1、1第四章第四章 气体燃料燃烧气体燃料燃烧 3.1 火焰传播3.2 正常火焰传播速度3.3 扩散火焰与预混火焰3.4 火焰稳定的原理和方法3.5 湍流燃烧火焰特点 第一节火焰传播概述1.气体燃料的燃烧过程的三个阶段n 燃料与空气的混合阶段n 可燃混合气的加热与着火阶段n 完成燃烧化学反应阶段2.火焰传播第一节火焰传播概述2.火焰传播n 当炽热物体或电火花将可燃混合气的某一局部点燃着火时，将形成一个薄层火焰面。n 火焰面产生的热量将加热邻近层的可燃混合气，使其温度升高至着火燃烧。n 这样一层一层地着火燃烧，把燃烧逐渐扩展到整个可燃混合气一、火焰传播现象 可燃混合气中火焰的传播正常火焰传播 爆燃现象
2、1.瓶内压力常数；2.薄层火焰面，分子热运动传递热量；3.速度有限，依靠热传导传播，取决于混合气性质及流动状况冲击波绝热压缩，10004000m/s二、正常火焰传播1.1.火焰传播火焰传播 可燃混合气物的局部首先着火，着火部分向未燃部分传递热量和 活性粒子，使之相继着火的过程2.2.火焰前锋火焰前锋 未燃气体和已燃气体的分界面，亦称火焰前沿(flame front)3.3.火焰传播速度火焰传播速度 火焰前锋沿其法线方向朝新鲜可燃混 合气移动(传播)的速度，用vL(m/s)表示L0limndnvd Lpnvvvvn 可燃混合气速度矢 量v在火焰前锋法 线方向上的投影4.4.本生灯锥形火焰正常传播
3、本生灯锥形火焰正常传播 速度速度vL的确定的确定(1)本生灯原理p 燃气、空气混合，形成均匀 可燃混合气p 点燃后，形成稳定的锥体形 层流火焰p ，内锥为蓝色预混焰 锥，外锥为紫红色燃烧产物火焰p ，内锥为蓝色预混火焰，外锥变为黄色扩散火焰11(2)通过测量内锥的层流预混火焰锥测定火焰正常传播速度 稳定状态下，灯口流出可燃混合气量 与整个内锥焰面上燃烧掉的气量相等0f0LFvAv AAf 灯口出口截面积，m2；AF火焰内锥表面积，m2；v 灯口出口处平均流速，m/s。几何关系0fL22F0sinrAvAvhr 设管内可燃混合气的流量为qV(m3/s)本生灯锥形火焰正常传播速度vL(m/s)20
4、VqvrL2200Vqvrhr0L,Vh r qv0fL22F0sinrAvAvhr5.本生灯实际火焰锥及其特点1.可燃混合气燃烧前，存在一个薄加热层，造成火焰前锋锥体离开灯口一段距离，并且比灯口尺寸略微扩大；2.可燃气含氧量不同，外界介质影响火焰锥体形状。第二节正常火焰传播速度概述（混合气性质，压力，温度，过量空气系数，流动状况，周围散热情况）设备燃烧强度 火焰传播速度层流火焰传播的机理有三种理论：热理论：认为控制火焰传播的主要机理为从反应区到未燃区 域的热传导扩散理论：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综合理论：认为热的传导和活性粒子的扩散对火焰传播可能 有同等
5、重要的影响一维层流燃烧室中气体工质的温度和燃料浓度变化一、火焰正常传播速度的理论求解及分析1.用于简化近似分析的热理论 x0 为可燃混合气预热区0 x 为可燃混合气燃烧区 (为燃烧区的宽度)x 为燃烧产物区(1)可燃混合气在开始着火之前的温度变化规律 描述一维层流燃烧室系统中具有化学反应时 的导热微分方程式 连续性方程(流通截面不变)因此()0pxxddTdTcvQwdxdxdx00 xxvv00()0pddTdTcvQwdxdxdx 在 x0的预热区内，可燃混合气没有发生燃烧反应 求解可得可燃混合气在 x0范围内的温度变化规律 边界条件00()0pddTdTcvdxdxdx在x=-处在x=0
6、处0dTdx及 T=T0T=TB0()xdTdTdxdx 求解过程00()0pddTdTcvdxdxdx0()000()dTTdxpTdTdcvdTdx000()()pdTcv TTdx0000)BTxpTdTcvdxTT在x=-处0dTdx 可燃混合气在 x0范围内的温度变化规律 气体介质在 x0的平均热导率，W/(mK)可见：在=8时，烯烃和炔烃的vL,max将接近于饱和烃的数值。2.燃料分子结构的影响上述结果表明，燃料分子结构对vL的影响十分显著。应该指出的是，由于大多数燃料的理论燃烧温度均在2000K左右，燃烧反应的活化能也均在167kJ/mol左右，燃料中碳原子数对vL影响并不是由于
7、火焰温度的差异引起的，而是由燃料的热扩散性质所引起的，这种热扩散性与燃料的相对分子质量有关。3.温度的影响(1)可燃混合气初始温度T0 的影响 预热温度对城市煤气(热值为20934 kJm-3，密度为0.5 kgm-3)燃烧速度的影响T0 越高，则气体分子的运动动能越大，传热增强，可显著提高化学反应速率，从而提高vL。可燃混合气初始温度T0对火焰传播速度vL影响的实验结果可见：vL随着初温T0的增大而增大 vL和T0的关系式：L0,1.52mvTm(2)火焰温度Tr 的影响燃烧过程的化学反应速率随着温度的升高而显著提高，从而大大提高火焰传播速度0exp()EkkRT原因：气体介质的离解大大加速
8、，极大地提高了火焰中自由基H、OH等的浓度，既促进了燃烧反应，又进一步显著增强了火焰传播。4.压力的影响 压力p 对火焰传播速度影响的实验关系式Lmvpm路易斯压力指数，mn/21；n 燃烧反应级数(1)当vL 0.50 m/s，n 2，m 0，vL 随着p 的升高而减小；(2)当0.50 m/s vL1.00 m/s，n 2，m 0，vL随着p 的升高而增大。多数碳氢化合物的n2，故其vL随着压力p的升高而下降 流过火焰表面的可燃混合气质量流速与压力p的关系 单位火焰表面反应速率n 燃烧反应级数20Lkg/(ms)v0Lv20Lnvp5.惰性组分的影响(1)稀释燃气，使得单位时间内在同样大小
