燃燒學(xué)課件第五章1

燃燒學(xué)

WangChunhua(王春華)chunhua07@LiaoningShihuaUniversity遼寧石油化工大學(xué)

第5章氣體燃料的燃燒5.1氣體燃料燃燒原理及特點5.2預(yù)混氣體中的火焰?zhèn)鞑?.3層流火焰?zhèn)鞑ニ俣壤碚?.4層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c預(yù)混氣體物理化學(xué)參數(shù)的關(guān)系5.5湍流預(yù)混氣流中火焰的傳播5.6可燃混合氣的物理化學(xué)性質(zhì)對湍流火焰?zhèn)鞑サ挠绊?5.1氣體燃料燃燒原理及特點均相燃燒燃燒過程三階段燃?xì)馀c空氣的混合階段混合后可燃?xì)怏w混合物的加熱與著火階段完成燃燒化學(xué)反應(yīng)階段燃燒方式預(yù)混燃燒（無焰燃燒）：在燃燒前將燃料與空氣按一定比例(α>=1)首先均勻混合成可燃混合氣，然后通過燃燒器噴嘴噴出進行燃燒。擴散燃燒（有焰燃燒）：在燃燒時將燃料和空氣分別從噴嘴的兩個相鄰噴口噴出(圖4—1)，在兩者接觸界面上邊混合邊燃燒。3半預(yù)混燃燒（大氣式燃燒）：在氣體燃料中先混合少量的空氣，形成富燃料的可燃混合氣，然后富燃料的可燃混合氣再從燃燒器的噴嘴噴向大氣做一定程度的擴散燃燒。456預(yù)混燃燒的特點燃燒速度快，完全取決于燃料氧化化學(xué)反應(yīng)的進行速度，通常稱此類燃燒方式為動力燃燒，能在較少的過量空氣系數(shù)下(通常1.05-1.10)達到完全燃燒燃燒溫度高，容積熱強度大，比有焰燃燒大100-10000倍高溫區(qū)較集中無碳黑空氣和燃料的預(yù)熱溫度不能超過混合氣體的著火溫度為防止回火和爆炸，燃燒器能力不能太大7擴散燃燒的特點燃燒速度主要取決于燃料與空氣的混合速度，與可燃?xì)怏w的物化性質(zhì)有關(guān)。燃燒速度較預(yù)混燃燒慢、燃燒溫度低、火焰長、燃燒強度低、易產(chǎn)生不完全燃燒燃燒器能力范圍較大火焰穩(wěn)定性較好，無回火有碳黑允許燃料和空氣預(yù)熱到較高的溫度而不受著火溫度的限制。無火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象8燃燒過程兩個階段：著火階段、燃燒階段著火的定義著火過程是一種典型的受化學(xué)動力學(xué)控制的燃燒現(xiàn)象。著火過程：燃料與氧化劑分子混合后，從開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)加速，溫度升高達到激烈的燃燒反應(yīng)之前的一段過程。5.2預(yù)混可燃?xì)怏w的著火和燃燒一、預(yù)混可燃?xì)怏w的著火自然界中燃料的著火方式

自燃著火（自燃）

強迫著火（點燃或點火）預(yù)混可燃?xì)怏w由于自身溫度的升高而導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度自行加速所引起的著火——整體加熱預(yù)混可燃?xì)怏w內(nèi)的某一處用點火熱源點著相鄰一層混合氣，爾后燃燒波自動的傳播到混合氣的其余部分?！植考訜嶙匀己忘c燃過程統(tǒng)稱之為著火過程。

自燃著火機理主要包括兩種

熱自燃機理——由于系統(tǒng)內(nèi)熱量的積累，反應(yīng)

物溫度不斷升高，反應(yīng)加快，直到著火，可用阿累尼烏斯定律和質(zhì)量作用定律解釋。

鏈鎖自燃機理——鏈的分枝使得活性中心迅速

增值，反應(yīng)不斷加快，直到著火。實際燃燒過程中，不可能是純粹的熱自燃或鏈鎖自燃存在，事實上，它們是同時存在而且是相互促進的。一般來說，在高溫下，熱自燃是著火的主要原因，而在低溫時則分枝鏈反應(yīng)是著火的主要原因。1熱自燃理論（謝苗諾夫熱力著火理論）熱自燃過程分析

