第三篇 燃烧基本原理燃烧过程是一种复杂的化学过程和物理过程，不仅需要温度和浓度条件，而且需要一定的时间和空间。我们将燃烧的整个过程人为地分为三个阶段，即：
τ=τ混 +τ热 +τ化燃烧过程的分类：
1、动力燃烧、扩散燃烧、中间燃烧
2、层流燃烧、紊流燃烧、过渡燃烧
3、同相燃烧、异相燃烧第七章 射流混合过程静止气体中的自由射流同向平行流中的自由射流交叉射流环状射流和同心射流旋转射流第八章燃烧反应速度和机理第一节化学反应速度质量作用定律,在一定温度下，气相化学反应速度与当时的反应物浓度的乘积成正比。
K反应速度常数
x+y反应级数
y
B
x
A
A CKC
d τ
dC?
阿累尼乌斯定律,反应速度常数
K0取决于反应物的常数
R通用气体常数
E活化能，其数值取决于反应物简单反应,化学反应的反应物只经一步即直接生成最终产物的反应称为简单反应或基元反应。
RT
E
0 eKK
复杂反应,需要经过中间反应步骤才能完成的反应。确定复杂反应的反应速度时，
必须寻求诸基元反应中那个反应速度最慢的基元反应，其反应速度就是整个复杂反应的速度，我们称这个基元反应为复杂反应中的控制反应。
麦克斯韦速度分布函数,
kT
mv
2
1
2
3 2
e
kT2
m
nvf
分子碰撞理论化学反应是反应物分子解体，而重新结合成新的分子结构。化学反应是如何进行的呢？
分子运动理论启发我们假设：当反应物分子群与其他反应物分子群混在一起时，分子运动必然发生碰撞，在一定条件下，就可能使反应物原分子结构解体，重新组合成新的分子结构，完成全部化学反应。
如果设想正确，我们可据此计算出分子碰撞次数与反应速度有关，与质量作用定律和阿累尼乌斯定律相符合。
对于简单反应,A+B=C+D
假设,1）分子是刚体
2）稀释气体有效碰撞频率为：
BA
BA
AB
2
BA
1 / 2
AB
RT
E
BA
mm
mm
μ
dd
μ
K"
ennK"z
π k T
绝对反应速度理论对于复杂的分子，碰撞理论计算与事实相差很大，另外分子碰撞理论中反应速度系数只能靠实验计算出来。绝对反应速度理论用分子的参数来计算反应速度。
论点如下：当具有一定能量的分子（大于活化能）相互碰撞时，首先形成一种过渡状态的活化络合物 M*，过一段时间，
这个活化络合物分解成生成物，即
A+B→ M* M* → C+D
每个 M*分解所需时间为 τ，则反应速度
W=nm*/τ
τ=hp/(kT)
hp为普朗克常数,k为波尔兹曼常数平衡常数 K=nm*/(nAnB)
故：
BA
p
nn
h
kTKW
第二节可燃气体燃烧反应机理连锁反应：是一种需要经过若干中间基元反应才能完成的复杂反应，中间反应会产生一些活性很高的中间活性产物（活化中心），再由活化中心与原始反应物进行化学反应，这时除产生最终生成物外，同时也产生若干活化中心，
因此可以使化学反应得以继续下去，在这种化学反应中，活化中心起着一种中间链节的作用，
故称其为链锁反应。
如果一链锁反应基本环节完成后，再生出来的活化中心数多于反应开始时的活化中心数（活化中心增殖），称为支链反应。由前苏联学者
1927年发现的。
氢的燃烧反应机理氢的燃烧反应机理被认为是典型的支链反应。
链的产生,H2+O2→ 2OH
H2+M→ 2H+M
O2+O2→ O3+O
链的继续与支化,H+O2→ OH+O
OH+H2→ H2O+H
O+H2→ H+OH
器壁断链,H+器壁 → 0.5H2
OH+器壁 → 0.5(H2O2)
O+器壁 → 0.5O2
空间断链,H+O2+M→ HO2+M*
O+O2+M → O3+M*
O+H2+M→ H2O+M*
将链的支化反应合并为：
H+3H2+O2→ 2H2O+3H
如果按反应式,2H2+O2→ 2H2O，反应速度应该是：
O2
2
H2
H 2 O CKCW
d τ
dC
H2的反应速度取决于链的支化三个反应，
第一个反应的活化能最大，因此总体来说，反应速度取决于反应：
H+O2→ OH+ O，估计到温度的影响，
氢的反应速度为：
O2H
4
11 CC
RT
107,5 4
e x pT10W
一氧化碳的燃烧反应机理实践证明只有存在 H2O的情况下,CO才有可能开始快速的燃烧反应。
链的产生,H2O+CO→ H2+CO2
H2+O2→ 2OH
链的继续,OH+CO→ CO2+H
链的支化,H+O2→ OH+O
O+H2→ H+OH
断链,H+器壁 → 0.5H2
CO+O→ CO2
一氧化碳的化学反应速度见 P91公式 8-5
甲烷的燃烧反应机理碳氢化合物的燃烧反应机理很复杂，各类碳氢化合物再较低温度下即开始氧化，温度区域不同，
反应机理往往不同，在高温下除了氧化反应外，
还存在着分解和裂化反应。
详细介绍见教材 P91~92。
链锁反应的特点链锁反应的反应速度随时间的变化有一个重要特点：再反应的初期有一个,感应期 τi”。感应期内活化中心的不断积累的过程。
第三节影响化学反应速度的因素从化学反应机理的分析，以及实验研究的结果，
我们认识到影响化学反应速度的因素很多。
活化能 E
活化能：是用以克服两分子碰撞时之排斥力，及破坏原有分子结构的化学键。
例如,E1-E2=1000R，均在 300K反应，其它参数相同，则 W1/W2=exp(-1000/300)
=1/28
温度 T
温度对化学反应速度的影响成指数关系。
例如,E=2000R，在 T1=500K和
T2=1000K,W1/W2=exp(2)=7.4
活化能越大，温度对化学反应速度的影响越大。
浓度 C（分压力 p）
当反应物浓度增加，由于分子间碰撞次数增加故化学反应速度增大。反应级数越大，反应速度随浓度增加越大。
反应混合物的成分
1、化学当量比条件下，反应速度最快。
2、反应混合物中的惰性气体成分会降低反应速度。
第九章着火过程着火：燃烧化学反应速度很高时，释放大量的热，其中部分以光的形式 — 火焰表现出来，此瞬间现象称为着火。
爆炸：当燃烧反应速度达到不可控制的地步时就叫爆炸。爆炸与着火没有严格的界限。
使可燃混合物着火并开始燃烧，有两种方式：
1、自燃着火（着火）：使混合物整个容积同时达到某一温度，混合物自动地、不再需要外界作用而着火达到燃烧状态，这种过程称为着火。
2、被迫着火（点火）：用外界的能源如电热、
电火花、炽热物体或小火苗等加入到可燃混合气中，使局部温度提高，发生着火燃烧，再自动地把火焰传播到其余混气去的过程称为点火。
着火的条件分析：燃料、助燃氧化剂和温度。
着火必须着重研究温度条件和能量平衡。
第一节 着火过程第一部分
（ 热自燃着火理论）
热自燃着火理论：既然着火的反应是放热反应，那么化学反应速度达到急剧程度的主要原因是热量，即化学反应中的放热，除了各种损耗以外，仍有多余的热量加热自身，因而反应速度自我加速达到很高的程度而着火，研究的着眼点在于反应过程中热量的变化，故叫热着火理论。
我们研究一个容器，其容积为 Vr，表面积为 S，其中充满可燃混合气，起始温度为
T0，假设：
1）反应中压力不变
2）忽略辐射散热，粘性耗能和体积力
3）混合气在容器中是静止的能量方程可简化为：
ΔH
W
r
Tλ
rt
hρ
常物性条件下：
反应速度是温度的指数函数，此方程求解困难。
1、简化理论认为自燃的瞬间即达到稳定状态，故
（ *）式简化为：
( * ) W
r
Tλ
t
T
2
2
p Δ H ρc
0
t
T?
ΔH
W
r
Tλ
2
2
等式左边为散热量，稳定的均匀散热为：
式中,α— 换热系数
T— 容器内混气瞬时温度
Q散 — 单位容积的散热量等式右边为反应产生的热量 (温度变量的形式 )：
Q放 — 单位容积的散热量
r散0r2
2
VQTTSαV
r
Tλ
放
RT
E
QAeW ΔHΔH
作图求解满足热平衡的温度，并分析。
T
Q
T02T01 T03
A
B
C
D
E
着火条件除热平衡条件以外，应加入相切条件：
联立方程组：
得：
dT
dQ
dT
dQ 放散?
0
RT
E
y
B
x
A0r
2
RT
E
y
B
x
A0
r
TTeCCKV
RT
EeCCK
V
αSΔH
ΔHαS
0TTERT 0C
2
C
所以：
E/2R,1，着火温度不高，取正号无意义。
如果 4RT0/E＜ 1，则
E
4 R T11
2R
ET 0
C
E
RT
TT
E
T2R
E
2 R T
1
E
4 R T
1
2
0
0C
2
2
0
2
00
几点说明：
①取 4RT0/E＜ 1，展开多项式，对一般燃料是合理的；
②不能得到初始温度 T0越低，自燃着火温度越小的结论；
③ T0和 TC之间只相差 50℃ 左右，实验中通常用 T0代表 TC，不会引起很大的误差。
④将上式带入能量方程，得：
此式是自燃着火时各参数之间的关系式
1
RT
EVeCCK
1
RT
E
E
RT
1
RT
E
E
RT
1
RT
E
E
RT
TR
E
E
RT
V
eCCK
2
0
r
RT
E
1
y
B
x
A0
0
0
0
1
0
0
2
0
0
2
0
r
E
RT
TR
E
y
B
x
A0
0
2
0
0
αS
ΔH
αS
ΔH
2、非稳态理论容器内混合气温度随时间改变，而在容器内温度成分均匀，能量平衡方程：
带入无因次温度：
得：
ΔHρc WTT
V
Sα
dt
dT
0
r
p
02
0
TT
RT
Eθ
θRT
E
y
B
x
A02
0rp
eeCCKθ
V
Sα
dt
d θ
0
RTρc
Δ H E
ρc p
上式简化为：
τ2/τ1有极值，必须小于此值,θ才有解。
上述近似理论结论基本一致，反映了自燃现象的本质 —— 达到自燃之临界条件是热平衡能量关系。
θ1
1
1
2 eτθτdt
d θ
燃着火温度。即 达θθ
成立 时
S R Tα
eCCEKV
τ
τ
m a x
2
0
RT
E
y
B
x
A0r
cr1
2
0
到自?
