1、第五章 气体燃料燃烧 第一节 扩散火焰与预混火焰 概述 根据燃气是否预混空气可将燃烧方式分为：扩散燃烧形成扩散燃烧火焰 动力燃烧(预混燃烧) 形成动力燃烧火焰(预混火焰) 按照由于气体介质流速引起的流态的不同，火焰还可分为：层流燃烧火焰湍流燃烧火焰 一、燃烧方式与火焰结构 气体燃料燃烧所需的全部时间 tchmixttttmix 气体燃料与空气混合所需的时间 tch 燃料氧化的化学反应时间 气体燃料燃烧所需的全部时间 tchmixttt若tmix tch，则t 近似地等于扩散混合时间，即t tmix 扩散燃烧 TMmix111ttttM、tT 分子扩散、湍流扩散时间 燃烧方式与火焰形状燃烧方式与
2、火焰形状a) 动力燃烧(预混)火焰 b) 部分预混火焰 c) 扩散燃烧火焰二、气体燃料的预混燃烧 火焰形状随a1的变化情况 a) a10 b) 0a10.3 c) 0.3a11.0 d) a11.2部分预混燃烧或半预混燃烧全预混燃烧 火焰性质随a1的变化情况(1) a10扩散火焰(2) 0a11.0部分预混燃烧或半预混燃烧 (3) a11.0全预混燃烧 1. 层流预混火焰传播与火焰结构 静止可燃混合气中层流火焰的传播(1) 静止可燃混合气中层流火焰的传播I： 未燃的预混可燃混合气II：高温燃烧产物B：点火源(火焰中心)A：球形火焰面d：火焰前锋(前沿)厚度wL(2) 可燃混合气流动时的火焰传播
3、 可燃混合气流动时的火焰传播 可燃混合气以速度w0流动，点火后所形成的火焰面向可 燃混合气来流方向传播 火焰的位置应该稳定，火焰前锋应驻定而不移动 wLw0对于传播速度为vL的层流火焰，火焰的绝对速度Dv为： L0wwwD可见，火焰前锋相对于管壁的位移有三种可能的情况： 0Dw0Dw0Dw1) 若w0 wL，即 ，火焰面将被气流吹向下游3) 若w0 wL，即 ，火焰面将驻定不动，即火焰稳定层流预混火焰的形状(近正锥形火焰锋) (3) 典型的稳定层流火焰前锋 层流本生灯火焰 管口处为稳定的近正锥形 火焰前锋(内焰) (4) 典型的稳定层流火焰前锋 管内层流火焰 管内层流火焰传播：倒锥形火焰焰锋
4、层流火焰在管道内传播， 焰锋呈抛物线型 若在管内的层流预混可燃 混合气中安装火焰稳定器，则会形成倒锥形焰锋 燃烧器喷口处层流预混火焰示意图 (5) 燃烧器喷口预混火焰稳定性及其结构 工程中要求预混火焰稳定在燃烧器喷口 附近，形成稳定的圆锥形火焰锋面 为保证火焰驻定在喷口处，火焰面上各点 wL应等于焰面法线方向上的气流速度w0 w0与可燃混合气喷出速度w之间的关系 L0sincoswwwwGouyMichelson定律(余弦定律 )w0wL 火焰锥体的高度(火焰长度)l火焰锥表面微元面在高度方向上的投影为dl，在径向上的投影为dr，则由几何关系可得 rlddtan 2dd11cosrlL0 si
5、ncoswwww 1dd2L wwrl假定：正锥体火焰，底面半径等于喷口半径r0； wL为常量，与r无关； 气流速度w取为喷口断面的平均流速w12L0 wwrl12L200 wrqrlV可见，层流预混火焰长度随着可燃混合气喷出速度或喷口管 径的增大而增大，却随着火焰传播速度的增大而减小 结论：1) 当燃烧器喷口尺寸和可燃混合气成分一定时，若增大 流量qV，则将使火焰长度l增大；2) 在喷口尺寸和流量相同的情况下，火焰传播速度较大 的可燃混合气(例如H2)的燃烧火焰，要比火焰传播速 度较小的(例如CO)要短。12L0 wwrl12L200 wrqrlV2. 火焰的稳定性 L0 sincoswww