放熱和散熱過程著火是反應(yīng)放熱因素和散熱因素相互作用的結(jié)果。放熱>散熱：著火成功；放熱<散熱：著火失敗。

有一體積和表面積分別為V(m3)和A(m2)的容器，其中充滿有化學(xué)均勻可燃?xì)怏w混合物，其分子濃度為CA0(1/m3)，容器的壁溫為T0(K)，單位容積內(nèi)反應(yīng)的熱效應(yīng)為q，容器內(nèi)的可燃?xì)怏w混合物正以速度w(1/m3s)在進行反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)后所放出的熱量，一部分加熱了氣體混合物，使反應(yīng)系統(tǒng)的溫度提高，另一部分則通過容器壁而傳給周圍環(huán)境。目標(biāo)：求出放熱速率Q1、散熱速率Q2的數(shù)學(xué)表達式，做出Q1、Q2隨溫度T的變化曲線，然后分析容器內(nèi)的放熱和散熱與溫度T的關(guān)系，分析熱自燃過程。（1）熱自燃溫度或著火溫度假設(shè)：容器V內(nèi)各處的混合物濃度及溫度都相同。在反應(yīng)過程中，容器內(nèi)各處的反應(yīng)速度都相同。容器的壁溫T0及外界環(huán)境的溫度，在反應(yīng)過程中保持不變。由反應(yīng)系統(tǒng)向容器壁的傳熱系數(shù)為α，且不隨溫度變化單位容積內(nèi)反應(yīng)的熱效應(yīng)q為常數(shù)。在著火溫度附近，由于反應(yīng)所引起的可燃?xì)怏w混合物濃度的改變是略而不計的。

數(shù)學(xué)模型反應(yīng)放熱速率（1）

據(jù)化學(xué)動力學(xué)知識：

其中，n為可燃混合氣總體反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)。（2）

(2)代入(1)，容器內(nèi)可燃混合氣化學(xué)反應(yīng)的放熱速率Q1為：（3）

式中——散熱系數(shù)；

——可燃混合氣溫度（是變量）；

——容器壁溫，假設(shè)=常數(shù)。（4）

容器壁的散熱速率Q2為：

（1）不同散熱條件對著火的影響（2）不同壁溫T0對著火的影響（3）不同放熱對著火的影響可燃混合物的著火溫度不僅由可燃混合物的性質(zhì)來決定，也與周圍介質(zhì)的環(huán)境溫度、換熱條件、容器的形狀和尺寸有關(guān)。著火溫度求解著火臨界點B：（1）反應(yīng)的放熱速率與向環(huán)境介質(zhì)的散熱率相等；（2）放熱率與散熱率對溫度的導(dǎo)數(shù)值相等。著火臨界條件的數(shù)學(xué)描述：（放熱速率與散熱率相等）（放熱率與散熱率對溫度的導(dǎo)數(shù)值相等）

TB對應(yīng)的自燃溫度為T0，解得TB：化簡得：得到著火的條件：物理意義：可燃混合氣的溫度如比容器壁過熱時，即時，將發(fā)生熱自燃；反之，如時，則不會引起熱自燃。

（2）熱自燃的感應(yīng)期概念：由T0自動升高到著火溫度TB需要一定的時間，這段著火前的自動加熱時間稱為熱自燃感應(yīng)期或著火延遲期。計算式：結(jié)論：著火延遲期隨混合氣壓力和自燃溫度的升高而縮短。因此，在燃燒室內(nèi)提高混合氣的壓力和溫度都會縮短燃燒自燃的著火延遲期，從而有利于混合氣的著火。內(nèi)容理論認(rèn)為，使反應(yīng)加速并不一定要靠熱量積累，也可以通過鏈鎖分支反應(yīng)而迅速增值活化中心來促使反應(yīng)不斷加速直至爆燃著火。鏈鎖分支反應(yīng)的發(fā)展條件（連鎖自燃著火條件）鏈鎖反應(yīng)的速度是否得以增長直至爆炸，取決于活化中心濃度的增大速度。212鏈鎖自燃理論活性中心濃度的變化速度：活化中心濃度的變化速度鏈引發(fā)中心的形成速度因鏈的分支而形成活性中心的速度因鏈中斷造成的活性中心毀滅的速度=+－f——分枝反應(yīng)速度常數(shù)

g——斷鏈速度常數(shù)

φ——鏈鎖分枝的實際速度常數(shù)（f、g分別與溫度，活化能以及其他因素有關(guān)）溫度對鏈鎖分支反應(yīng)速度的影響在低溫時，由于鏈的分枝速度很緩慢，而鏈的中斷速度卻很快，f<g，φ<0；隨著溫度的增高，鏈的分枝速度不斷增加而中斷速度卻幾乎沒有改變；當(dāng)溫度增加到某一數(shù)值時，剛好使鏈的分枝速度等于其中斷速度，即f=g或φ=0，則此時活化中心濃度和反應(yīng)速度均以直線規(guī)律隨時間增長,反應(yīng)是不會引起自燃的；溫度繼續(xù)增加，鏈的分枝速度大于其中斷速度，即f>g或φ>0，活化中心濃度迅速增大，引起自燃。把f=g時所對應(yīng)的預(yù)混可燃?xì)怏w的溫度稱為鏈鎖自燃溫度。著火半島現(xiàn)象實驗表明：對于一定的混合氣，在一定的溫度下，鏈的分枝速度常數(shù)f幾乎和壓力無關(guān)，可認(rèn)為是定值，鏈的中斷速度常數(shù)g卻與壓力有關(guān)著火低界限著火高界限第三界限3點燃理論強迫著火過程用熾熱的高溫物體、高溫氣體、小火焰或電火花等使混合氣的一小部分著火，形成局部的火焰核心；然后這個火焰核心再把鄰近的混合氣點燃。這樣逐層依次地引起火焰的傳播從而使整個混合氣燃燒起來。點燃和自燃的區(qū)別點燃促使化學(xué)反應(yīng)加速在混合氣的局部（火源附近）進行，自燃在整個預(yù)混可燃?xì)怏w內(nèi)進行。點燃溫度一般要比自燃溫度高得多；預(yù)混可燃?xì)怏w能否點燃不僅取決于熾熱氣體附面層內(nèi)局部預(yù)混氣體能否著火，而且取決于火焰能否在混合氣中傳播，故點燃過程要比自燃過程復(fù)雜得多，它包括局部地區(qū)的著火和火焰的傳播。常用點燃方法