ΔH
3、影响自燃的主要因素
①压力 如果其它参数为常数，自燃温度求解曲线
T
Q
T01
C
P2>P1
P2 P1
P↑ 在温度相同的情况下反应物浓度增加反应速度增加，反应放热 Q放 ↑,放热曲线向左移。
降低压力的实质是降低了反应速度，必须提高起始温度，反应才能自行加速到着火。对应一定的自燃温度，有一个最低的压力使自燃能够实现，这个压力低限为自燃的临界压力。高空飞机点火问题。
P
T0
着火区
② 混合气成分（ Xi）
对于一定的自燃温度，反应物浓度最少必须达到
XAP才能产生自燃，这是反应物低限着火浓度。
另一极端是当反应物浓度超过一定值 XAR，不能自燃，此浓度为高限着火浓度。为什么？
0 1浓度 Xi
T0
着火区
③ 容器尺寸（特征尺寸 r）
尺寸越小，越不容易着火。 r∝ Vr/S
T
Q
T01
C
④ 混合气性质活化能 E，反应热 ΔH，反应速度常数 K0等都会改变 Q放 或 Q散,所以使 TC发生变化。
第一节 着火过程第二部分
（链锁自燃理论）
谢苗诺夫的热自燃着火理论表明自燃之所以产生主要是由于感应期内分子热运动的结果，使热量不断积累达到反应自行加速。这一理论可以阐明可燃混合气中的不少现象，很多燃料在空气中常压下自燃的结果也大多符合这一理论。
但也有不少现象合实验结果，热着火理论无法解释。比如着火半岛现象。在低压下一些可燃混合气，如 H2+O2,CO+O2和 CH4+O2等，
其着火温度和临界压力的关系曲线不是热着火理论所提出的单调下降，呈 S形，有两个或两个以上的着火界限，出现所谓的 着火半岛现象 。
P
T0
着火区
400℃ 600℃
这种现象说明着火并非在所有情况下都是由于放热的积累而引起，实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应并不多，热着火理论之所以能解释一些实际燃烧现象，是由于链锁反应中间反应是由简单分子碰撞所构成，对于这些基元反应热着火理论是可以适用的。但整个反应不是简单的分子碰撞，所以有些现象热着火理论是解释不了的，特别是在低温、低压的条件下，链锁反应的特点突出，必须用链锁着火理论解释。
链锁着火理论：认为使反应自行加速并不一定要依靠热量积累，可以通过链锁的分支，迅速增殖活化中心，来促使反应不断加速达到着火爆炸。
1、链锁分支反应的发展条件链锁反应中，不但有导致活化中心形成的反应，
也有使活化中心消灭的反应，所以链锁反应的速度是否增加，取决于二者之间的关系，即活化中心浓度增加的速度。
活化中心浓度增大有两种因素,1）由于分子热运动的结果，显然这与链锁反应本身无关； 2）
由于链锁分支的结果。
下面是一个简单的链锁反应：
链的始发,M K1 R
链的增殖,R+M K2 αR+M*
链的终止,R+M K3 P（生成物）
R K4 碰壁
R K5 气相断链生成物的形成速度：
MR3
P nnK
dt
dn?
活化中心生成速度：
准稳态时：
R5R4MR3
MR2M1
R
nKnKnnK
n1 ) n-( αKnK
dt
dn
0
dt
dn R?
当自燃发生时：
M254M3
2
M13P
1 ) n-( αKKKnK
nKK
dt
dn
dt
dn P
01 ) n-( αKKKnK M254M3
M2
54M3
cr nK
KKnK
1α
上式表明达到自燃临界链锁增殖系数 α与增殖反应及终止反应速度系数有关，还与原始反应物浓度有关。
2、以 H2+O2为例，不同温度下的分支反应当温度较低时（ T0<400℃ ）
由于温度太低，热水平不高，无论氧分子或氢分子碰撞都不足以破坏自身的键，使链始发过程无法进行（即使有少量链始发反应，但终止反应很快），在任何压力下，反应无法加速到自燃。
当温度较高时（ 400℃ <T0<600℃ ）
链的始发,H2+M→ 2H+M
链的增殖,H+O2→ OH+O
O+H2→ H+OH
生成物,OH+H2→ H2O+H
链的终止,H→ 碰壁
OH→ 碰壁
O→ 碰壁说明,1）当压力很低时，链的终止反应强烈，
活化中心无法积累，不能着火。
2）压力升高，分子浓度增大，平均自由行程减少，分子碰撞机会增加，增殖反应超过了终止反应，活化中心积累，反应速度增加，
达到自燃。（低自燃着火界限）
3）压力继续升高，分子浓度增加，出现三分子反应,H+O2+M→ HO2+M*,原活泼的活化中心生成寿命较长的 HO2，使链终止，
增殖系数变为 1，整个反应再次回复到稳定反应。（高自燃着火界限）
4）压力再升高，又回到着火区
HO2+H2→ H2O2+H
H2O2→ 2OH
非常高温度下（ T0>600℃ ）分子动能较高链的增殖,H+O2→ OH+O
O+H2→ H+OH
生成物,OH+H2→ H2O+H
OH+OH→ H2O+O
链的终止,H+OH+M→ H2O+M*
H+H+M→ H2+M*
O+O+M→ O2+M*
着火半岛的影响因素综上所述，着火半岛现象可以看为链锁反应的明证。
实验表明，容器大小、材料和表面状况，或混合气中加入惰性气体都会影响着火半岛的位置，主要是低界限位置，对高界限无显著影响。
3、为什么会存在高低界限？
若容器的体积较小，且压力又低，则活化中心向壁面扩散变得十分容易，因而大大增加了壁面碰撞失去活化得机会，中断速度增加，就出现了链锁自燃的低着火界限。
若提高容器内混合气压力，由于分子浓度增大，
减少了活化中心与壁面碰撞机会，链的中断主要发生在气相内部，压力越高这种机会越多，
中断速度越来越大，就出现了链锁自燃的高界限。
越过着火高界限后，若继续提高压力，就出现第三界限，高于该界限会引起爆炸，第三界限的存在完全可用热自燃着火理论解释，因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自行加速的作用越来越重要，达到第三界限时由于放热大于散热而引起的升温和加速居支配地位。
4、感应期的确定令,f 为与温度、活化能以及其它因素有关的分支反应速度常数；
g 为与温度、活化能以及其它因素有关的链锁中断速度常数；
=f－ g 为实际链锁分支速度常数。
当达到某一温度 TC时,f=g,? =0，直线规律增大，直至反应物全部耗尽，此时不会自燃。
温度稍微降低,? =f－ g<0，速度趋于一低限值，稳定反应。温度稍高,? =f－ g>0，
活化中心不断积累产生爆炸。 TC称为链锁自燃温度。
dn/dt=W1+?n
式中,n—— 活化中心浓度
W1—— 因外界能量作用生成原始活化中心速度初始条件,t=0,n=0,dn/dt=W1
1e
φ
Wn解得,t1 φ
1e
φ
Wafa f nW反 应 t1 φ速度：
a为一个活化中心反应生成最终产物分子数。
感应期：就是反应速度由几乎为零增大到可以察觉到一定数值 Wti时所需时间。
1e
φ
WafW ti1
ti
φ
fφ，1》e 很大,φ ti?φ感应期
ti1ti eaWW φ?
5、另一链锁分支反应明证 —— 冷焰在低温低压下，燃料和氧化剂不需反应放热而可由链锁反应的自行加速产生自燃，这就是所谓冷焰现象。
以丙烷与空气反应而言，可看见有发光的火焰出现，这是由于化学冷光现象或不平衡的辐射现象，而测量其温度却很低，而且其中并不是所有反应物都消耗，压力稍增，出现热焰，才有很大温升，以及反应物浓度消耗。
碳氢燃料自燃的一般特点：
1）有感应期存在,300℃,1分钟,350~400℃,
1秒左右；
2）反应速度也被容器表面所控制；
3）反应中有醛的生成，作为中间产物，有催化作用，使反应加速，缩短感应期；
4）除很低的碳氢比的燃料外，都有冷焰出现，作为热焰的先声，即两级着火现象。
小结：
热自燃理论只考虑热平衡，所得结论只体现物理参数影响，反应动力学参数很少，
对某些自燃现象往往无法解释；
链锁自燃理论只考虑分支反应忽略热问题，
将自燃作为等温反应处理；
实际自燃现象是两者综合结果，热平衡方程和活化中心增殖方程同时求解。
第二节 点火过程（强迫着火）
强迫着火似乎和自燃着火完全不同，但两者机理是非常一致的，我们同样可用热平衡的观点分析强迫着火达到着火之临界状况时的各物理化学参数的关系。
TW
T0
x
T
除温度场分布以外，还必须注意反应物浓度的分布。强迫着火的成功必须同时考虑浓度场分布，否则不能使火焰传播。
TW
x
C 反应物生成物
1、炽热物体点火石英球半径 r，温度 TW，边界层厚度 δ，边界层混合气反应热：
散热：
WRT
E
x eCδπ
002放 Kr4Q
0W2散 TT
δ
λr4Q π
λ
eC
δ
TT WRT
E
x
000W
Δ H δ K
x
00
RT
E
0W
2
2
CHK4
eTTλNu
r
W
δ
2r
λ
Nu αd
2、火焰点火我们用来点火的先锋火焰（预燃火焰），
为无限大平面火焰，四周混合气温度 T0，
静止。
-a a
Tf
T0
能量方程为边界条件,t=0,0<|y|<a,T=Tf
a<|y|<∞,T=T0
t>0,y=0,T’=0
y=∞,T=T0,T’=0
随着时间增大，温度分布逐渐拉平。
W
y
Tλ
t
T
2
2
p ΔHρc
有两种情况：
1）先锋火焰宽度过小，则由它引起可燃混合气反应生热率低于散热率，温度场分布很快拉平，
最后导致先锋火焰熄灭。
2）先锋火焰宽度很大，则由它引起可燃混合气反应生热率大于散热率，使温度场分布延伸很远，出现火焰传播。故存在临界宽度：
2
1
0f
cr
W
TTλ
a?