6、w 当喷出速度w变化时，火焰面可通过改变角，维持火焰稳定 w增大，角也增大( 角减小)。如果角直到增大至接近90 也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将 被吹离喷口。此时，火焰可能出现3种现象1) 离焰 2) 吹熄 3) 脱火(吹脱) w减小，角也减小( 角增大)。如果角直到减小至接近0 也无法满足余弦定律，则火焰面无法继续保持稳定，火焰将 缩入喷口内，出现回火三、气体燃料的扩散燃烧 扩散火焰的形式 按燃料和空气供入的不同方式， 扩散燃烧可有3种形式 a) 自由射流扩散燃烧b) 同轴射流扩散燃烧c) 逆向射流扩散燃烧 按照射流的流动状况可分为 层流扩散燃烧和湍流扩散燃烧 1. 层
7、流扩散燃烧和火焰结构特点： 燃气喷出速度低，气流处于层流状态，燃气和空气的混 合依靠分子的扩散作用进行 燃烧速度取决于气体扩散速度 扩散火焰厚度很薄，可视作焰面 焰面各处的燃气与空气按化学当量比进行反应，焰面保 持稳定 层流扩散火焰的结构 层流扩散火焰分为四个区域：1) 中心的纯燃料区2) 外围的纯空气区3) 火焰面外侧的燃烧产物和 空气的混合区4) 火焰面内侧的燃烧产物和 燃料的混合区 火焰锥某一横截面aa上燃料、 空气及燃烧产物的浓度分布 实际扩散火焰的特点 实际扩散火焰中的温度和浓度分布2. 层流扩散火焰结构的分析 层流扩散燃烧系统： 气体燃料和空气以相同速度 分别由环形喷管的内管(r1
8、) 与外环管(r2)喷入燃烧室， 形成同轴射流扩散燃烧 层流扩散燃烧的火焰形状1空气过剩时2燃气过剩时扩散火焰外形有两种类型： 类型1呈封闭收敛状的锥形 扩散火焰(曲线1) 类型2呈扩散的倒喇叭形火 焰(曲线2) 取决于燃料与空气的混合浓度 l1l2层流扩散燃烧火焰结构模型 圆柱坐标系(r, z)中的扩散方程 rcrrrzcDc122tc 可燃混合气浓度 D 质扩散系数w 可燃混合气流速 t 时间zcwzzccttrcrrrzcwDzc122对于稳态扩散过程：假定 rcrrrzc122(沿z轴气流的扩散传递忽略不计) rcrrcwDzc122 描述层流扩散火焰的微分方程式 边界条件： (1)
9、当z0及0rr1时，cc1(内管喷出燃气的初始浓度)(2) 当z0及r1rr2时，cc2(外环管喷出氧气的初始浓度)(3) 当z0及r0和 rr2时，c/r0 同轴射流扩散火焰中可燃混合气浓度的表达式 12220011220122210exp()()(12 zwDrJrJrJrcricrrcciccc210i 1 mol 燃气完全燃烧时所需要的氧量J1、J0 一阶、零阶第一类贝塞尔函数 r2 J1的正零点，即J1( r2)0的特征根w 可燃混合气的流速(假定燃气和空气的流速相等)对于扩散火焰，火焰前锋面上燃气与空气完全反应，c0 描述火焰前锋形状的方程式 22exp()()(110122212
10、220011 rcircrEEzwDrJrJrJ可见：当燃烧器喷口尺寸及工质一定时，E为常数，上式可用 以预测火焰前锋的形状 扩散火焰长度 DqDrrwlDqDrwlVVa212a2f21f1)(wf、wa 燃气、空气的流速qVf、qVa 燃气、空气的体积流量可见，层流扩散火焰长度与气流流速或燃料的体积流量qVf及 燃烧器喷口半径的平方成正比，与质扩散系数D成反比 燃料一定时，D不变且喷口尺寸也一定时，火焰长度将 随着气流速度的增大而成比例地增大 霍特尔(H. C. Hottel)和郝索恩(W. R. Hawthorne)的实验结果 (“火焰全长”曲线的前半段，即 的部分) 1fsm 15w煤
11、气喷出速度对火焰长度的影响 层流扩散燃烧火焰长度与雷诺数Re的关系 DqDrwlVf21f1Drwrl1f11对于层流扩散燃烧，可假定D运动粘度n，则有Rerl11可见，扩散燃烧火焰长度随雷诺数Re的增大近似成比例地增大 当qVf一定时，不论喷口尺寸的大小，火焰长度均相同 火焰长度的实验测量(5种不同尺寸的同心套管烧嘴，煤气和 空气分别从内管和外管以不同的流速垂直向上喷入炉内) 同轴射流扩散燃烧火焰长度的实验测定结果(Rewf df/nf，wf煤气流速)1Re1500；2Re2300；3Re3000；4Re4500a) 烧嘴I、II、III实验结果b) 烧嘴IV、V实验结果由实验数据，可确定火