熾熱物體點燃常用金屬板、柱、絲或球作為電阻，通以電流使其熾熱；亦有用熱輻射加熱耐火磚或陶瓷棒等形成各種熾熱物體在可燃混合氣中進行點火。電火花或電弧點燃利用兩只電極的空隙間高電壓放電產(chǎn)生的電火花作為點火熱源，使部分可燃?xì)庵?。工程上常用于流速較低、易燃的混合氣中，如一般的汽油發(fā)動機?；鹧纥c火將易燃物或易燃的可燃?xì)恻c燃，形成一股穩(wěn)定的小火焰，并依此作為點火源去點燃難著火的混合氣流。常用于鍋爐、燃?xì)廨啓C燃燒室中的點火。最大優(yōu)點就在于具有較大的點火能量。壓縮點燃如柴油機，利用活塞的行程將空氣壓縮到很高的壓力，使溫度超過燃料本身的自燃溫度，然后噴入霧化液體燃料。高溫氣體點燃利用高溫易燃的煙氣回流，在回流區(qū)內(nèi)加熱噴入爐內(nèi)的可燃?xì)怏w，使其著火?；驹恚菏够旌蠚獾木植渴艿酵鈦淼臒嶙饔枚怪鹑紵?。點燃理論對于不可燃?xì)怏w，當(dāng)有熾熱物體靠近時，只帶來邊界處溫升，沒有燃燒放熱帶來的溫升；對于可燃?xì)怏w，當(dāng)有熾熱物體靠近時，既有溫差帶來的溫升，又有燃燒帶來的溫升；靠近壁面處，Tw=T，反應(yīng)快，放熱多，溫升大；遠離壁面處：傳熱少，溫升?。粶囟鹊?，燃燒反應(yīng)慢，溫升小。4著火濃度界限混合比對最小點火能的影響

點火存在著一定的濃度界限和壓力極限。影響著火界限的因素壓力和濃度在一定的壓力和溫度下，可燃混合氣存在一定的著火濃度界限，超過這一范圍，混合氣不能著火。當(dāng)壓力和溫度下降時，著火濃度范圍縮小，當(dāng)壓力和溫度下降超過某一數(shù)值時，任何濃度的混合氣均不能著火。溫度提高可燃混合氣的初始溫度，對大多數(shù)可燃混合氣而言，可使著火濃度界限變寬。溫度對著火界限的影響主要反映在上限，對下限影響不大。流速在其他條件相同時，流速越大，著火范圍越小，也越不容易被點燃。實驗表明，當(dāng)可燃混合氣組成接近化學(xué)當(dāng)量比時，可以被點燃的速度最大。摻雜物當(dāng)可燃混合氣中摻入一定量的不可燃?xì)怏w后，著火范圍將變窄。如摻入過多，則無法點燃。二、預(yù)混可燃?xì)怏w的燃燒32典型預(yù)混合燃燒裝置

1預(yù)混合氣燃燒過程

某一局部區(qū)域首先著火,依靠火焰面的熱量使鄰近的預(yù)混合氣引燃，逐漸把燃燒擴展到整個混合氣范圍。在它的前方是未燃的混合氣，而在它的后方是已燃的燃燒產(chǎn)物。隨時間推移，火焰面在預(yù)混合氣中不斷向前擴展，呈現(xiàn)出火焰?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象?；鹧娴膫鞑ザx當(dāng)采用電火花或某一熾熱物體使可燃混合氣某一局部著火，形成一個薄層火焰面，則火焰面所產(chǎn)生的熱量將加熱鄰近較冷的混合氣層，使其溫度升高著火燃燒。這樣一層一層地著火、把燃燒逐漸擴展到整個混合氣，這種現(xiàn)象就稱為火焰的傳播。特點燃燒化學(xué)反應(yīng)不是在整個混合氣內(nèi)同時同時發(fā)生，而是集中在火焰面內(nèi)并逐層進行。分類

層流火焰?zhèn)鞑ズ屯牧骰鹧鎮(zhèn)鞑?42火焰及其特征和分類火焰的定義火焰是在氣相狀態(tài)下發(fā)生的燃燒的外部表現(xiàn)?；鹧娴奶卣骶哂邪l(fā)熱、發(fā)光特征；具有電離特性；具有自行傳播的特性。3層流預(yù)混火焰?zhèn)鞑セ鹧媲颁h