3、电火花点火点火最小能量
Emin=Admin
对于大多数碳氢化合物与空气混合物
A=7.12× 10-3J·cm-2
淬熄距离：
dmin=2λ/(ρ0 V0cp)
V0为点火成功时混合气速度（即火焰传播速度）
第三节着火浓度界限点火浓度界限和着火浓度界限类似，都有浓度界限，混合气只能在一定浓度范围内才能着火，这个浓度范围称为着火浓度界限。见 P101表 9-2。
影响着火浓度的条件
1、压力仅当压力下降显著时才有明显影响，在较高压力下，压力对浓度界限几乎无影响。
2、温度提高可燃混合气初始温度，可以使点火界限变宽，温度对着火界限的影响主要反映在着火浓度上限，对着火浓度下限几乎没有影响。
3、流动速度流速越大，着火浓度范围越窄。主要表现在与换热系数有关的 Nu的变化。
4、惰性气体的掺入掺入惰性气体成分会使着火范围变窄，主要反映在着火上限。
5、可燃气体成分含有多种可燃气体成分的混合气着火浓度范围可以采用 P101公式 9-7计算。
例：某可燃气体混合物含 CO— 50%，
H2— 50%，求其在空气中的点火浓度界限。
解：查表 9-2 H2的点火浓度界限为
4.0~80.0%； CO的点火浓度界限为
12.5~80.0%。
混合气体点火浓度上限为：
混合气体点火浓度下限为：
0.80
0.80
50
0.80
50
1 0 0
1.6
5.12
50
0.4
50
100
第四节燃烧室中的着火和熄火实际的燃烧室中的着火过程并非在上述的密闭空间进行的，而是一个有连续不断的燃料和氧化剂供应，以及烟气流出的开口系统中进行的，气体流经燃烧室有一定的时间，燃料和氧化剂混合和化学反应有一定的时间，可能完全燃烧，也可能不完全燃烧。
对一简化模型进行研究条件,1）燃烧室是绝热的，着火过程和燃烧过程均为绝热过程；
2）燃烧室内温度、浓度、压力等参数和出口参数相同，即零维模型；
3）燃料和空气已充分混合均匀，进入燃烧室初始温度为 T0，浓度为 C0；
4）燃烧产物连续流出，温度为 T，
烟气中可燃物浓度为 C；
5）可燃混合物在燃烧室停留时间为
t1，完成化学反应需时间 t2。
取无因次量称为无量纲放热率或燃烧完全系数；
称为无量纲温度；
称为无量纲时间。
0C
C
1
E
RTθ?
2
1
12 t
t
t?
首先考查热量来源：单位时间可燃混合物以反应速度 W所放出的热量为同时根据质量作用定律单位时间反应放热
1
0
放 t
CC
WQ
0
0
00
2
0放
C
C
CCC
RT
E
e x p
t
1
C
RT
E
e x pKQ
整理后得到：
上式称为放热曲线。
1et θ
1
12
12
1/ θ1
t
e
1
1
其次考查热量的去向：全部的反应放热使燃烧产物热量的增加为整理得：
上式称为散热曲线。
1
0
1
0p散 t
CC
t
1
TTcQ
0
0
p
2 θθ
R
E
C
c
θ
φ
θ02θ01 θ03
A
B
C
D
E
稳定状态
A 低温稳定点
E 高温稳定点
C 着火点
D 熄火点着火和熄火的临界条件为：
d θ
d
d θ
d
21
21
分析下列情况（提问？）：
1） T0?,2） ΔH?,3） t12?,4）高温烟气循环倍率增加
θ
φ
θ0
A
B
C
D
E
总结点火的有利条件如下：
1、初始温度高 2、发热值高
3、化学反应速度高 4、火焰温度低
5、导热系数低 6、容积比热低
7、混合气压力高
8、化学当量配比（空气消耗系数 n=1）
9、气流速度低 10、湍流度低第十章火焰的传播第一节燃烧前沿面的概念及其传播机理
＋
－ u
v
第二节预混气体层流火焰预混气体的燃烧过程实质上是火焰在其中不断传播的过程，如果某炽热物体或电火花使可燃混合气某以局部着火，形成薄层火焰面，火焰面产生的热量加热邻近较冷混合气，使其温度升高着火燃烧，
这样一层一层地着火，把燃烧扩散到整个混合气，这种现象称为火焰的传播。
火焰传播的特征：是燃烧化学反应，不是在整个混合气内同时发生，而是集中在火焰面内并逐层进行的层流火焰的实验基础用微型热电偶或光学测温仪器测量发光区附近沿管长的温度分布，用抽气分析或离子感应探头可测量沿管长各切面混合气成分分布。
结果,1）反应物成分的浓度经发光区时急剧下降；
2）进入发光区混合气的温度急剧上升，
到发光区后部达到燃后最高温度；
3）从反应率沿管长各切面的分布来看，
反应主要集中在接近燃后温度之高温薄层内进行；
针对实验结果提出以下两个问题；
1）火焰发光区为什么会移动？是否类似于物质流？
2）既然燃烧反应集中在发光区内进行，
则发光区的推进速度即代表混合气燃烧速度的快慢，推进速度的规律是什么？
在发光区附近产生了强烈的物质交换和热量交换，由于对问题的侧重点不同，产生了对层流火焰传播机理的两种不同学派。
层流火焰传播的热理论
1、简单热理论早在 1885年 Mallard提出了热理论的粗糙模型。
由于在火焰焰锋宽度内虽然浓度和温度变化的区域较大，但燃烧反应集中在焰锋末端很窄的宽度内进行，据此可以近似把焰锋分成两个区域：预热区和反应区
T0
Tf
Ti
δv
预热区 反应区式中,m—— 进入每单位表面焰锋的新鲜混合气的质量流率,m=ρv=ρuL ；
T0—— 新鲜混合气初始温度；
Tf —— 燃烧结束时燃气温度；
δ —— 反应区宽度
if0ip TT
δ
λ
TTmc
整理得：
tch为新鲜混合气的反应时间
0i
if
0i
if
p
L
TT
TT
δ
a
δ
1
TT
TT
c
λ
u
ρ
chL tuδ
简单热理论用简明的推导和结论揭示了层流火焰传播的物理模型，以及与其主要影响因素的关系。
缺点,1）未知参数 Ti； 2）化学反应放热
2/1
ch0i
if
ch
L
t
a
TT
TT
t
1
au
2、泽尔多维奇理论主要论点和假设：
1）热能平衡不仅考虑新鲜混合气的热焓变化以及反应区传过来的热量，更进一步考虑了燃烧本身的放热率，亦即反应区热量的来源；
2）继承简化理论将焰锋分成预热区和反应区两区，以及两区交界温度 Ti的处理方法，根据燃烧反应主要在接近于反应结束温度 Tf下进行的事实，认为 Ti≈ Tf，避免在结束公式中出现未知温度 Ti；
3）坐标系取在焰锋上，并且混合气流动认为是稳定一维流；
4）忽略粘性、辐射传热及经管壁向外散热；
5）各物性参数均为常数，并且 D=a，扩散系数和导温系数相等，即温度场和浓度场相似。
求解能量方程：
0W
x
Tv
x
Tλ
p2
2
ΔH
d
dcρ
d
d
T0
Tf
Ti
δv
预热区 反应区
x
T
1）在预热区，化学反应速度很低，可近似认为 W=0，故：
边界条件：
0
x
Tu
x
Tλ
p2
2
d
dcρ
d
d
L
0
dx
dT
TTx
dx
dT
dx
dT
TT 0x
0
i
i
积分得：
…………… ①
2）在反应区，由于温度接近反应完成得最高温度，温度梯度小，对流项忽略不计，能量方程简化为：
TTcu
λ
1
dx
dT
0ipL
i
ρ
0W
x
Tλ
2
2
ΔH
d
d
边界条件：
积分得：
…………… ②
联立①②得：
0
dx
dT
TTx
dx
dT
dx
dT
TT 0x
f
i
i
W d T
λ
2
dx
dT f
i
T
T
2
i
另由燃烧反应热平衡，反应生成热 =混合气前后热焓增加。
n0·ΔH=ρcp(Tf－ T0)
n0为混合气浓度
W d T
λ
2TTcu
λ
1 f
i
T
T0ipL?
ρ
Wd T
n
1
TT
TT
c
2 λ
u f
i
T
T
0
2
0i
0f
p
L
ρ
且 Tf≈Ti
对于零级反应代入积分得：
TTWW d TW d T 0fT
T
T
T
f
0
f
i
t
2a
n
W
2au
1 / 2
ch0
L
eKW RT
E
0
同样可以得到一级反应和二级反应的 uL计算公式。结论和简单热理论类似，但避免了 Ti的出现。
RT
E
e x p
TT
K
E
RT
n
2a
u
1 / 2
f0f
0
2
f
0
L?