12、焰长度的实验公式： 3300fffndwRe当 时，为层流扩散火焰，则 aff21fff016000850084)bw(.)dw(.d)dw(l1smwf、wa 煤气、空气的喷出速度， ；df 煤气喷口直径，cm；b 空气环状喷口的宽度，为外管内径和内管外径之差 的一半，cm；l 火焰长度，cm。3300fffndwRe当 时，煤气流动开始进入层流向湍流的过渡区，已不是层流扩散火焰，则 aff21fff008001610)bw(.)dw(.d)dw(l1smwf、wa 煤气、空气的喷出速度， ；df 煤气喷口直径，cm；b 空气环状喷口的宽度，为外管内径和内管外径之差 的一半，cm；l 火焰长
13、度，cm。 湍流扩散燃烧火焰长度特点：在湍流扩散火焰中，燃气与氧化剂的混合是靠湍流 交换效应来实现的； 混合速度较快，火焰长度必然有所缩短。 湍流扩散燃烧的火焰长度lT：T2TDwrl w 燃气流速r 燃烧器喷口半径DT 平均湍流扩散率 lDTwrl 由于湍流扩散率DT与湍流强度和湍流尺度l的乘积成正比，即，且 ，rwrwrlwrDwrl22T2TT2TDwrl 可见，湍流扩散燃烧的火焰长度与燃气的流速无关，仅与燃 烧器喷口的尺寸成正比因此，对于湍流扩散燃烧过程，可采用多个小管径的燃烧器， 达到缩短燃烧火焰长度、提高燃烧热强度的目的 3. 扩散火焰的稳定性 扩散燃烧的特点： 燃气和空气未经预先
14、混合，一次空气系数a10 燃气由喷口喷出后方与周围空气进行混合和燃烧 燃气与空气的混合随着燃气由喷口喷出速度的增大而增强 喷口内无空气，火焰不可能缩入喷口内，不存在回火问题 回火：可燃混合气喷出速度小于火焰传播速度时，火焰缩回 喷口内燃烧扩散燃烧的稳定性问题主要是离焰、吹熄和脱火 离焰 燃气喷出速度增大至一定数值时，火焰即脱离 喷口，在其上方呈悬举状态 脱火 若燃气喷出速度继续增大，火焰离开喷口的距 离也增大，火焰锥随之缩小，火焰随之熄灭 吹熄 燃气喷出速度过高，火焰吹离喷口而熄灭第二节 火焰稳定的原理和方法 概述 燃烧装置要求： 保证燃料顺利着火 着火后形成稳定火焰，不出现离焰、吹熄、脱火、
15、回火等 问题，具有稳定的燃烧过程 火焰稳定分为两种： 低速气流情况下的火焰稳定，包括回火、脱火、吹熄等 高速气流下的火焰稳定一、火焰稳定的基本条件 1. 一维管流火焰的稳定 若wL与w相等，火焰前锋则会 稳定在管道内某一位置上 若wL w，火焰前锋位置则会 一直向可燃物的上游方向移 动，从而发生回火 如果wL w，回火c) wL w，脱火 wLwLwL 一维管流火焰的稳定的基本条件 Lww即：要求火焰前锋稳定在某一位置上不动，火焰传播速度 与可燃混合气的流动速度两者方向相反，但大小相等 在管内传播的火焰前锋实际形状 实际管内流速并不均匀，而是呈抛物面分布，故其火焰前锋呈抛物面状 火焰稳定的条件
16、： nLww wn 垂直于焰锋表面的法向分速wL2. 预混火焰稳定的特征和条件 预混火焰的稳定 预混火焰前锋的外形特征： 火焰顶部呈圆角形，而不 是尖锥形； 火焰根部不与喷口相重合， 存在一个向外突出的区域， 且靠近壁面处有一段无火 焰区域(静区或熄火区)。 wLwL预混火焰的稳定 切向分速wt的存在是使火焰前锋沿其切线方向(AB)移动 法向分速wn则使火焰前锋沿其法向移动(NN)。 为了维持火焰前锋的稳定， 使其空间位置不动，则务 必设法平衡wt和wn两个速 度分量的影响 wLwLwL(1) 平衡法向分速wn 使火焰前锋不致沿NN方向移动 的必要条件(满足余弦定律 ) cos nLwww90
