程动量方程p≈常数能量方程（微元体本身热焓的变化等于传导的热量加上化学反应生成的热量）对于绝热条件，火焰的边界条件为为求定Sn(u0)，提出了一种分区近似解法，把

5、火焰分成预热区和反应区。在预热区中忽略化学反应的影响，在反应区中略去能量方程中温度的一阶导数项。预热区中的能量方程为其边界条件是假定Ti是预热区和反应区交界处(温度曲线曲率变化点)的温度，从T0到Ti进行积分，(下标“I”表示预热区)反应区的能量方程为其边界条件是乘式后积分（下标“Ⅱ”表示反应区）Ti为未知，进一步变换可得表示在Tm～T0之间反应速率的平均值层流火焰传播速度可看作是可燃混合物的主要特性，从中可以得出如下定性结论：层流火焰传播速度与平均热导率的平方根成正比，与热容的平方根成反比，因此层流火焰传播速度与气体混合物

6、的物理常数有关。层流火焰传播速度随着差值（Ti-T0）的减小而增加，若将气体预热到Ti，则层流火焰传播速度就会趋向于无穷大。可燃混合物的热效应及化学反应速率显著地影响着层流火焰传播速度。可燃混合物的过剩空气系数亦将影响其层流火焰传播速度，当α>1或α<1时都会降低层流火焰传播速度。二、湍流火焰传播在湍流流动时，火焰面变得混乱和曲折，形成火焰的湍流传播。在研究湍流火焰传播时，把焰面视为一束燃气与已燃气之间的宏观整体分界面，也称为火焰锋面。湍流火焰传播速度也是对这个几何面来定义的，用St表示。在湍流火焰中有许多大小不同的微团作不

7、规则运动。如果微团的平均尺寸小于层流火焰锋面的厚度，称为小尺度湍流火焰；反之，则称为大尺度湍流火焰。当微团的脉动速度大于层流火焰传播速度(u′>Sl)时，为大尺度强紊动火焰，反之为大尺度弱紊动火焰。关于大尺度强紊动的火焰传播机理，不同学者有不同的解释，因而形成了湍流火焰的表面理论和容积理论。湍流火焰的传播速度比层流时要大得多，其理由为(1)湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加，但是曲面上的传播速度仍保持为层流火焰速度。(2)湍流脉动增加了热量和活化中心的传递速度，反应速率加快，从而增大了垂直火焰表面的实际燃烧速度。(3)

8、湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合，缩短混合时间，提高燃烧速度。湍流火焰模型(a)小尺度湍流；(b)、(c)大尺度湍流；(d)容积湍流燃烧1—燃烧产物；2—新鲜混气；3—部分燃尽气体三、层流火焰传播速度的测定层流火焰传播速度不能用精确的理论公式来计算。通常是依靠实验方法测得单一燃气或混合燃