层流火焰传播的扩散理论扩散理论认为活化中心的扩散传输是火焰传播的根本原因，必须首先弄清反应中活化中心的浓度变化，再去求总的反应率。
iL
iLi
i
i
Du
0Wu
xdx
d
D
dx
d
ρ
d
dρ
层流火焰传播速度的影响因素层流火焰的传播速度与混合气的化学反应速度成正比，在某种极限条件下，反应速度降低使火焰的传播成为不可能，这种现象称为淬熄，淬熄的临界条件就是火焰的传播界限。
uL
uLmin
n=1
n
1、可燃混合气性质的影响
a,D,Tf等
2、燃料结构的影响
（ uLmax） 炔 >（ uLmax） 烯 >（ uLmax） 烷
3、可燃混气组成的影响
4、混合气压力的影响
5、可燃混合气初始温度
6、可燃混合气掺杂物第三节湍流火焰的传播学习层流火焰的传播，我们可以得出结论，
在低速或静止气流中，火焰传播正交速度只是可燃混合气的物理化学参数的函数，与流速无关。
在高速气流中又如何呢？通过研究本生灯火焰，当增加混气流速时，我们发现一些与层流火焰不同的特点。
a) 皱折； b）宽度增大； c）噪音湍流 的基本知识湍流尺度
a）连续空间不同位置 A和 B之同一方向脉动速度之相关函数：
称为欧拉相关函数。相应定义湍流尺度为：
2'2'
''
BA
BA
AB
VV
VV
R
D AB dxRlx 0方向上在
b）在连续空间一个流体微团在不同时间的同一方向脉动速度之相关函数：
称为拉格朗日相关函数。相应定义湍流尺度为：
湍流尺度的物理含义是流体微团的脉动的空间范围。
2'2'
''
ttt
ttt
t
VV
VV
R
02' dtRVl t
湍流火焰的表面理论首先研究湍流对火焰传播速度的影响并提出表面理论的是德国德邓克勒和苏联的谢尔金。
1、论点和假设
（ 1）在垂直于气流方向基元厚度 Δy的火焰来看，仍然保留层流焰锋的基本结构，所以也具备以发光为标志的火焰前锋，燃烧反应主要在焰锋中进行，同样也以层流火焰的传播速度的大小表示湍流火焰的速度。
（ 2）湍流焰锋比层流焰锋传播速度快的原因，主要在于湍流对焰锋的影响，具体表现在：
a、湍流使火焰表面皱折不平，因而大大增加了火焰前锋的表面积，这是主要方面；
b、湍流中微团脉动加强了焰锋中热量传递与活化中心的传递速率，因此虽然焰锋基本结构未变，而其中之传递过程加速。
（ 3）假设湍流各向同性，同时所有湍流参数（ V’,l,ε,DT,aT,υT）都是常数。
2、湍流尺度 l与湍流脉动速度 V’对火焰传播的影响湍流大尺度小尺度湍流强湍流弱湍流
V’ uLl δL
（ 1）小尺度弱湍流（ l<δL,V’<uL）
此时脉动作用虽可使焰锋外形发生皱折，但因为
l<δL，所以焰锋表面并未发生很大的变化，只是不再光滑，焰锋表面积略有增加，燃烧过程在质的方面没有发生根本改变。火焰传播速度之所以增大是由于湍流脉动使热传导和扩散过程变得比层流时分子迁移时更为强烈。这时火焰的传播速度公式仍然沿用：
ch
T
t
a
u?
式中,a=am+aT
aT=υT=DT= l ·V’
上式表明在小尺度弱湍流情况下，火焰传播速度与 uL有关，而且与湍流程度 l ·V’有关，即与流动有关。
m
L
m
T
LT
a
V'
1u
a
a
1uu
l
（ 2）小尺度强湍流 （ l<δL,V’>uL）
此时湍流导温系数 aT>>am
若在管内流动 l∝ d,V’∝ Vm
LT a
V'
uu
l
Reuu
Re
Vd
a
V'
LT
mm
l
实验表明：当 Re=2300~5000时 uT/uL与 Re0.5
成正比；当 Re=5000~18000时 uT/uL与 Re
成正比。
此时焰锋的宽度也因湍流脉动作用有所增大。
mL
m
2
L
m
m
LT
ch
m
LchTT
a
V'
1
u
a
u
a
a
V'
1u
t
a
utu
ll
（ 3）大尺度弱湍流（ l>δL,V’<uL）
此时因为脉动气团的尺寸（相当于 l）大于层流火焰焰锋宽度，脉动作用可使火焰焰锋面变得比小尺度更加弯曲，但由于气团相对于焰锋面的运动速度（脉动速度 V’）小于 uL，所以脉动气团不能冲破焰锋面，仍保持连续的但已被扭曲皱折的层流火焰，每一微元火焰前锋在其表面法向上仍以层流火焰传播速度 uL向新鲜混合气推进。
T
L
L
T
A
A
u
u?
r
h
uT
2
T
L
r
h
1/
A
A
锥底面积锥侧面积谢尔金湍流火焰传播速度公式。计算值与实验值相比偏大。
T
L
δh
u
rV'tV'h 且
1 / 2
2
LL
T
u
V'
1
u
u
（ 4）大尺度强湍流（ l>δL,V’>uL）
焰锋受强湍流的脉动作用不仅变得更加弯曲皱折，
甚至撕裂而不能保持连续的着火面，形成燃烧气团可能跃出焰锋面进入未燃新鲜混合气，新鲜混合气也可窜入到火焰区中燃烧，这种混合使燃烧区是一个相当宽的区域。
定义湍流火焰传播速度未湍流气团的扩散速度和层流火焰的传播速度之和，即：
LDT uuu
定义：
式中 x— 气团在 x方向上的瞬间位移；
— 湍流的平均扩散位移
tb— 气团燃烬时间
b
2
D
t
x
u?
2x
根据湍流扩散理论，当湍流度较小时，
…………… ①
根据湍流扩散理论，当湍流度较大时，
…………… ②
bLaDbLa
2 t/2 V 'ut2 V 'x ll
bLaLT t/2 V 'uu l
V'utV'x Db2
V'uu LT
怎么样得到 tb？
根据定义,tb是当气团由初始尺寸 l0减到 0
时所经历的时间。气团缩小是由于气团外表面燃烧之故，表面有弯曲皱折，但是连续的，可用①式计算火焰传播速度。
即当气团初始尺寸 l0时开始燃烧，火焰传播速度为随着气团尺寸减小，焰锋相对面积增量减小,uT减小，燃烬时
V'uu LT
LT uu?
达朗托夫假设：火焰向气团内部传播的速度随气团中未燃部分的尺寸 l变化规律是线性，即：
t=0,l=l0； t=tb,l=0
0
L
0
LT
V'u
V'uu
l
l
dt
dl
l
l
达朗托夫湍流火焰传播速度公式（如果
V’>>uL,uL项可省去）
L
LT
0
2
L
0
b
u
V'
1ln
A V '2
uu
A
u
V'
1ln
V'
t
ll
l
La
若已知燃烧区中气流平均速度，燃烧区的厚度可近似表示为：
当湍流度很大时，实验结果为：
)
u
V'
ln ( 1
ε
V)
u
V'
ln ( 1
V'
tVδ
L
0
L
0
bT
l
l
)
u
V'ln ( 1
ε
18.0δ
L
T
d
微扩散容积燃烧理论表面理论经补充和修正，已接近实际情况，但在实验观察中也发现了不少矛盾。
索莫菲尔德等人提出了另一种解释，微扩散容积燃烧理论：湍流对燃烧的影响是以微扩散作用为主，由于微扩散极其迅速，以至在气团中不可能保持层流火焰面的结构，气团内温度和浓度分布在其存在时间内是均匀的，但不同的气团中浓度和温度不同，因而在各个气团容积内进行化学反应的程度不同。类比层流火焰传播速度和反应区厚度公式，得到：
假设,aT=υT=DT
chLL
ch
m
L
tuδ
t
a
u
'tuδ
't
a
u
chTT
ch
T
T
Re
a
δu
a
δu
δ
δ
a
a
u
u
L
LL
T
TT
T
L
L
T
L
T
10
a
δu
T
TT
影响 uT的因素研究 uT是非常有价值的工作。
（ 1） V’和 uL对 uT的影响
V’和 uL是最基本最重要的影响因素。达朗托夫的实验数据：
（ 2）尺寸 d对 uT的影响在大尺度强湍流下,d和 uT几乎无关。
（ 3）可燃混合气的性质组成对 uT的影响主要对 uL影响所致，对 V’没有影响。
0,3~0,4
L
0,7~0,6
LT u5,3 V 'uu
（ 4）温度对 uT的影响
T通过 uL对 uT影响。但对 uT/ uL变化不显著。
（ 5）压力对 uT的影响压力通过 uL和 V’影响 uT，一般 P↑→ uT↑
小结
（ 1）湍流火焰传播速度的机理研究不充分，但现有资料可以看出 uT与 V’和 uL有关，大尺度强湍流 V’是主要因素。
（ 2） uT和 uL不同，不能视为混合气理化性质之一,uT比 uL大得多。
（ 3） P,T对 uT和 δT影响有实际意义，用以控制燃烧过程的好坏。
（ 4）改善燃烧性能（ uT↑ ）的方法主要有：①提高 P,T② 加强湍流度③采用 uL
大的燃料。
（ 5）实验精确测量 uT比较困难，因为：
①湍流理论发展不够；②测量技术复杂；
③ uT值与研究者理论观点与采用方法有关；④火焰本身扰动使 uT值在整个过程中变动。
第十二章 火焰的结构及其稳定火焰：由燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域。
火焰的分类：
（ 1）按燃料种类分
（ 2）按预混程度分
（ 3）按气体的流动性质分
（ 4）按火焰中的相成分分
（ 5）按火焰的几何形状分第一节预混火焰层流火焰为了保证在管道内可燃混合气能连续不断地燃烧而不致产生回火或吹熄现象，就要求火焰前锋稳定在某一位置上不动，
以点燃新鲜混合气，这就是火焰的稳定。
实际层流预混火焰的结构如图 12-1所示。
在火焰焰锋曲面上取一微元段 ab，近似认为是直线段，新鲜混合气以与焰锋表面 ab法线方向成 β角平行流向焰锋速度为 V。
Vn使火焰在法线方向移动,Vt使火焰在顺着火焰面 ab方向移动。
β
a
b
V
uL
VnVt
为了维持该段焰锋面的稳定，即空间位置不动，必须平衡两速度分量 Vn和 Vt存在的影响。
平衡 Vn是燃烧过程本身的相应传播速度，
即,│ uL│ =│ V·cosβ│
这是火焰前锋稳定存在的第一条件，一般称为余弦定律或米赫尔松余弦定律。它表达层流火焰传播速度与迎面来流气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系。
测 uL方法之一。
Vt使焰锋上质点顺着 ab方向移动，为了保持火焰前锋的稳定存在，必须有另一质点从焰锋的前端补充到 a点位置。在接近火焰根部的焰锋表面处必须有一个固定点火源存在，不断地点燃根部附近新鲜混合气以补充在根部被带走的质点，这个点火源还应具有足够强度，否则仍不能稳定焰锋的存在。
在火焰根部具有一个足够强度的固定点火源是火焰前锋存在的第二条件。
综上所述，在气流中火焰稳定存在的充要条件是：
（ 1）火焰传播速度和垂直于焰锋表面的气流法向分速平衡，即：
│ uL│ =│ V·cosβ│
（ 2）必须具有一个固定的点火源，而且该点火源还应具有足够强度。
提问：请解释火焰面（前沿面）呈图 12-3
所示。
v
r
uL V
v
r
uL V
a
v
r
uL V
b
c
v
r
uL V
d
v
r
uL V
d
湍流火焰湍流预混火焰的形状如图 12-6所示。
湍流火焰的稳定性问题主要是脱火问题。
主要采用的方法是
（ 1）利用引燃火焰稳定火焰
（ 2）利用钝体稳定火焰第二节扩散火焰燃烧室中气体燃料的扩散燃烧假设在绝热燃烧室中为纯扩散燃烧，燃烧带的可燃混合物的浓度为 C，燃烧室容积可燃混合物的平均浓度为 Ck，可燃混合物的初始浓度为 C0（假定把初始的燃料和氧化剂混合所得的浓度）。
燃烧室中的平均燃烧完全系数为：
0
k
C
C
1
首先从燃烧室的热量来源看，燃烧反应的速度为,（ t1为在燃烧室停留时间 ）
由于是扩散燃烧燃烧速度取决于扩散速度：
（ t3表示扩散时间）
1
k0
t
CC
W
3
k
t
CC
W
式中,t13=t1/t3，为扩散燃烧无因次时间。
上式称为扩散燃烧的发热曲线。与温度无关，只取决于 t1和 t3
然后从燃烧室热量去向看，全部热量用来加热燃烧产物，即：
13
1
t
1
1
1
上式为扩散燃烧的散热曲线
1
k0
1
0p t
CC
t
1
TTc
E
RTθ?