17、0 0，即气流速度垂直于火焰前锋， 则为平面火焰，实际上极不稳定 90，气流速度平行于火焰前锋， vL0，实际上不可能出现的情况 随着气流速度w的增大，为维持火焰 的稳定，火焰会变得细长( 角增大)；当w减小时，火焰 则会变短(角减小) w发生变化时，火焰前锋会调整形状而在新的条件下稳定 wL(2) 切向分速wt对火焰前锋位置移动的影响(AB方向) 当w增大时，wt 增大，使火焰前锋表面 上的质点向前移动 为保证火焰的稳定，必须有另一质点 补充到被移动点的位置 火焰前锋根部的质点则将被新鲜气流 带走，从而使火焰被吹走 火焰的吹熄 wLwL 因此，为避免火焰被吹走，在火焰的根部必须具有一个固 定
18、的点火源，不断地点燃火焰根部附近新鲜可燃混合气， 以补充在根部被气流带走的质点 点火源应具有足够的能量，否则无法保证火焰稳定 结论：为了确保气流中的火焰稳定，必须具备两个基本条件：1) 火焰传播速度wL应与可燃混合气在火焰前锋法线方向上的 分速度wn相等，即满足余弦定律；2) 在火焰的根部必须有一个固定的点火源，且该点火源应具 有足够的能量。二、火焰稳定机理 点火圈的形成机理 (1) 预混火焰管口上方附近点火环或点火圈形成机理 wLwLwLwLwLwL(2) 回火和脱火的临界条件 伯纳德刘易斯(B. Lewis)和京特冯埃尔贝(G. von Elbe)火焰稳定理论 火焰稳定条件：气流速度和燃烧
19、速度在稳定点处的梯度相等 管内气流速度分布符合层流的抛物线分布规律 20201rrww 流经喷口的预混可燃气体体积流量 20002 d20 rwrrwqrV00ddddLrrrrrwrw 火焰稳定在喷口处且不发生回火的条件为 4dddd30L00rqrwrwVrrrr 不发生回火或脱火的临界条件(边界速度梯度)为 增大qV和减小r0，均使边界速度梯度加大，减少回火可能性 如果流量一定，则燃烧器喷口尺寸越大，越容易回火 为了不发生回火， qV必须与r0的三次方成正比地增加 脱火的条件也一样，只是在数值上更大一些 临界边界速度梯度与浓度关系 (3) 回火和脱火临界条件的 实验结果 燃料的浓度越大，
20、其稳定范围 也更大 在一定浓度下，回火有一最大 边界速度梯度值，此时vL最大 锥形火焰锋面(内焰)底面离开 喷口的距离称为静区或熄火区 半径等于静区厚度d的喷口直径 称为临界直径，即dc2d 若喷口直径d小于dc，则容易脱火 临界直径dc与燃气种类、一次空气系数a1关系的实验结果 在进行燃烧器设 计时，应根据燃 气种类及一次空 气系数范围，合 理选择喷口直径， 使其大于相应的 临界直径dc临界直径与燃气种类、一次空气系数的关系 三、高速气流中火焰的稳定 1. 高速气流中火焰稳定的基本条件 火焰在可燃混合气流中稳定的必要条件之一是火焰前锋 根部存在气流速度w等于火焰传播速度wL的速度平衡点， 以
21、形成固定点火源 实际燃烧装置中的气流速度(40120 m/s)比最大可能的 湍流火焰传播速度(315 cm/s)要高出10倍以上 高速气流中，火焰难以稳定，必须在高速气流中采用某些 特殊手段来稳定火焰 采用的主要手段： 利用引燃火焰或称值班火焰，即在主气流旁引入小股低 速气流，着火后不断引燃主气流 利用燃烧装置形状变化，如偏转射流(突然转弯)、壁面 凹槽、突然扩张等改变气流方向的方法，形成回流区 利用金属棒(丝、环)，把金属棒放在火焰上，以改变速 度分布，起到稳定火焰的作用 采用稳焰旋流器，利用旋转射流，产生回流区 利用钝体，产生回流区，以稳定火焰 通常在气流中人为地产生一个自偿性点火源，以满
22、足气流 法向分速wn等于湍流火焰传播速度wT的要求2. 钝体稳定火焰的机理 采用钝体是最常用、最有效的稳定火焰的方法之一 钝体的形状很多，如：圆形、平板、半圆锥体、V形槽等 粘性气体绕流脱体，在其后方形成稳定的涡流区(回流区) 回流区的形成及其大小和形状对稳定火焰起着决定性作用 钝体火焰稳定器回流区的形成 (1) 钝体后回流区中气流结构 钝体火焰稳定器后回流区的气流结构 0-1、0-2分别为气流流经钝体后的湍流外边界及内边界 外边界的外侧为主流区，外边界及内边界之间为燃烧产物 和预混可燃气的混合物 0-3-0为各截面上轴向 速度为零的点的连线， 为回流区边界 回流区内充满燃烧产物， 其流向是逆