9、的火焰前锋上燃烧的可燃混合气减少，直接对燃烧温度产生影响，从而影响燃烧速率00 00()rBpBTTvwccTT(2)改变可燃混合气的热物理性质，如果惰性组分的摻入使得可燃混合气的 减小，则将使火焰传播速度减小pc 惰性组分N2、CO2对vL的影响vL、vL 考虑惰性组分影响前、后的火焰传播速度，m/s 可燃混合气中N2、CO2的体积分数22LLNCO(11.2)vv22NCO、第三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
10、一、燃烧方式与火焰结构 气体燃料燃烧所需的全部时间mixch 气体燃料与空气混合所需的时间mix 燃料氧化的化学反应时间ch 气体燃料燃烧所需的全部时间mixch若 ，则 近似地等于氧化反应时间，即 化学动力燃烧或动力燃烧mixchch若 ，则 近似地等于扩散混合时间，即 扩散燃烧mixchmixmixMT111 分子扩散、湍流扩散时间MT,燃烧方式与火焰形状二、气体燃料的预混燃烧 火焰性质随 的变化情况1扩散火焰部分预混燃烧或半预混燃烧全预混燃烧10(1)(2)101.011.0(3)1.层流预混火焰传播与火焰结构(1)静止可燃混合气中层流火焰的传播：未燃的预混可燃混合气II：高温燃烧产物B
11、：点火源火焰中心A：球形火焰面：火焰前锋前沿厚度（1mm）(2)可燃混合气流动时的火焰传播 可燃混合气以速度v0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可燃混合气流动时的火焰传播对于传播速度为vL的层流火焰，火焰的绝对速度v为：可见，火焰前锋相对于管壁的位移有三种可能的情况：1)若v0 vL，即 ，火焰面将被气流吹向下游3)若v0 vL，即 ，火焰面将驻定不动，即火焰稳定0Lvvv 0v 0v 0v(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 层流火焰在管道内
12、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(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 vL应等于焰面法线方向上的气流速度v0 v0与可燃混合气喷出速度w之间的关系 GouyMichelson定律(余弦定律)0Lcossinwwvv 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0Lcossinwwvvtandldr21cos1()dldr2L()1dlwdrv 假定：正锥体火焰，底面
13、半径等于喷口半径r0；vL为常量，与r无关；气流速度w取为喷口断面的平均流速pjw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pi20L()1wlrv2020L()1Vqlrr v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。pi20L()1wlrv2020L()1Vqlrr v2.火焰的稳定性 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
14、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0Lcossinwwvv三、气体燃料的扩散燃烧 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
15、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(空气量过大或不足，自动平衡)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燃料预热区受热传导和高温燃烧产物扩散被加热，热解析碳。不完全燃烧损失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)与外环管(r2)喷入燃烧室，形成同轴射流扩散燃烧扩散火焰外形有两种类
16、型：类型1呈封闭收敛状的锥形 扩散火焰(曲线1)l 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)中的扩散方程对于稳态扩散过程：c 可燃混合气浓度D 质扩散系数 时间w 可燃混合气流速221()cccDrzr rrcczcwzz 221()cDccrzwzr rr221()ccrzr rr221()cDcczwzrr假定(沿z轴气流的扩散传递忽略不计)描述层流扩散火焰的微分方程式边界条件：(1)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rr
17、2时，0cr 同轴射流扩散火焰中可燃混合气浓度的表达式i 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)22121 01100221220221()()()exp()()rcrcJr JrDcczrirJrw201ccci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211021021()()exp()()Jr JrDzEJrw22211 022r crEirc 扩散火