0
0
p
2 θθR
E
C
c
θ
φ
φ2
φ1
E
气体燃料的层流扩散燃烧最早研究层流扩散火焰的是伯克和舒曼。
煤气空气空气
V
扩散火焰的特征通常是以化学反应瞬间发生的那个表面描述的，而这一表面一般都是与发光的燃烧表面相重合，即扩散火焰外形，又称为火焰焰锋或燃烧区。
000
0
00
r
C
r
1
r
C
V
D
z
C
2
221
11
2
2
r
C
Rrrz
CCRrRz
CCRrz
或边界条件：
约斯脱（ Jost）导出层流扩散火焰长度计算公式为：
式中,V 为燃料和空气的速度（相等）
d 为燃料管直径
D 气体燃料扩散系数此式计算的火焰长度与实测结果基本相等。
4D
VdL 2?
气体燃料的湍流扩散火焰在燃料速度增加，扩散火焰从层流过渡到湍流状态，火焰长度和火焰形状经历了一个变化。
利用 Wolfhard和 Parker建立的燃烧器产生的平面火焰可以方便地对扩散燃烧反应区进行研究。
碳发光区，羟基谱线带，氧光谱辐射带（兰色区域）
由于扩散速度是扩散燃烧的决定因素，我们仍用层流扩散火焰计算公式计算湍流扩散火焰的长度，但是 D改为 Dt，即：
湍流火焰的长度与直径成正比，与流速无关。 P139-140有更多公式。
t
2
D
Vd
L?
dL
d''D t
lVVlV?
扩散火焰的稳定扩散火焰的稳定问题主要是防止脱火。
（ 1）在射流界面，燃烧速度和气流速度相平衡时使火焰稳定。但是这种方法在流速突变或有周期性脉动时容易引起火焰脱离而熄灭。
（ 2）喷口边缘回流，出口短圆管
（ 3）旋转产生回流区
τ=τ混 +τ热 +τ化燃烧过程的分类：
1、动力燃烧、扩散燃烧、中间燃烧
2、层流燃烧、紊流燃烧、过渡燃烧
3、同相燃烧、异相燃烧第七章 射流混合过程静止气体中的自由射流同向平行流中的自由射流交叉射流环状射流和同心射流旋转射流第八章燃烧反应速度和机理第一节化学反应速度质量作用定律,在一定温度下，气相化学反应速度与当时的反应物浓度的乘积成正比。
K反应速度常数
x+y反应级数
y
B
x
A
A CKC
d τ
dC?
阿累尼乌斯定律,反应速度常数
K0取决于反应物的常数
R通用气体常数
E活化能，其数值取决于反应物简单反应,化学反应的反应物只经一步即直接生成最终产物的反应称为简单反应或基元反应。
RT
E
0 eKK
复杂反应,需要经过中间反应步骤才能完成的反应。确定复杂反应的反应速度时，
必须寻求诸基元反应中那个反应速度最慢的基元反应，其反应速度就是整个复杂反应的速度，我们称这个基元反应为复杂反应中的控制反应。
麦克斯韦速度分布函数,
kT
mv
2
1
2
3 2
e
kT2
m
nvf
分子碰撞理论化学反应是反应物分子解体，而重新结合成新的分子结构。化学反应是如何进行的呢？
分子运动理论启发我们假设：当反应物分子群与其他反应物分子群混在一起时，分子运动必然发生碰撞，在一定条件下，就可能使反应物原分子结构解体，重新组合成新的分子结构，完成全部化学反应。
如果设想正确，我们可据此计算出分子碰撞次数与反应速度有关，与质量作用定律和阿累尼乌斯定律相符合。
对于简单反应,A+B=C+D
假设,1）分子是刚体
2）稀释气体有效碰撞频率为：
BA
BA
AB
2
BA
1 / 2
AB
RT
E
BA
mm
mm
μ
dd
μ
K"
ennK"z
π k T
绝对反应速度理论对于复杂的分子，碰撞理论计算与事实相差很大，另外分子碰撞理论中反应速度系数只能靠实验计算出来。绝对反应速度理论用分子的参数来计算反应速度。
论点如下：当具有一定能量的分子（大于活化能）相互碰撞时，首先形成一种过渡状态的活化络合物 M*，过一段时间，
这个活化络合物分解成生成物，即
A+B→ M* M* → C+D
每个 M*分解所需时间为 τ，则反应速度
W=nm*/τ
τ=hp/(kT)
hp为普朗克常数,k为波尔兹曼常数平衡常数 K=nm*/(nAnB)
故：
BA
p
nn
h
kTKW
第二节可燃气体燃烧反应机理连锁反应：是一种需要经过若干中间基元反应才能完成的复杂反应，中间反应会产生一些活性很高的中间活性产物（活化中心），再由活化中心与原始反应物进行化学反应，这时除产生最终生成物外，同时也产生若干活化中心，
因此可以使化学反应得以继续下去，在这种化学反应中，活化中心起着一种中间链节的作用，
故称其为链锁反应。
如果一链锁反应基本环节完成后，再生出来的活化中心数多于反应开始时的活化中心数（活化中心增殖），称为支链反应。由前苏联学者
1927年发现的。
氢的燃烧反应机理氢的燃烧反应机理被认为是典型的支链反应。
链的产生,H2+O2→ 2OH
H2+M→ 2H+M
O2+O2→ O3+O
链的继续与支化,H+O2→ OH+O
OH+H2→ H2O+H
O+H2→ H+OH
器壁断链,H+器壁 → 0.5H2
OH+器壁 → 0.5(H2O2)
O+器壁 → 0.5O2
空间断链,H+O2+M→ HO2+M*
O+O2+M → O3+M*
O+H2+M→ H2O+M*
将链的支化反应合并为：
H+3H2+O2→ 2H2O+3H
如果按反应式,2H2+O2→ 2H2O，反应速度应该是：
O2
2
H2
H 2 O CKCW
d τ
dC
H2的反应速度取决于链的支化三个反应，
第一个反应的活化能最大，因此总体来说，反应速度取决于反应：
H+O2→ OH+ O，估计到温度的影响，
氢的反应速度为：
O2H
4
11 CC
RT
107,5 4
e x pT10W
一氧化碳的燃烧反应机理实践证明只有存在 H2O的情况下,CO才有可能开始快速的燃烧反应。
链的产生,H2O+CO→ H2+CO2
H2+O2→ 2OH
链的继续,OH+CO→ CO2+H
链的支化,H+O2→ OH+O
O+H2→ H+OH
断链,H+器壁 → 0.5H2
CO+O→ CO2
一氧化碳的化学反应速度见 P91公式 8-5
甲烷的燃烧反应机理碳氢化合物的燃烧反应机理很复杂，各类碳氢化合物再较低温度下即开始氧化，温度区域不同，
反应机理往往不同，在高温下除了氧化反应外，
还存在着分解和裂化反应。
详细介绍见教材 P91~92。
链锁反应的特点链锁反应的反应速度随时间的变化有一个重要特点：再反应的初期有一个,感应期 τi”。感应期内活化中心的不断积累的过程。
第三节影响化学反应速度的因素从化学反应机理的分析，以及实验研究的结果，
我们认识到影响化学反应速度的因素很多。
活化能 E
活化能：是用以克服两分子碰撞时之排斥力，及破坏原有分子结构的化学键。
例如,E1-E2=1000R，均在 300K反应，其它参数相同，则 W1/W2=exp(-1000/300)
=1/28
温度 T
温度对化学反应速度的影响成指数关系。
例如,E=2000R，在 T1=500K和
T2=1000K,W1/W2=exp(2)=7.4
活化能越大，温度对化学反应速度的影响越大。
浓度 C（分压力 p）
当反应物浓度增加，由于分子间碰撞次数增加故化学反应速度增大。反应级数越大，反应速度随浓度增加越大。
反应混合物的成分
1、化学当量比条件下，反应速度最快。
2、反应混合物中的惰性气体成分会降低反应速度。
第九章着火过程着火：燃烧化学反应速度很高时，释放大量的热，其中部分以光的形式 — 火焰表现出来，此瞬间现象称为着火。
爆炸：当燃烧反应速度达到不可控制的地步时就叫爆炸。爆炸与着火没有严格的界限。
使可燃混合物着火并开始燃烧，有两种方式：
1、自燃着火（着火）：使混合物整个容积同时达到某一温度，混合物自动地、不再需要外界作用而着火达到燃烧状态，这种过程称为着火。
2、被迫着火（点火）：用外界的能源如电热、
电火花、炽热物体或小火苗等加入到可燃混合气中，使局部温度提高，发生着火燃烧，再自动地把火焰传播到其余混气去的过程称为点火。
着火的条件分析：燃料、助燃氧化剂和温度。
着火必须着重研究温度条件和能量平衡。
第一节 着火过程第一部分
（ 热自燃着火理论）
热自燃着火理论：既然着火的反应是放热反应，那么化学反应速度达到急剧程度的主要原因是热量，即化学反应中的放热，除了各种损耗以外，仍有多余的热量加热自身，因而反应速度自我加速达到很高的程度而着火，研究的着眼点在于反应过程中热量的变化，故叫热着火理论。
我们研究一个容器，其容积为 Vr，表面积为 S，其中充满可燃混合气，起始温度为
T0，假设：
1）反应中压力不变
2）忽略辐射散热，粘性耗能和体积力
3）混合气在容器中是静止的能量方程可简化为：
ΔH
W
r
Tλ
rt
hρ
常物性条件下：
反应速度是温度的指数函数，此方程求解困难。
1、简化理论认为自燃的瞬间即达到稳定状态，故
（ *）式简化为：
( * ) W
r
Tλ
t
T
2
2
p Δ H ρc
0
t
T?