23、向稳焰器， 起固定连续点火源作用钝体火焰稳定器后的气流轴向速度分布 气流流经钝体，湍流脉动激烈，形成两个对称、椭圆形旋 涡，每个旋涡中间有一核心，核心中点O1、O2的速度为零 截面I，其轴向速度方向在O1以上和O2以下与主气流方向相 同，离零速度点越远，速度越大，直到与主流速度相同； 在O1和O2之间，轴向速度方向与主 气流方向相反，离轴线 位置越近，速度越大 II、III每个截面均存 在上下两个零轴向速 度点，连线(虚线)包围的中间部 分是逆流区，以外部分是顺流区 (2) 钝体后回流区火焰稳定原理 钝体火焰稳定器点火源的位置 可燃混合气绕流钝体，改变原先的流动特性，产生回流区 回流旋涡将高温
24、烟气带回钝体，燃烧反应温度显著升高， 火焰得以稳定在一个小的区域内 O-O截面，顺流区 轴向速度w在0至wm 之间，该区中总可 找到一点(如b点)， 满足wbwT，即火 焰稳定，火焰在此 形成了一个固定点火源 火焰稳定特性曲线 钝体稳焰器维持火焰稳定，要求： 1) 其后形成一个固定点火源 2) 还要求它具有足够的能量 若流过钝体稳焰器的新鲜混合 气组成超过着火极限，也不能 稳定火焰 给定可燃混合气流速w、温度 T和压力p时，其组成(如a)须 处于一定范围，火焰才可稳定 若可燃混合气组成一定，在给定的温度和压力下，增大气 流速度同样会把火焰吹熄 火焰稳定器的稳定性优良，主要是指 具有较高的吹熄速
25、度和在较宽广的混合气浓度范围内 可实现稳定的燃烧 影响扩散火焰稳定的因素 可燃混合气的着火极限与点燃能量 取决于燃气的种类、可燃混合气的组成、气流速 度、湍流强度以及可燃混合气的压力和温度等； 回流区所具有的能量 取决于稳焰器的结构形状和尺寸大小、气流速度 及旋转与否，以及燃烧室尺寸等 德祖贝火焰稳定性准则Z的表达式 afDpwZ85. 095. 0B1sm-wB 火焰吹熄速度，D 稳焰器的当量直径，mm；p 气流绝对压力，MPa；a 过量空气系数。 圆盘式稳焰器火焰吹熄特性的 实验结果(火焰稳定性准则Z 与过量空气系数a之间的关系) 圆盘式稳焰器火焰吹熄特性实验结果 丙烷空气均匀混合气和直
26、径为6.3525.4 mm的圆盘式 稳焰器，气速12170 m/s， 压力p为0.020.1 MPa，温度 为常温(T0303.15 K) 温度T(K)时按下式作温度修正： 510850950B.TTDpwZ四、火焰稳定的主要方法 火焰稳定的主要方法有(除了钝体稳焰器之外)：1. 利用引燃火焰稳定2. 利用旋转射流稳定3. 利用反吹射流稳定4. 利用不对称射流稳定等 1. 利用引燃火焰稳定火焰 技术原理：在高速可燃混合气流(主气流)附近布置一稳定 的引燃火焰(或称值班火焰)，使主气流得到不 间断地点燃，从而稳定主火焰 引燃火焰特点：为流速较低、燃烧量较少的分支火焰，其 流速可为主火焰的数十分之
27、一，燃烧量可 达主火焰的20%30% 物理机理：强烈的扩散和混合作用导致由引燃火焰产生的 炽热气流与新鲜可燃混合气流之间发生强烈热、 质交换，反应速度增大，并进一步着火和燃烧 利用引燃火焰稳定主火焰的典型方法 利用引燃火焰稳定主火焰的典型方法a) 无引燃火焰；b)、c)、d) 有引燃火焰1主火焰；2主焰孔；3引燃焰孔2. 利用旋转射流稳定火焰 旋转射流流场示意图 原理：气流在旋流器的作用下作螺旋运动，形成旋转射流， 并形成一个内部回流区，不但从射流外侧卷吸周围 介质，还能从内回流区中卷吸高温介质使大量高温 烟气回流至火焰根部， 保证燃料及时、顺利 着火和稳定燃烧 燃气轮机燃烧室中的应用(高比容