18、焰长度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2f 1f1Vw rqlDD2a21a2()Vw rrqlDD 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)f15m/sw 2f 1f1Vw rqlDD1f 11lw rrD11Relr层流扩散燃烧火焰长度与雷诺数Re的关系对于层流扩散燃烧，可假定D运动粘度，则有可
19、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)fffRe3300w d1m s由实验数据，可确定火焰长度的实验公式：当 时，为层流扩散火焰，则wf、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。1/2fffff()4.080.00850.016aw d dlw dw b1/2fffff()0.0160.008aw d dlw dw bff
20、fRe3300w d1m s由实验数据，可确定火焰长度的实验公式：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wf、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。2ttwrlD 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：w 燃气流速r 燃烧器喷口半径Dt平均湍流扩散率222ttwrwrwrlrDlwr2ttwrlDt,Dlw lr且由于湍流扩散率Dt与湍流强度和湍流尺度
21、l的乘积成正比，即可见，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
22、 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四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、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 若vL与w相等，火焰前锋则会 稳定在管道内某一位置上 若vL 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vL 0.6)，当由0.72增大至1.25时，回流区 长度将增大约40%3.利用反吹射流稳定火焰 特点：一次风燃料
23、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
24、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 的稳定点火源第五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 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 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 汽油机燃烧室：火焰传播速度vT约为2070 m/s 汽油蒸气与空气预混气流的vL仅4050 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vT不仅取决于可燃混合气的性质和组成，而且在很大程度
25、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，vT显著增大 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)Re6000，火焰传播速度与Re数成正比，大尺度(或大规模)湍流燃烧一、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vT增大；2)湍流作用
26、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vT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lT(湍流标尺)，脉动速度wL层流火焰前锋厚度按照湍流标尺的不同：lTL，小尺度湍流火焰lTL，大尺度湍流火焰按照湍流强度的不同：lTLwvL，大尺度弱湍流火焰wvL，大尺度强湍流火焰1.小尺度湍流火焰 特点：1)气流湍流度较小(2300Re6000，lTL且wvL)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
27、加，焰锋宽度T略大于层流反应区 厚度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vT有所增大 小尺度湍流火焰传播速度vT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：对于湍流火焰：a、aT分子、湍流热扩散率；化学反应时间由于分子热扩散率a与分子运动粘度相等，于是12L()av1T2T()av11TTT22L()()vaava湍流热扩散率aT取决于湍流标尺lT与脉动速度w的乘积对于管内流动，lT与管径d 成正比，w与气流速度w成正比因此实验结果表明TTal wTldww1111TTT2222L()()()