ΔH
W
r
Tλ
2
2
等式左边为散热量，稳定的均匀散热为：
式中,α— 换热系数
T— 容器内混气瞬时温度
Q散 — 单位容积的散热量等式右边为反应产生的热量 (温度变量的形式 )：
Q放 — 单位容积的散热量
r散0r2
2
VQTTSαV
r
Tλ
放
RT
E
QAeW ΔHΔH
作图求解满足热平衡的温度，并分析。
T
Q
T02T01 T03
A
B
C
D
E
着火条件除热平衡条件以外，应加入相切条件：
联立方程组：
得：
dT
dQ
dT
dQ 放散?
0
RT
E
y
B
x
A0r
2
RT
E
y
B
x
A0
r
TTeCCKV
RT
EeCCK
V
αSΔH
ΔHαS
0TTERT 0C
2
C
所以：
E/2R,1，着火温度不高，取正号无意义。
如果 4RT0/E＜ 1，则
E
4 R T11
2R
ET 0
C
E
RT
TT
E
T2R
E
2 R T
1
E
4 R T
1
2
0
0C
2
2
0
2
00
几点说明：
①取 4RT0/E＜ 1，展开多项式，对一般燃料是合理的；
②不能得到初始温度 T0越低，自燃着火温度越小的结论；
③ T0和 TC之间只相差 50℃ 左右，实验中通常用 T0代表 TC，不会引起很大的误差。
④将上式带入能量方程，得：
此式是自燃着火时各参数之间的关系式
1
RT
EVeCCK
1
RT
E
E
RT
1
RT
E
E
RT
1
RT
E
E
RT
TR
E
E
RT
V
eCCK
2
0
r
RT
E
1
y
B
x
A0
0
0
0
1
0
0
2
0
0
2
0
r
E
RT
TR
E
y
B
x
A0
0
2
0
0
αS
ΔH
αS
ΔH
2、非稳态理论容器内混合气温度随时间改变，而在容器内温度成分均匀，能量平衡方程：
带入无因次温度：
得：
ΔHρc WTT
V
Sα
dt
dT
0
r
p
02
0
TT
RT
Eθ
θRT
E
y
B
x
A02
0rp
eeCCKθ
V
Sα
dt
d θ
0
RTρc
Δ H E
ρc p
上式简化为：
τ2/τ1有极值，必须小于此值,θ才有解。
上述近似理论结论基本一致，反映了自燃现象的本质 —— 达到自燃之临界条件是热平衡能量关系。
θ1
1
1
2 eτθτdt
d θ
燃着火温度。即 达θθ
成立 时
S R Tα
eCCEKV
τ
τ
m a x
2
0
RT
E
y
B
x
A0r
cr1
2
0
到自?
ΔH
3、影响自燃的主要因素
①压力 如果其它参数为常数，自燃温度求解曲线
T
Q
T01
C
P2>P1
P2 P1
P↑ 在温度相同的情况下反应物浓度增加反应速度增加，反应放热 Q放 ↑,放热曲线向左移。
降低压力的实质是降低了反应速度，必须提高起始温度，反应才能自行加速到着火。对应一定的自燃温度，有一个最低的压力使自燃能够实现，这个压力低限为自燃的临界压力。高空飞机点火问题。
P
T0
着火区
② 混合气成分（ Xi）
对于一定的自燃温度，反应物浓度最少必须达到
XAP才能产生自燃，这是反应物低限着火浓度。
另一极端是当反应物浓度超过一定值 XAR，不能自燃，此浓度为高限着火浓度。为什么？
0 1浓度 Xi
T0
着火区
③ 容器尺寸（特征尺寸 r）
尺寸越小，越不容易着火。 r∝ Vr/S
T
Q
T01
C
④ 混合气性质活化能 E，反应热 ΔH，反应速度常数 K0等都会改变 Q放 或 Q散,所以使 TC发生变化。
第一节 着火过程第二部分
（链锁自燃理论）
谢苗诺夫的热自燃着火理论表明自燃之所以产生主要是由于感应期内分子热运动的结果，使热量不断积累达到反应自行加速。这一理论可以阐明可燃混合气中的不少现象，很多燃料在空气中常压下自燃的结果也大多符合这一理论。
但也有不少现象合实验结果，热着火理论无法解释。比如着火半岛现象。在低压下一些可燃混合气，如 H2+O2,CO+O2和 CH4+O2等，
其着火温度和临界压力的关系曲线不是热着火理论所提出的单调下降，呈 S形，有两个或两个以上的着火界限，出现所谓的 着火半岛现象 。
P
T0
着火区
400℃ 600℃
这种现象说明着火并非在所有情况下都是由于放热的积累而引起，实际上，大多数碳氢化合物燃料的燃烧过程都是极复杂的链锁反应，真正简单的双分子反应并不多，热着火理论之所以能解释一些实际燃烧现象，是由于链锁反应中间反应是由简单分子碰撞所构成，对于这些基元反应热着火理论是可以适用的。但整个反应不是简单的分子碰撞，所以有些现象热着火理论是解释不了的，特别是在低温、低压的条件下，链锁反应的特点突出，必须用链锁着火理论解释。
链锁着火理论：认为使反应自行加速并不一定要依靠热量积累，可以通过链锁的分支，迅速增殖活化中心，来促使反应不断加速达到着火爆炸。
1、链锁分支反应的发展条件链锁反应中，不但有导致活化中心形成的反应，
也有使活化中心消灭的反应，所以链锁反应的速度是否增加，取决于二者之间的关系，即活化中心浓度增加的速度。
活化中心浓度增大有两种因素,1）由于分子热运动的结果，显然这与链锁反应本身无关； 2）
由于链锁分支的结果。
下面是一个简单的链锁反应：
链的始发,M K1 R
链的增殖,R+M K2 αR+M*
链的终止,R+M K3 P（生成物）
R K4 碰壁
R K5 气相断链生成物的形成速度：
MR3
P nnK
dt
dn?
活化中心生成速度：
准稳态时：
R5R4MR3
MR2M1
R
nKnKnnK
n1 ) n-( αKnK
dt
dn
0
dt
dn R?
当自燃发生时：
M254M3
2
M13P
1 ) n-( αKKKnK
nKK
dt
dn
dt
dn P
01 ) n-( αKKKnK M254M3
M2
54M3
cr nK
KKnK
1α
上式表明达到自燃临界链锁增殖系数 α与增殖反应及终止反应速度系数有关，还与原始反应物浓度有关。
2、以 H2+O2为例，不同温度下的分支反应当温度较低时（ T0<400℃ ）
由于温度太低，热水平不高，无论氧分子或氢分子碰撞都不足以破坏自身的键，使链始发过程无法进行（即使有少量链始发反应，但终止反应很快），在任何压力下，反应无法加速到自燃。
当温度较高时（ 400℃ <T0<600℃ ）
链的始发,H2+M→ 2H+M
链的增殖,H+O2→ OH+O
O+H2→ H+OH
生成物,OH+H2→ H2O+H
链的终止,H→ 碰壁
OH→ 碰壁
O→ 碰壁说明,1）当压力很低时，链的终止反应强烈，
活化中心无法积累，不能着火。
2）压力升高，分子浓度增大，平均自由行程减少，分子碰撞机会增加，增殖反应超过了终止反应，活化中心积累，反应速度增加，
达到自燃。（低自燃着火界限）
3）压力继续升高，分子浓度增加，出现三分子反应,H+O2+M→ HO2+M*,原活泼的活化中心生成寿命较长的 HO2，使链终止，
增殖系数变为 1，整个反应再次回复到稳定反应。（高自燃着火界限）
4）压力再升高，又回到着火区
HO2+H2→ H2O2+H
H2O2→ 2OH
非常高温度下（ T0>600℃ ）分子动能较高链的增殖,H+O2→ OH+O
O+H2→ H+OH
生成物,OH+H2→ H2O+H
OH+OH→ H2O+O
链的终止,H+OH+M→ H2O+M*
H+H+M→ H2+M*
O+O+M→ O2+M*
着火半岛的影响因素综上所述，着火半岛现象可以看为链锁反应的明证。
实验表明，容器大小、材料和表面状况，或混合气中加入惰性气体都会影响着火半岛的位置，主要是低界限位置，对高界限无显著影响。
3、为什么会存在高低界限？
若容器的体积较小，且压力又低，则活化中心向壁面扩散变得十分容易，因而大大增加了壁面碰撞失去活化得机会，中断速度增加，就出现了链锁自燃的低着火界限。
若提高容器内混合气压力，由于分子浓度增大，
减少了活化中心与壁面碰撞机会，链的中断主要发生在气相内部，压力越高这种机会越多，
中断速度越来越大，就出现了链锁自燃的高界限。
越过着火高界限后，若继续提高压力，就出现第三界限，高于该界限会引起爆炸，第三界限的存在完全可用热自燃着火理论解释，因随着压力的增高，反应放热的现象越来越显著，由于反应放热使热量积累而引起反应自行加速的作用越来越重要，达到第三界限时由于放热大于散热而引起的升温和加速居支配地位。
4、感应期的确定令,f 为与温度、活化能以及其它因素有关的分支反应速度常数；
g 为与温度、活化能以及其它因素有关的链锁中断速度常数；
=f－ g 为实际链锁分支速度常数。
当达到某一温度 TC时,f=g,? =0，直线规律增大，直至反应物全部耗尽，此时不会自燃。
温度稍微降低,? =f－ g<0，速度趋于一低限值，稳定反应。温度稍高,? =f－ g>0，
活化中心不断积累产生爆炸。 TC称为链锁自燃温度。
dn/dt=W1+?n
式中,n—— 活化中心浓度
W1—— 因外界能量作用生成原始活化中心速度初始条件,t=0,n=0,dn/dt=W1
1e
φ
Wn解得,t1 φ
1e
φ
Wafa f nW反 应 t1 φ速度：
a为一个活化中心反应生成最终产物分子数。
感应期：就是反应速度由几乎为零增大到可以察觉到一定数值 Wti时所需时间。
1e
φ
WafW ti1
ti
φ
fφ，1》e 很大,φ ti?φ感应期
ti1ti eaWW φ?