28、积热强度和进口气流速度) 目前广泛采用叶片式旋流器(主要有轴向式和径向式两种)作为火焰稳定器 叶片式旋流器结构示意图a) 轴向式 b) 径向式经旋流器流入火焰筒的空气流(约占总空气量的5%10%)形成三维旋转气流及回流区，回流的高温燃气，实际上就是燃烧空间中的一个稳定的点火源 燃气轮机燃烧室中的应用(高比容积热强度和进口气流速度) 燃烧室火焰筒中气流的流动状况a) 气流流动状况 b) 气流轴向速度分布 实践中，可调节旋流器叶片角度来改变旋流强度(旋流数)， 以调节回流区尺寸和高温烟气回流量，适应稳定火焰的要求 对于强旋转射流0.6)，当由0.72增大至1.25时，回流区 长度将增大约40%。
29、旋流强度对环形喷口旋转射流回流区的影响 3. 利用反吹射流稳定火焰 反吹射流直流燃烧器1燃料 2一次风 3喷口4射流出口 5临界区 6滞止点 特点：一次风燃料气流呈 直流射流喷入炉膛； 二次风喷口在一定轴 向距离处沿切向布置； 沿炉膛中心线上反向布 置反吹射流喷嘴，反吹 射流风速可达6070 m/s 原理：反吹射流强烈的卷吸作用使炉膛中心的高温烟气随着 反吹射流一起倒流，形成回流区，满足稳定着火的条 件，形成保持一次风燃料气流能稳定着火的着火源 4. 利用不对称射流(偏置射流)稳定火焰 特点：一次风燃料气流以2025 m/s速度，通过下偏置的一 次风管进入圆形或矩形截面预燃室；略向上倾斜的 一
30、次风管下方另设偏置射流，速度为4050 m/s 原理：主射流(一次风燃料气流)喷入，卷吸周围介质，形 成大回流区；偏置风投入，使主射流倾斜，回流区扩大； 燃料气流直接进入回 流区，形成高温、高 燃料浓度、较高O2浓 度的三高区域，成为 的稳定点火源 偏置射流燃烧室1一次风 2吹灰风 3预燃室第三节 湍流燃烧火焰特点 概述 湍流火焰结构的特点： 发光区较厚，火焰轮廓较模糊，存 在弯曲皱折 火焰面有抖动，火焰长度也显著地 缩短 燃烧过程中伴有噪声湍流火焰结构 气流的湍流特性对预混可燃气体火焰的传播有着重大影响汽油机燃烧室：火焰传播速度wT约为2070 m/s 汽油蒸气与空气预混气流的wL仅4050
31、 cm/s 因此，大多实际燃烧装置均采用湍流预混燃烧方式，以湍流 来促进火焰传播，实现可燃混合气的高负荷燃烧 湍流火焰传播速度wT不仅取决于可燃混合气的性质和组成， 而且在很大程度上受到强烈的气流湍动的影响 当湍流度加大或脉动速度加大，即Re增大时， wT显著增大 在湍流中，预混可燃气体的火焰传播速度比层流时大许多倍Re对火焰传播速度的影响1层流；2小尺度湍流；3大尺度湍流 不同Re数下火焰传播速度的实验结果达姆克勒(G. Damkohler)1) Re2300，火焰传播速度的大小与Re数无关； 2) 2300Re6000，火焰传播 速度与Re数的平方根成正比， 小尺度(或小规模)湍流燃烧 3
32、) Re6000，火焰传播速度与 Re数成正比，大尺度(或大 规模)湍流燃烧 wLwT一、湍流火焰传播的皱折表面燃烧理论 该理论将湍流引起火焰传播速度显著增大的原因归结为： 1) 湍流的脉动作用使火焰变形，火焰前锋面发生弯曲和皱 折，显著增大了已燃、未燃气体接触的焰锋表面积，增 大了反应区，使火焰传播速度wT增大； 2) 湍流作用使得热传导速度及活性物质扩散速度加快，强 化了热、质交换，促使wT增大； 3) 湍流脉动促使燃气与燃烧产物快速混合，缩短了混合时 间，使火焰本质上成为均匀可燃混合物。 小尺度湍流火焰和大尺度湍流火焰 在湍流火焰中，气流脉动促使气体微团作不规则运动，气体微团的平均尺寸l