靜止的預(yù)混氣體用電火花或熾熱物體局部點燃后，火焰就會向四周傳播開來，形成一個球形火焰面。在火焰面的前面是未燃的預(yù)混氣體，在其后面則是溫度很高的已燃?xì)怏w——燃燒產(chǎn)物。它們的分界面是薄薄的—層火焰面，在其中進行著強烈的燃燒化學(xué)反應(yīng)，同時發(fā)出光和熱。它與鄰近地區(qū)之間存在著很大的溫度梯度與濃度梯度。這薄薄一層火焰面(一般在1mm以下)統(tǒng)稱為“火焰前鋒”或“火焰波前”或“火焰波”或“燃燒前沿”。3637火焰（正常）傳播速度火焰前鋒在其表面的法線方向上相對于新鮮混合氣的移動速度稱做“火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

設(shè)火焰面在其法線方向上的移動速度為vn，新鮮混合氣在同一法線方向上的流動速度w，則火焰?zhèn)鞑ニ俣葹榛鹧媲颁h相對管壁的相對位移有三種可能情況

火焰前鋒向氣流上游方向移動；

火焰前鋒向氣流下游方向移動；

火焰前鋒駐定不動。3839SLω點火器火焰面層流火焰?zhèn)鞑ダ碚摕崃碚摶鹧嬷谢瘜W(xué)反應(yīng)主要是由于熱量的導(dǎo)入使分子熱活化而引起的，所以化學(xué)反應(yīng)區(qū)(火焰前鋒)在空間中的移動將決定于從反應(yīng)區(qū)向新鮮預(yù)混氣體傳熱的導(dǎo)熱率。熱力理論并不否認(rèn)火焰中有活化中心存在和擴散．但認(rèn)為在一般燃燒過程中活化中心對化學(xué)反應(yīng)速度的影響不是主要的。擴散理論火焰中的化學(xué)反應(yīng)主要是由于活化中心向新鮮預(yù)混氣體分散，促進其鏈鎖反應(yīng)發(fā)展所致。40火焰前鋒特點區(qū)域很窄溫度和濃度變化很大化學(xué)反應(yīng)區(qū)或燃燒區(qū)反應(yīng)速度、溫度和活化中心的濃度最大將未燃?xì)怏w與燃燒產(chǎn)物隔離開41火焰?zhèn)鞑ニ俣韧茖?dǎo)從上式可看出：SL與預(yù)混可燃?xì)怏w的熱擴散系數(shù)a的平方根成正比，與平均化學(xué)反應(yīng)時間的平方根成反比。SL只取決于預(yù)混可燃?xì)怏w的物理化學(xué)性質(zhì)，是物性參數(shù)。火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱?，火焰前鋒厚度越小。42本生燈錐形火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L的確定(1)本生燈原理燃?xì)?、空氣混合，形成均勻可燃混合氣。點燃后，形成穩(wěn)定的錐體形層流火焰

α>1內(nèi)錐為藍色預(yù)混焰錐，外錐為紫紅色燃燒產(chǎn)物火焰

α<1內(nèi)錐為藍色預(yù)混火焰，外錐變?yōu)辄S色擴散火43(2)通過測量內(nèi)錐的層流預(yù)混火焰錐測定火焰?zhèn)鞑ニ俣确€(wěn)定狀態(tài)下，燈口流出可燃混合氣量與整個內(nèi)錐焰面上燃燒掉的氣量相等f——燈口出口截面積m2F——火焰內(nèi)錐表面積m2