28、Reval wwdva1T2L0.1Revv2.大尺度弱湍流火焰 特点：1)气流湍流度较大(Re6000，lTL且wvL)2)脉动作用可使火焰锋面变得 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vT增大 大尺度弱湍流火焰传播速度vT认为火焰传播速度的增大与表面积的增大成正比，即假设湍流火焰表面是由无数锥体面组成，则TTLLAvvA222T2L1()Ar rhhArr凹凸的火焰锋面上，各处火焰都以vL 沿该点火焰锋面法线方向未燃一侧推进只要算出凸凹不平的火焰
29、锋面与平均位置平面之比AT/AL，就可求出vT/vL大尺度弱湍动传播w vL由于锥体高度h在数值上相当于湍流火焰锋面的宽度，即可见：增大湍流脉动速度，可提高湍流火焰传播速度h 火焰表面锥体高度；r 火焰表面锥体底面半径；C 比例常数。TTLwlhv222TLTL/()()()/2wlvhwCrlv22TL1()1()LvhwCvrv3.大尺度强湍流火焰 特点：1)气流湍流度大(Re6000，lTL且wvL)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
30、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 大尺度强湍流火焰传播速度vT将大尺度强湍流的火焰传播速度vT定义为湍流气团的 扩散速度vD和层流火焰传播速度vL之和，即其中，湍流气团的扩散速度 湍流平均扩散位移；湍流气团燃烧完所需时间；lla 拉格朗日湍流混合长度。2ixb2lablaDbbb2ixwlwlvTDLvvv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vLw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
31、气团未燃部分尺寸的变化是线性的2lablaDbbb2ixwlwlvTLLL22ln(1)ln(1)AwwvvAwwvv0bLln(1)lwwv设 (A为实验系数，接近于1)2la0lA lSo:影响湍流传播速度的因素No.1 可燃混合物物理化学性质与参数No.2 湍流的状态小尺度:lTL,wL,w vL，火焰锋面被撕破以上计算vT的方法，均属“表面理论”燃烧化学反应只在薄薄的一层火焰锋面内进行￥“容积理论”燃烧化学反应各处都进行，燃烧与掺混共存vL二、湍流火焰传播的容积燃烧理论适用于大尺度强湍流火焰容积燃烧理论认为：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
32、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 度的容积化学反应大尺度湍流火焰传播速度vT 索莫菲尔德相似假设方程DT湍流扩散率；分子运动粘度；L、T层流及湍流时的热导率。TTLLT10vvDTTpDcLpc三、湍流扩散燃烧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
33、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散火焰过渡的临界雷诺数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Re2000 10000c1.湍流扩散火焰结构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 在明显的分界面，也 不存在燃料和氧浓度 同
34、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 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l 的近似计算式V0 理论空气量，m
35、3/m3f、k标准状态下燃气、空气的密度，kg/m3d0 喷口直径，m0f0k11(1)Vld可见：对于湍流扩散火焰，其火焰长度l 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V0越大，所形成火焰长度l 也越大 当喷口d0增大时，火焰变长0f0k11(1)Vld 火焰长度l 与燃气流速的关系p 实验表明，只有对于小口径喷口，l 才与燃气的流速无关p 当喷口尺寸较大时，且气流速度也相当大时，火焰长度 仍随气流速度的增大而增大p 研究表明，对于水平喷出的湍流自由射流火焰，其火焰 长度l 是Fr 准则数的函数w0 燃气喷出速度，m/sd0 喷口直径，m；g 重力加速度常数，m/s
36、222000()()wlf Frfdgd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。0.340.17000(13.5 14.0)lkwdd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*简述湍流预混火焰的分类和特点。小尺度湍流火焰：湍流中的微团的平均尺寸小于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度，能够保持较规则的火焰锋面，其燃烧区的厚度只是略大于层流火焰锋面厚度；大尺度弱湍流火焰：微团平均尺寸大于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度，微团脉动速度小于层流火焰传播速度，火焰锋面扭动，微团不能冲破火焰锋面大尺度强湍流火焰：微团平均尺寸大于可燃混合气体在层流下的火焰锋面厚度，微团脉动速度大于层流火焰传播速度，不存在连续的火焰面。