33、T(湍流标尺)，脉动速度w 湍流火焰模型 a) 小尺度湍流；b) 大尺度弱湍流；c) 大尺度强湍流dL层流火焰前锋厚度lTdL，小尺度湍流火焰lTdL，大尺度湍流火焰按照湍流强度的不同：wwL，大尺度弱湍流火焰wwL，大尺度强湍流火焰 按照湍流标尺的不同：1. 小尺度湍流火焰 特点：1) 气流湍流度较小(2300Re6000，lTdL且wwL)2) 焰锋表面未发生很大变形，仅表面不再光滑，变成波浪形3) 焰锋表面积略有增加，焰锋宽度dT略大于层流反应区厚度 d L，燃烧过程没有发生根本改变4) 湍流脉动使火焰中热传导和扩散过程比层流时因分子迁移 所引起的更为剧烈5) 火焰传播速度wT有所增大
34、小尺度湍流火焰传播速度wT 可按层流火焰传播速度公式计算，只需改用相应的湍流参数 对于层流火焰： 21Ltaw21TTtaw对于湍流火焰： a、aT 分子、湍流热扩散率； t 化学反应时间 由于分子热扩散系数a与分子运动粘度n成正比，于是 21T21TLTnaaaww湍流热扩散系数aT取决于湍流标尺lT与脉动速度w的乘积 wlaTT对于管内流动，lT与管径d 成正比，w与气流速度w成正比 dl Tww 因此212121T21TLTRewdwlaawwnn实验结果表明21LT10Re.ww2. 大尺度弱湍流火焰 特点：1) 气流湍流度较大(Re6000， lTdL且wwL)2) 脉动作用可使火焰
35、锋面变得 比小尺度湍流更加弯曲3) 脉动气团尚不能冲破焰锋面， 仍保持一个连续的、但已被 扭曲、皱折的焰锋 4) 湍流湍流脉动使火焰锋面皱 折变形，使表面积从层流时 的AL增大到AT，导致火焰传播速度wT增大大尺度弱湍流模型 wLwLwT 大尺度弱湍流火焰传播速度wT 认为火焰传播速度的增大与表面积的增大成正比，即 LTLTAAww 假设湍流火焰表面是由无数锥体面组成，则 12222LT rhrhrrAA由于锥体高度h在数值上相当于湍流火焰锋面的宽度，即 LTTwl whd2L 2TLT2 2w wClwl wrh 1 12L2LT w wCrhwwh 火焰表面锥体高度； r 火焰表面锥体底面
36、半径； C 比例常数。 可见：增大湍流脉动速度，可提高湍流火焰传播速度 3. 大尺度强湍流火焰 大尺度强湍流燃烧模型 特点：1) 气流湍流度大(Re6000，lTdL且wwL)2) 强湍流脉动作用使火焰锋面更加弯曲和皱折，甚至被撕裂 开而不再保持连续的火焰面 3) 燃烧气团与未燃新鲜混合气相互穿插混合，燃烧区不再是 一薄层火焰，而是相当宽区域的火焰 4) 在大尺度湍流下，进入燃烧区的新鲜混合气团在其表面上 进行湍流燃烧的同时，还向气流中扩散并燃烧 5) 火焰的传播是通过这些湍流脉动的火焰气团燃烧来实现的 大尺度强湍流燃烧模型 大尺度强湍流火焰传播速度vT 将大尺度强湍流的火焰传播速度wT定义为
37、湍流气团的扩散 速度wD和层流火焰传播速度wL之和，即 LDTwww其中，湍流气团的扩散速度 blabblab2D22ttttlwlwxvi2ix 湍流平均扩散位移； tb 湍流气团燃烧完所需时间； lla 拉格朗日湍流混合长度。 根据达朗托夫的实验与假设，认为湍流气团由初始尺寸l0开始燃烧，火焰向气团内部传播速度为wLw随着燃烧的进行，气团尺寸不断缩小，火焰锋面的相对皱折面积的增量越来越小，可设定火焰向气团内部的传播速度随气团未燃部分尺寸的变化是线性的 02lalAl设 (A为实验系数，接近于1) L0b 1lnwwwlt 1ln 2 1ln 2LLLTwwwAwwwAww二、湍流火焰传播的
38、容积燃烧理论 适用于大尺度强湍流火焰湍流火焰焰锋结构的两种模型a) 表面燃烧 b) 容积燃烧 湍流扩散导致不可能维持层流火焰结构，已不存在将未燃 可燃物与燃烧产物分开的火焰面； 每个湍动的气团内，温度和浓度是均匀的，但不同气团的 温度和浓度是不同的； 在整个气团内存在着快慢不同的燃烧反应，达到着火的气 团整体燃烧，未达到着火条件的在脉动中被加热并达到着 火燃烧； 火焰不是连续的薄层，但到处都有； 各气团间互相渗透混合，不时形成新微团，进行着不同程 度的容积化学反应 容积燃烧理论认为：大尺度湍流火焰传播速度vT 索莫菲尔德(M. Summerfield)相似假设方程 10LLTTTnddwDw