ω——燈口出口處平均流速m/s幾何關(guān)系44設(shè)管內(nèi)可燃混合氣的流量為qV(m3/s),本生燈錐形火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L(m/s)可見，只要測得火焰內(nèi)錐的高度h、管半徑r和流量qV，就可求得SL。4546可燃混合氣性質(zhì)的影響導(dǎo)溫系數(shù)a，燃燒溫度Tf和化學(xué)反應(yīng)速度W的增大．都會使層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L值增大。燃料結(jié)構(gòu)的影響飽和烴的火焰?zhèn)鞑ニ俣葞缀跖c燃料分子中碳原子數(shù)Nc無關(guān)，不飽和烴的SL隨著碳原子數(shù)Nc增多而減小，當(dāng)Nc從1增大到4的范圍，SL值快速減小；當(dāng)Nc超過4以后，則其減小速度變得緩慢；而當(dāng)Nc＞8后，則趨于極限值。烴類越是不飽和，其火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L就越大。47影響層流火焰?zhèn)鞑ニ俣戎饕蛩乜扇蓟旌蠚饨M成的影響大多數(shù)可燃混合氣其最大火焰?zhèn)鞑ニ俣萐Lmax均對應(yīng)于化學(xué)當(dāng)量比計算的混合氣組成。但以空氣作為氧化劑的可燃混合氣的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葏s在α略小于1處，一般碳?xì)淙剂系腟Lmax值都在α≈0.96左右處，且該值不隨壓力與溫度改變?？扇蓟旌蠚鈮毫Φ挠绊憣W(xué)者劉易斯根據(jù)實驗結(jié)果，得出火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力的關(guān)系為48當(dāng)火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低時，即SL<0.5m/s,因n<0，隨著壓力的下降，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃螅划?dāng)0.5<SL<1.0m/s,因n=0，火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c壓力無關(guān)；當(dāng)SL>1.0m/s,因n>0，時，則火焰?zhèn)鞑ニ俣入S著壓力的增大而增大?？扇蓟旌蠚獬跏紲囟鹊挠绊懱岣呖扇蓟旌蠚獬跏紲囟?，可以促進化學(xué)反應(yīng)速度，增大火焰?zhèn)鞑ニ俣?950可燃混合氣中惰性氣體的影響惰性氣體一方面直接影響燃燒溫度，進而影響燃燒速度；另一方面通過影響可燃混合氣的物理性質(zhì)來影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?。實驗表明，?dāng)不可燃?xì)怏w摻入可燃?xì)庵?，將使SL減小，可燃界限縮小，并使向燃料濃度較小的方向轉(zhuǎn)移。51湍流火焰與層流火焰的區(qū)別火焰表面形狀：層流火焰，有很薄一層光滑整齊而外形清晰的火焰焰鋒錐面；但湍流火焰輪廓比較模糊，火焰焰峰面彎曲皺折，閃動，火焰長度也顯著地縮短，同時還伴有一定的噪聲。火焰前沿厚度：層流火焰前鋒很?。ㄊ种畮谆虬俜种畮缀撩祝牧骰鹧媲颁h相當(dāng)厚（幾個毫米）；傳播速度：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣却蟮亩啵ㄊ菍恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊暮脦妆渡踔翈装俦叮?2二、湍流預(yù)混火焰?zhèn)鞑ネ牧骰鹧媾c層流火焰的區(qū)別

湍流火焰與層流火焰的區(qū)別

火焰面的熱量和活性中心向未燃混合氣輸運：層流火焰是通過熱傳導(dǎo)和分子擴散使火焰?zhèn)鞑ハ氯?。而湍流火焰是靠流體的渦團運動來激發(fā)和強化，受流體運動狀態(tài)所支配?；鹧娴娜紵齾^(qū)域：湍流火焰的燃燒不僅在火焰前鋒表面進行，還在前鋒的背后或燃燒區(qū)進行；燃燒的激烈程度：湍流火焰比層流火焰燃燒更激烈；燃燒放熱率：湍流火焰的燃燒放熱率比層流火焰大的多。湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟮脑蚪忉尷碚摪櫿郾砻嫒紵碚撏牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣人暂^層流為大，主要是由于湍流的脈動作用使平面形層流火焰前鋒發(fā)生彎曲、皺折變形，增大了已然氣體和未燃?xì)怏w相接觸的焰鋒表面積，雖然單位表面積上所燃燒的氣體量不變，但單位時間內(nèi)燃燒的總氣體量由于火焰前鋒面積增大而增大，但層流火焰前鋒的基本結(jié)構(gòu)并不改變。54湍流特性參數(shù)：流體微團的平均脈動速度與主流速度之比。在湍流中不規(guī)則運動的流體微團的平均尺寸；或渦團在無規(guī)則運動中，保持自由前進而不與其他渦團碰撞的距離；或湍流微團在消失前所經(jīng)過的平均距離湍流尺度L：湍流強度：湍流火焰現(xiàn)象分類湍流火焰小尺度湍流火焰（）大尺度湍流火焰（）大尺度弱湍流火焰大尺度強湍流火焰強湍流火焰（）弱湍流火焰（）（湍流尺度）（湍流強度）小尺度湍流火焰小尺度湍流火焰條件流體微團的平均尺寸LT<層流火焰面厚度δL

現(xiàn)象

–

能夠保持規(guī)則的火焰鋒面

–

湍流火焰面厚度δΤ>層流火焰面厚度δL

特點小尺度湍流火焰只是增強了物質(zhì)的輸運特性，從而使熱量和活性粒子的傳輸加速，而在其他方面沒有什么影響未燃?xì)馑矔r速度分布火焰面大尺度弱湍流火焰條件

–

流體微團的平均尺寸LT>

層流火焰面厚度δL

–

脈動速度w’<層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L

現(xiàn)象

–

火焰鋒面扭曲

–

火焰鋒面未被吹破瞬時火焰?zhèn)鞑シ较蛭慈細(xì)馑矔r速度分布瞬時火焰面形狀大尺度強湍流火焰條件

–

流體微團的平均尺寸LT>

層流火焰面厚度δL

–

脈動速度w’>層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L

現(xiàn)象不存在連續(xù)的火焰面(微擴散)容積燃燒理論湍流對燃燒的影響是以微擴散作用為主。由于微擴散進行得極其迅速，以致在氣團中不可能維持層流火焰面的結(jié)構(gòu)。氣團內(nèi)溫度和濃度分布在其存在時間內(nèi)是均勻的，但不同的氣團中濃度和溫度不同，因而在整個氣團容積內(nèi)所進行的化學(xué)反應(yīng)程度也不同：有的達到著火條件就整體一起發(fā)生劇烈反應(yīng)；有的還未達到著火條件，就不斷地向周圍做脈動擴散而消失，并形成新的組成氣團。強調(diào)：燃燒產(chǎn)物和可燃?xì)怏w強烈混合的一面60影響ST的因素脈動速度ω′和SL實驗公式隨著ω′和SL的增大而增大。湍流尺度