5、另一链锁分支反应明证 —— 冷焰在低温低压下，燃料和氧化剂不需反应放热而可由链锁反应的自行加速产生自燃，这就是所谓冷焰现象。
以丙烷与空气反应而言，可看见有发光的火焰出现，这是由于化学冷光现象或不平衡的辐射现象，而测量其温度却很低，而且其中并不是所有反应物都消耗，压力稍增，出现热焰，才有很大温升，以及反应物浓度消耗。
碳氢燃料自燃的一般特点：
1）有感应期存在,300℃,1分钟,350~400℃,
1秒左右；
2）反应速度也被容器表面所控制；
3）反应中有醛的生成，作为中间产物，有催化作用，使反应加速，缩短感应期；
4）除很低的碳氢比的燃料外，都有冷焰出现，作为热焰的先声，即两级着火现象。
小结：
热自燃理论只考虑热平衡，所得结论只体现物理参数影响，反应动力学参数很少，
对某些自燃现象往往无法解释；
链锁自燃理论只考虑分支反应忽略热问题，
将自燃作为等温反应处理；
实际自燃现象是两者综合结果，热平衡方程和活化中心增殖方程同时求解。
第二节 点火过程（强迫着火）
强迫着火似乎和自燃着火完全不同，但两者机理是非常一致的，我们同样可用热平衡的观点分析强迫着火达到着火之临界状况时的各物理化学参数的关系。
TW
T0
x
T
除温度场分布以外，还必须注意反应物浓度的分布。强迫着火的成功必须同时考虑浓度场分布，否则不能使火焰传播。
TW
x
C 反应物生成物
1、炽热物体点火石英球半径 r，温度 TW，边界层厚度 δ，边界层混合气反应热：
散热：
WRT
E
x eCδπ
002放 Kr4Q
0W2散 TT
δ
λr4Q π
λ
eC
δ
TT WRT
E
x
000W
Δ H δ K
x
00
RT
E
0W
2
2
CHK4
eTTλNu
r
W
δ
2r
λ
Nu αd
2、火焰点火我们用来点火的先锋火焰（预燃火焰），
为无限大平面火焰，四周混合气温度 T0，
静止。
-a a
Tf
T0
能量方程为边界条件,t=0,0<|y|<a,T=Tf
a<|y|<∞,T=T0
t>0,y=0,T’=0
y=∞,T=T0,T’=0
随着时间增大，温度分布逐渐拉平。
W
y
Tλ
t
T
2
2
p ΔHρc
有两种情况：
1）先锋火焰宽度过小，则由它引起可燃混合气反应生热率低于散热率，温度场分布很快拉平，
最后导致先锋火焰熄灭。
2）先锋火焰宽度很大，则由它引起可燃混合气反应生热率大于散热率，使温度场分布延伸很远，出现火焰传播。故存在临界宽度：
2
1
0f
cr
W
TTλ
a?
3、电火花点火点火最小能量
Emin=Admin
对于大多数碳氢化合物与空气混合物
A=7.12× 10-3J·cm-2
淬熄距离：
dmin=2λ/(ρ0 V0cp)
V0为点火成功时混合气速度（即火焰传播速度）
第三节着火浓度界限点火浓度界限和着火浓度界限类似，都有浓度界限，混合气只能在一定浓度范围内才能着火，这个浓度范围称为着火浓度界限。见 P101表 9-2。
影响着火浓度的条件
1、压力仅当压力下降显著时才有明显影响，在较高压力下，压力对浓度界限几乎无影响。
2、温度提高可燃混合气初始温度，可以使点火界限变宽，温度对着火界限的影响主要反映在着火浓度上限，对着火浓度下限几乎没有影响。
3、流动速度流速越大，着火浓度范围越窄。主要表现在与换热系数有关的 Nu的变化。
4、惰性气体的掺入掺入惰性气体成分会使着火范围变窄，主要反映在着火上限。
5、可燃气体成分含有多种可燃气体成分的混合气着火浓度范围可以采用 P101公式 9-7计算。
例：某可燃气体混合物含 CO— 50%，
H2— 50%，求其在空气中的点火浓度界限。
解：查表 9-2 H2的点火浓度界限为
4.0~80.0%； CO的点火浓度界限为
12.5~80.0%。
混合气体点火浓度上限为：
混合气体点火浓度下限为：
0.80
0.80
50
0.80
50
1 0 0
1.6
5.12
50
0.4
50
100
第四节燃烧室中的着火和熄火实际的燃烧室中的着火过程并非在上述的密闭空间进行的，而是一个有连续不断的燃料和氧化剂供应，以及烟气流出的开口系统中进行的，气体流经燃烧室有一定的时间，燃料和氧化剂混合和化学反应有一定的时间，可能完全燃烧，也可能不完全燃烧。
对一简化模型进行研究条件,1）燃烧室是绝热的，着火过程和燃烧过程均为绝热过程；
2）燃烧室内温度、浓度、压力等参数和出口参数相同，即零维模型；
3）燃料和空气已充分混合均匀，进入燃烧室初始温度为 T0，浓度为 C0；
4）燃烧产物连续流出，温度为 T，
烟气中可燃物浓度为 C；
5）可燃混合物在燃烧室停留时间为
t1，完成化学反应需时间 t2。
取无因次量称为无量纲放热率或燃烧完全系数；
称为无量纲温度；
称为无量纲时间。
0C
C
1
E
RTθ?
2
1
12 t
t
t?
首先考查热量来源：单位时间可燃混合物以反应速度 W所放出的热量为同时根据质量作用定律单位时间反应放热
1
0
放 t
CC
WQ
0
0
00
2
0放
C
C
CCC
RT
E
e x p
t
1
C
RT
E
e x pKQ
整理后得到：
上式称为放热曲线。
1et θ
1
12
12
1/ θ1
t
e
1
1
其次考查热量的去向：全部的反应放热使燃烧产物热量的增加为整理得：
上式称为散热曲线。
1
0
1
0p散 t
CC
t
1
TTcQ
0
0
p
2 θθ
R
E
C
c
θ
φ
θ02θ01 θ03
A
B
C
D
E
稳定状态
A 低温稳定点
E 高温稳定点
C 着火点
D 熄火点着火和熄火的临界条件为：
d θ
d
d θ
d
21
21
分析下列情况（提问？）：
1） T0?,2） ΔH?,3） t12?,4）高温烟气循环倍率增加
θ
φ
θ0
A
B
C
D
E
总结点火的有利条件如下：
1、初始温度高 2、发热值高
3、化学反应速度高 4、火焰温度低
5、导热系数低 6、容积比热低
7、混合气压力高
8、化学当量配比（空气消耗系数 n=1）
9、气流速度低 10、湍流度低第十章火焰的传播第一节燃烧前沿面的概念及其传播机理
＋
－ u
v
第二节预混气体层流火焰预混气体的燃烧过程实质上是火焰在其中不断传播的过程，如果某炽热物体或电火花使可燃混合气某以局部着火，形成薄层火焰面，火焰面产生的热量加热邻近较冷混合气，使其温度升高着火燃烧，
这样一层一层地着火，把燃烧扩散到整个混合气，这种现象称为火焰的传播。
火焰传播的特征：是燃烧化学反应，不是在整个混合气内同时发生，而是集中在火焰面内并逐层进行的层流火焰的实验基础用微型热电偶或光学测温仪器测量发光区附近沿管长的温度分布，用抽气分析或离子感应探头可测量沿管长各切面混合气成分分布。
结果,1）反应物成分的浓度经发光区时急剧下降；
2）进入发光区混合气的温度急剧上升，
到发光区后部达到燃后最高温度；
3）从反应率沿管长各切面的分布来看，
反应主要集中在接近燃后温度之高温薄层内进行；
针对实验结果提出以下两个问题；
1）火焰发光区为什么会移动？是否类似于物质流？
2）既然燃烧反应集中在发光区内进行，
则发光区的推进速度即代表混合气燃烧速度的快慢，推进速度的规律是什么？
在发光区附近产生了强烈的物质交换和热量交换，由于对问题的侧重点不同，产生了对层流火焰传播机理的两种不同学派。
层流火焰传播的热理论
1、简单热理论早在 1885年 Mallard提出了热理论的粗糙模型。
由于在火焰焰锋宽度内虽然浓度和温度变化的区域较大，但燃烧反应集中在焰锋末端很窄的宽度内进行，据此可以近似把焰锋分成两个区域：预热区和反应区
T0
Tf
Ti
δv
预热区 反应区式中,m—— 进入每单位表面焰锋的新鲜混合气的质量流率,m=ρv=ρuL ；
T0—— 新鲜混合气初始温度；
Tf —— 燃烧结束时燃气温度；
δ —— 反应区宽度
if0ip TT
δ
λ
TTmc
整理得：
tch为新鲜混合气的反应时间
0i
if
0i
if
p
L
TT
TT
δ
a
δ
1
TT
TT
c
λ
u
ρ
chL tuδ
简单热理论用简明的推导和结论揭示了层流火焰传播的物理模型，以及与其主要影响因素的关系。
缺点,1）未知参数 Ti； 2）化学反应放热
2/1
ch0i
if
ch
L
t
a
TT
TT
t
1
au
2、泽尔多维奇理论主要论点和假设：
1）热能平衡不仅考虑新鲜混合气的热焓变化以及反应区传过来的热量，更进一步考虑了燃烧本身的放热率，亦即反应区热量的来源；
2）继承简化理论将焰锋分成预热区和反应区两区，以及两区交界温度 Ti的处理方法，根据燃烧反应主要在接近于反应结束温度 Tf下进行的事实，认为 Ti≈ Tf，避免在结束公式中出现未知温度 Ti；
3）坐标系取在焰锋上，并且混合气流动认为是稳定一维流；
4）忽略粘性、辐射传热及经管壁向外散热；
5）各物性参数均为常数，并且 D=a，扩散系数和导温系数相等，即温度场和浓度场相似。
求解能量方程：
0W
x
Tv
x
Tλ
p2
2
ΔH
d
dcρ
d
d
T0
Tf
Ti
δv
预热区 反应区
x
T
1）在预热区，化学反应速度很低，可近似认为 W=0，故：
边界条件：
0
x
Tu
x
Tλ
p2
2
d
dcρ
d
d
L
0
dx
dT
TTx
dx
dT
dx
dT
TT 0x
0
i
i
积分得：
…………… ①
2）在反应区，由于温度接近反应完成得最高温度，温度梯度小，对流项忽略不计，能量方程简化为：
TTcu
λ
1
dx
dT
0ipL
i
ρ
0W
x
Tλ
2
2
ΔH
d
d
边界条件：
积分得：
…………… ②
联立①②得：
0
dx
dT
TTx
dx
dT
dx
dT
TT 0x
f
i
i
W d T
λ
2
dx
dT f
i
T
T
2
i
另由燃烧反应热平衡，反应生成热 =混合气前后热焓增加。
n0·ΔH=ρcp(Tf－ T0)
n0为混合气浓度
W d T
λ
2TTcu
λ
1 f
i
T
T0ipL?