39、TTpcD LnpcDT 湍流扩散率；n 分子运动粘度；L、T 层流及湍流时的热导率。三、湍流扩散燃烧 气相射流扩散火焰长度随流速的变化关系 火焰形状及长度与气流喷出速度w0之间的关系： w0较小，形成明亮、稳定的层流火焰 w0增大，火焰长度也随之增大 w0增大至一定程度，火焰发生颤动，并上下左右抖动，呈 现不稳定状态 w0进一步增大，不稳定状态由火焰顶部逐渐向根部扩展， 并发出噪声 流动逐渐从层流过渡到湍流，火焰变短，亮度降低，火焰 总长度也开始变短，形成由多个旋涡组合而成的火焰 当火焰总长度降到某个确定长度后便基本维持不变，湍流 火焰抖动得更加剧烈，其噪声也继续增大 从层流扩散火焰向湍流扩
40、散火焰过渡的临界雷诺数Rec 100002000cRe 燃 料Rec燃 料Rec氢气2000乙炔880011000城市煤气33003800混入一次风的氢气混合物55008500一氧化碳48005000混入一次风的城市煤气混合物64009200丙烷880011000空气中各种火焰的临界雷诺数Rec Rec大小与气体的粘度和温度有很大关系 绝热温度相对较高的火焰转变为湍流的Rec也较高 1. 湍流扩散火焰结构 湍流扩散火焰中反应物的混合区1-氧气等浓度线 2-等热值线 3-等温线 4-最高温度曲线1) 燃气向大气空间自由 射流的扩散火焰结构 湍流火焰中的浓度分 布比较复杂 火焰各区域之间不存 在明
41、显的分界面，也 不存在燃料和氧浓度 同时为零的火焰面 湍流扩散燃烧的火焰 面不像层流火焰那样 薄，是一个较宽区域2) 有限空间中湍流扩散火焰结构 火焰被约束在燃烧室内，由于存在热烟气回流对扩散火焰的 复杂影响，火焰结构更加复杂 湍流扩散火焰断面上浓度和温度分布(发生炉煤气，双股同心射流，r090mm，距喷口150mm) 火焰断面某区域中， CO2浓度最大，此 处燃烧最为强烈， 但O2浓度并不为 零，火焰中心区域 也还存在O2 烟气回流会降低可燃 混合物含O2量，造 成火焰延长和加宽 2. 湍流扩散火焰长度 当尺寸一定的喷口将燃气喷入空气中进行扩散燃烧而形成湍 流火焰时，其火焰长度与燃气的流速无
42、关，大致保持一定 假定火焰长度只取决于混合过程而与化学反应速度无关，根 据自由射流理论可得湍流扩散火焰长度 lT的近似计算式 0kf0T 1 11 dVlV 0 理论空气量，m3/m3 f、k 标准状态下燃气、空气的密度， kg/m3d0 喷口直径，m 可见： 对于湍流扩散火焰，其火焰长度 lT 主要取决于燃气的种类 和喷口尺寸 由于燃气的热值越高，其理论空气量V 0越大，所形成火焰 长度 lT 也越大 当喷口d0增大时，火焰变长0kf0T 1 11 dVl 火焰长度 l 与燃气流速的关系 实验表明，只有对于小口径喷口，l 才与燃气的流速无关 当喷口尺寸较大时，且气流速度也相当大时，火焰长度
43、仍随气流速度的增大而增大 研究表明，对于水平喷出的湍流自由射流火焰，其火焰 长度 lT 是Fr 准则数的函数 020 20TgdwfFrfdlw0 燃气喷出速度， m/sd0 喷口直径，m；g 重力加速度常数， m/s2170034000T014513.dwk.dl通过整理实验数据，可得以下火焰长度的计算式k 实验常数，主要取决于燃气成分及热值。对于焦炉煤 气， k1.0；对于发生炉煤气，k0.65。 实验表明： 空气和燃气通过平行管分别送入炉内时，混合最差，火焰最长 用同心套管送入炉内时，混合条件有所改善，火焰有所缩短 空气通道加入旋流器时，混合条件得到较大改善，火焰更短些 缩小喷口截面积，加大气流速度，使气流以湍流进入炉内，火 焰将进一步缩短 在燃气中预混少量一次风，然后再扩散混入二次风，混合将更 好，火焰也更短 总之，混合条件越好，火焰越短，燃烧效率越高