在大尺度湍流下，湍流尺度與ST無關(guān)。可燃混合氣的性質(zhì)與組成

混合氣的性質(zhì)和組成對ω′沒有影響，主要是對SL的影響，進而影響ST。ST的最大值一般位于化學(xué)當(dāng)量比的點，且隨著氣流雷諾數(shù)的增大向著富燃料方向轉(zhuǎn)移。61溫度

溫度在很大范圍內(nèi)對ω′無影響，主要是對SL的影響，進而影響ST。隨著溫度的提高，ST增大。壓力

壓力對ω′和SL都有影響，進而影響ST。由實驗得則隨著壓力的下降，ST減小。62影響δT的因素湍流參數(shù)和SL增大氣流平均速度ω將使δT增大，增大SL和ε使δT減小。溫度實驗得溫度升高，δT減小。壓力壓力增加，δT減小。但在低溫時，壓力下降對的影響要大于在高溫時的影響。63三、均相預(yù)混氣體火焰的穩(wěn)定一、回火和脫火

設(shè)在如圖所示的管道中，新鮮可燃混合氣以等速度w向前運動，火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L。若，則所形成的火焰前鋒就會穩(wěn)定在管道內(nèi)某一位置上，如圖（a）所示。若

，火焰前鋒位置就會向著可燃混合氣的上游移動，如圖（b）所示。這種情況叫做“回火”。若

，火焰前鋒位置就會向著可燃混合氣的下游移動而被氣流吹走，如圖（c）所示。這種情況叫做“脫火”。64（a）穩(wěn)定65回火危害回火破壞了空氣的吸收，造成不完全燃燒，影響燃燒的穩(wěn)定工作，同時還會引起爆鳴和噪音。若在燃燒器混合管內(nèi)燃燒，有可能把鋼制混合裝置燒的變形，鑄鐵混合裝置炸出裂縫。當(dāng)幾個燃燒器共用一個混合器，且燃空混合物管道容積又很大時，若回火就有可能發(fā)生爆炸?；鼗鸢l(fā)生的原因一次空氣系數(shù)大小影響，一般穩(wěn)定燃燒時，大氣式燃燒器α1=0.4~0.8，無焰燃燒器α1約為1.05。燃?xì)獾男再|(zhì)、燃燒形式和燃燒器結(jié)構(gòu)不同，α1也不同。因為火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c可燃混合氣體中的可燃?xì)怏w含量有關(guān)，而火焰?zhèn)鞑ニ俣仁怯绊懟鼗鸬囊粋€主要因素，理論上一次空氣系數(shù)為1時，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆?6燃?xì)庖豢諝饣旌衔锿ㄟ^火孔的速度大小的影響，如由于燃燒器在低負(fù)荷下運行，燃燒系統(tǒng)壓力下降，或燃燒器火孔堵塞等原因使可燃混合氣體出火孔速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，產(chǎn)生回火。氣流在混合管內(nèi)流動發(fā)生振動，而在燃燒室內(nèi)燃燒也發(fā)生振動，當(dāng)混合氣體在混合管內(nèi)的脈沖頻率與其燃燒室的脈沖頻率相等時，將會產(chǎn)生共振。共振一方面產(chǎn)生噪音，另一方面則加劇燃燒道的脈沖，也可能引起回火。67燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或混合管內(nèi)結(jié)垢、結(jié)冰等原因，而使速度場不均勻或各火孔流速差別很大，這時，即使預(yù)混可燃?xì)怏w出火孔的平均流速比火焰?zhèn)鞑ニ俣却蠛芏?，但在局部地方或一部分火孔處流速仍可能低于火焰?zhèn)鞑ニ俣榷鸹鼗?。燃燒器頭部加熱情況的影響，如燃燒器頭部冷卻不好，燃?xì)庖豢諝饣旌衔餃囟壬撸鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣燃涌煲鸹鼗?。脫火危害將使燃燒器不穩(wěn)定，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致單只燃燒器或爐膛熄火。68爐溫越高，

SL越大，越易產(chǎn)生回火低負(fù)荷運行時，爐溫偏低，越易產(chǎn)生脫火二、火焰穩(wěn)定存在的條件火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L應(yīng)與垂直于焰鋒表面的氣流法向分速相平衡，即或必須具備一個固定的點火源，且該點火源應(yīng)具有足夠的強度。69三、工程上預(yù)防火焰回火的措施利用引燃火焰（或稱值班火焰）高速氣流下火焰不穩(wěn)定的基本原因是在火焰根部沒有穩(wěn)定點火源，最直接的辦法是設(shè)法在火焰根部處人為地設(shè)置一個固定的點火源，即引燃火焰。原理：把熾熱的燃?xì)饬魃淙肱c其流速不同的、冷的新鮮可燃混合氣流中，在兩股氣流的邊界處，進行強烈的熱量和質(zhì)量交換，使冷的未燃混合氣溫度升高，反應(yīng)速度加快，而達到著火燃燒。。嫣然火焰的燃?xì)饬靠梢赃_到主噴嘴的20-30%。70（a）圖在噴口外面加一同心套管，夾層內(nèi)通一低速的預(yù)混氣體，點燃后作為引燃火焰。（b）圖是一種引燃火焰和凹槽相結(jié)合的穩(wěn)定火焰的噴嘴。71利用鈍體（障礙物，非流線體）利用氣流流過鈍體在其后形成穩(wěn)定的回流區(qū)，利用回流區(qū)中高溫燃?xì)獾幕亓髯詣拥靥峁c燃新鮮可燃混合氣所必需的能量。72利用V型鈍體穩(wěn)定火焰7374利用氣流的旋轉(zhuǎn)利用逆向噴流利用燃燒室壁凹槽利用帶孔圓筒利用流線形物體流線體：前圓后尖，表面光滑、略像水滴的形狀，這樣的物體在流體中運動時所受到的阻力最小。利用激波7576777879火焰穩(wěn)定器在燃燒技術(shù)中，凡用來穩(wěn)定火焰的物體或裝置一般通稱為火焰穩(wěn)定器。工作原理：使部分已燃高溫燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生回流運動作為具有自動補償能力的持續(xù)點火源，以不斷點燃新鮮未燃的可燃混合物，從而達到穩(wěn)定火焰的目的。805.3氣體燃料的擴散燃燒擴散燃燒與動力燃燒

氣體燃料燃燒所需的全部時間通常包括兩部分：氣體燃料與空氣混合所需時間和燃燒反應(yīng)所需時間。擴散燃燒或擴散火焰動力燃燒或動力火焰擴散－動力燃燒一、燃燒過程中的射流特性及其混合過程射流分類根據(jù)射流噴嘴：平面射流與圓形射流根據(jù)射流結(jié)構(gòu)：直流射流與旋轉(zhuǎn)射流平行射流與相交射流環(huán)形射流與同軸射流根據(jù)射流環(huán)境：自由射流與受限射流根據(jù)射流流動：層流射流與湍流射流平面自由射流氣流由噴口射入充滿靜止空氣且不受約束空間時的流動速度差、粘性湍流漩渦湍流擴散動量、質(zhì)量交換基本段段外邊界流速為0射流極點擴展角α初始段自模段過渡段過渡段初始段自模段(充分發(fā)展段)A－B－C為射流核心，核心區(qū)內(nèi)速度、濃度等與出口處相同，長度約4~5d0x/d0＞8~10，射流的無因次參數(shù)分布與x/d0無關(guān)。初始段與自模段之間，可忽略。射流的擴展角α射流速度變化規(guī)律、核心區(qū)(勢流核心)的形狀以及速度分布的規(guī)律都是相似的x0射流極點至噴口的距離，mR0

噴口半徑，ma湍流系數(shù)，與氣流湍流程度及噴口處速度場分布均勻性有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，對于圓形噴口，a＝0.07~0.076，a約為28o，初始段長度約為R0的8.8~9.6倍圓形噴口：在射流的充分發(fā)展區(qū)，軸向流速的徑向分布具有相似性。自由射流軸向速度的徑向分布規(guī)律：自由射流軸向濃度的徑向分布規(guī)律：該噴口的特征尺寸直徑為矩形的短邊長度2b0扁矩形噴口：射流的擴展角α較小，各項參數(shù)沿軸向變化較慢x0射流極點至噴口的距離，mb0

噴口短邊長度，mxch初始段長度，ma湍流系數(shù)，與氣流湍流程度及噴口處速度場分布均勻性有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，對于扁矩形噴口，a＝0.1~0.12扁矩形噴口：自由射流軸向速度um分布規(guī)律：自由射流軸向速度的徑向分布規(guī)律：扁矩形噴口：自由射流軸向濃度的徑向分布規(guī)律：自由射流軸向濃度Cm分布規(guī)律：同向平行流中的自由射流射流的擴展單股射流射入與其同向平行流動的主氣流中軸線上流體軸向速度的衰減核心區(qū)長度射流與周圍氣流之間的速度梯度ωw逐漸變大混合速度減慢ω0=ωw混合速度很慢ω0>ωwω0<ωw混合速度變快射流與外流間的速度梯度減小，混合減緩，射流張角、速度及濃度沿軸向的變化率隨之減小。射流出口附近混合區(qū)中軸向速度的分布公式：r1與r2分別為混合區(qū)的內(nèi)半徑與外半徑ω0

射流出口速度ωw

外圍流體速度多股平行射流基本段初始段過渡段過渡段的大小和平行射流組中相鄰噴口之間的距離有關(guān)多股平行射流基本段中速度場仍服從自由射流的速度分布規(guī)律由多個平行排列的噴口同向噴出射流而形成的平行射流組當(dāng)多股平行射流存在時，由于每股射流彼此之間的相互影響，射流之間形成較為強烈的漩渦區(qū)，使得多股射流的湍流脈動比自由射流大。所以多股射流與單股射流相比，具有如下的特點：多股平行射流初始段長度比單股射流流程短，約小30%左右；由于邊界層的增厚主要與橫向脈動速度成正比，所以混合區(qū)厚度比單股大交叉射流以某一角度與主流相交的射流為交叉射流射流在主流中的穿透深度射流和主流的混合情況或者兩股射流以一定角度交叉噴出形成交叉射流強化混合在兩股交叉射流匯合前存在回流區(qū)，其大小和強度由a0和θ0決定交叉射流的匯合點至噴口的距離xj隨角度θ0的減小而增大，同時在一定的噴口尺寸b0下，將隨a0的增大而增大。交叉射流匯合點xj交叉射流主流方向上速度衰減規(guī)律：匯合點之前，射流速度逐漸降低匯合點附近，射流速度有所增大，匯合點位置xj與噴口間距a0和角度θ0有關(guān)匯合點后不遠處，射流速度開始衰減，其衰減規(guī)律類似于自由射流環(huán)狀射流有鈍體的直流燃燒器低壓回流區(qū)低壓回流區(qū)同軸射流軸向直流燃燒器環(huán)形射流和同軸射流可分為兩個具有不同流動特性的區(qū)域：①噴嘴出口8~10d0后的充分發(fā)展區(qū)，流動特性類似于圓截面軸對稱的自由射流；②噴口附近區(qū)域。對于環(huán)形射流，該區(qū)域存在反向回流區(qū)；對同軸射流，在中心射流和環(huán)形射流的交界面尾跡中存在回流區(qū)?；亓鲄^(qū)大小、回流速度及回流量，影響著火穩(wěn)定性及氣流混合。環(huán)狀射流對中心射流的影響隨著的增大，中心射流勢核長度（初始段長度）越來越小，中心射流速度衰減越來越快中心射流對環(huán)狀射流的影響隨著的減小，即中心圓截面速度的增大，環(huán)狀射流勢核長度越來越小，環(huán)狀射流速度衰減越來越快環(huán)縫寬度

射流長度為爐膛2/3～3/4卷吸量越大，射程越小卷吸量越小，射程越遠由實驗確定對于難以燃燒的貧煤和無煙煤來說環(huán)狀射流速率大，中心射流速率小，衰減快，從而在中心射流噴口處形成了一個較大的回流區(qū)，使得無煙煤易于達到它的著火溫度，從而易于著火對于易于燃燒的煙煤來說中心射流速率大，環(huán)狀射流速率小，從而在環(huán)狀射流噴口處形成回流區(qū)，促進混合，并降低了中心射流噴口處的溫度，防止燒壞噴嘴旋轉(zhuǎn)射流---簡介徑向和軸向壓力梯度軸向壓力梯度增大流體軸向倒流，形成回流區(qū)旋轉(zhuǎn)射流---特點①旋轉(zhuǎn)射流具有內(nèi)回流區(qū)和外回流區(qū)，擴展角比較大，相對直流射流而言，旋轉(zhuǎn)射流卷吸周圍介質(zhì)的能力強，可以依靠自身的回流區(qū)保持穩(wěn)定著火。②旋轉(zhuǎn)射流出口處速度高，由軸向、徑向和切向速度組成，氣流的早期混合強烈。③切向速度衰減很迅速，氣流旋轉(zhuǎn)效應(yīng)消失較快，因此后期混合較弱。④旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度衰減也較快，因此射流射程較短。旋轉(zhuǎn)射流---自由漩渦位能旋渦：靠流體內(nèi)部位能變化(靜壓或水位差)而形成的旋渦自由旋渦：無外加扭矩作用、理想流體、無摩擦損耗、漩渦不同半徑上的動量矩守恒旋轉(zhuǎn)射流---自由漩渦自由旋渦的特點：切線速度v0與半徑成反比流線雖然是同心圓，但是各流體微團并沒有繞其自身軸線自轉(zhuǎn)運動(不包括渦心)，而是一種無旋圓周運動，即各流體微團的旋度為零。旋轉(zhuǎn)射流---旋流強度旋流強度火焰長度燃燒強度火焰穩(wěn)定性Gθ

旋轉(zhuǎn)射流相對與軸線的角動量(旋轉(zhuǎn)動量矩)R定性尺寸，旋流半徑Mx旋轉(zhuǎn)射流的軸向擴張角、回流區(qū)大小※※※旋流強度僅與旋流器結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)旋轉(zhuǎn)射流---旋流射流流場