ρ
Wd T
n
1
TT
TT
c
2 λ
u f
i
T
T
0
2
0i
0f
p
L
ρ
且 Tf≈Ti
对于零级反应代入积分得：
TTWW d TW d T 0fT
T
T
T
f
0
f
i
t
2a
n
W
2au
1 / 2
ch0
L
eKW RT
E
0
同样可以得到一级反应和二级反应的 uL计算公式。结论和简单热理论类似，但避免了 Ti的出现。
RT
E
e x p
TT
K
E
RT
n
2a
u
1 / 2
f0f
0
2
f
0
L?
层流火焰传播的扩散理论扩散理论认为活化中心的扩散传输是火焰传播的根本原因，必须首先弄清反应中活化中心的浓度变化，再去求总的反应率。
iL
iLi
i
i
Du
0Wu
xdx
d
D
dx
d
ρ
d
dρ
层流火焰传播速度的影响因素层流火焰的传播速度与混合气的化学反应速度成正比，在某种极限条件下，反应速度降低使火焰的传播成为不可能，这种现象称为淬熄，淬熄的临界条件就是火焰的传播界限。
uL
uLmin
n=1
n
1、可燃混合气性质的影响
a,D,Tf等
2、燃料结构的影响
（ uLmax） 炔 >（ uLmax） 烯 >（ uLmax） 烷
3、可燃混气组成的影响
4、混合气压力的影响
5、可燃混合气初始温度
6、可燃混合气掺杂物第三节湍流火焰的传播学习层流火焰的传播，我们可以得出结论，
在低速或静止气流中，火焰传播正交速度只是可燃混合气的物理化学参数的函数，与流速无关。
在高速气流中又如何呢？通过研究本生灯火焰，当增加混气流速时，我们发现一些与层流火焰不同的特点。
a) 皱折； b）宽度增大； c）噪音湍流 的基本知识湍流尺度
a）连续空间不同位置 A和 B之同一方向脉动速度之相关函数：
称为欧拉相关函数。相应定义湍流尺度为：
2'2'
''
BA
BA
AB
VV
VV
R
D AB dxRlx 0方向上在
b）在连续空间一个流体微团在不同时间的同一方向脉动速度之相关函数：
称为拉格朗日相关函数。相应定义湍流尺度为：
湍流尺度的物理含义是流体微团的脉动的空间范围。
2'2'
''
ttt
ttt
t
VV
VV
R
02' dtRVl t
湍流火焰的表面理论首先研究湍流对火焰传播速度的影响并提出表面理论的是德国德邓克勒和苏联的谢尔金。
1、论点和假设
（ 1）在垂直于气流方向基元厚度 Δy的火焰来看，仍然保留层流焰锋的基本结构，所以也具备以发光为标志的火焰前锋，燃烧反应主要在焰锋中进行，同样也以层流火焰的传播速度的大小表示湍流火焰的速度。
（ 2）湍流焰锋比层流焰锋传播速度快的原因，主要在于湍流对焰锋的影响，具体表现在：
a、湍流使火焰表面皱折不平，因而大大增加了火焰前锋的表面积，这是主要方面；
b、湍流中微团脉动加强了焰锋中热量传递与活化中心的传递速率，因此虽然焰锋基本结构未变，而其中之传递过程加速。
（ 3）假设湍流各向同性，同时所有湍流参数（ V’,l,ε,DT,aT,υT）都是常数。
2、湍流尺度 l与湍流脉动速度 V’对火焰传播的影响湍流大尺度小尺度湍流强湍流弱湍流
V’ uLl δL
（ 1）小尺度弱湍流（ l<δL,V’<uL）
此时脉动作用虽可使焰锋外形发生皱折，但因为
l<δL，所以焰锋表面并未发生很大的变化，只是不再光滑，焰锋表面积略有增加，燃烧过程在质的方面没有发生根本改变。火焰传播速度之所以增大是由于湍流脉动使热传导和扩散过程变得比层流时分子迁移时更为强烈。这时火焰的传播速度公式仍然沿用：
ch
T
t
a
u?
式中,a=am+aT
aT=υT=DT= l ·V’
上式表明在小尺度弱湍流情况下，火焰传播速度与 uL有关，而且与湍流程度 l ·V’有关，即与流动有关。
m
L
m
T
LT
a
V'
1u
a
a
1uu
l
（ 2）小尺度强湍流 （ l<δL,V’>uL）
此时湍流导温系数 aT>>am
若在管内流动 l∝ d,V’∝ Vm
LT a
V'
uu
l
Reuu
Re
Vd
a
V'
LT
mm
l
实验表明：当 Re=2300~5000时 uT/uL与 Re0.5
成正比；当 Re=5000~18000时 uT/uL与 Re
成正比。
此时焰锋的宽度也因湍流脉动作用有所增大。
mL
m
2
L
m
m
LT
ch
m
LchTT
a
V'
1
u
a
u
a
a
V'
1u
t
a
utu
ll
（ 3）大尺度弱湍流（ l>δL,V’<uL）
此时因为脉动气团的尺寸（相当于 l）大于层流火焰焰锋宽度，脉动作用可使火焰焰锋面变得比小尺度更加弯曲，但由于气团相对于焰锋面的运动速度（脉动速度 V’）小于 uL，所以脉动气团不能冲破焰锋面，仍保持连续的但已被扭曲皱折的层流火焰，每一微元火焰前锋在其表面法向上仍以层流火焰传播速度 uL向新鲜混合气推进。
T
L
L
T
A
A
u
u?
r
h
uT
2
T
L
r
h
1/
A
A
锥底面积锥侧面积谢尔金湍流火焰传播速度公式。计算值与实验值相比偏大。
T
L
δh
u
rV'tV'h 且
1 / 2
2
LL
T
u
V'
1
u
u
（ 4）大尺度强湍流（ l>δL,V’>uL）
焰锋受强湍流的脉动作用不仅变得更加弯曲皱折，
甚至撕裂而不能保持连续的着火面，形成燃烧气团可能跃出焰锋面进入未燃新鲜混合气，新鲜混合气也可窜入到火焰区中燃烧，这种混合使燃烧区是一个相当宽的区域。
定义湍流火焰传播速度未湍流气团的扩散速度和层流火焰的传播速度之和，即：
LDT uuu
定义：
式中 x— 气团在 x方向上的瞬间位移；
— 湍流的平均扩散位移
tb— 气团燃烬时间
b
2
D
t
x
u?
2x
根据湍流扩散理论，当湍流度较小时，
…………… ①
根据湍流扩散理论，当湍流度较大时，
…………… ②
bLaDbLa
2 t/2 V 'ut2 V 'x ll
bLaLT t/2 V 'uu l
V'utV'x Db2
V'uu LT
怎么样得到 tb？
根据定义,tb是当气团由初始尺寸 l0减到 0
时所经历的时间。气团缩小是由于气团外表面燃烧之故，表面有弯曲皱折，但是连续的，可用①式计算火焰传播速度。
即当气团初始尺寸 l0时开始燃烧，火焰传播速度为随着气团尺寸减小，焰锋相对面积增量减小,uT减小，燃烬时
V'uu LT
LT uu?
达朗托夫假设：火焰向气团内部传播的速度随气团中未燃部分的尺寸 l变化规律是线性，即：
t=0,l=l0； t=tb,l=0
0
L
0
LT
V'u
V'uu
l
l
dt
dl
l
l
达朗托夫湍流火焰传播速度公式（如果
V’>>uL,uL项可省去）
L
LT
0
2
L
0
b
u
V'
1ln
A V '2
uu
A
u
V'
1ln
V'
t
ll
l
La
若已知燃烧区中气流平均速度，燃烧区的厚度可近似表示为：
当湍流度很大时，实验结果为：
)
u
V'
ln ( 1
ε
V)
u
V'
ln ( 1
V'
tVδ
L
0
L
0
bT
l
l
)
u
V'ln ( 1
ε
18.0δ
L
T
d
微扩散容积燃烧理论表面理论经补充和修正，已接近实际情况，但在实验观察中也发现了不少矛盾。
索莫菲尔德等人提出了另一种解释，微扩散容积燃烧理论：湍流对燃烧的影响是以微扩散作用为主，由于微扩散极其迅速，以至在气团中不可能保持层流火焰面的结构，气团内温度和浓度分布在其存在时间内是均匀的，但不同的气团中浓度和温度不同，因而在各个气团容积内进行化学反应的程度不同。类比层流火焰传播速度和反应区厚度公式，得到：
假设,aT=υT=DT
chLL
ch
m
L
tuδ
t
a
u
'tuδ
't
a
u
chTT
ch
T
T
Re
a
δu
a
δu
δ
δ
a
a
u
u
L
LL
T
TT
T
L
L
T
L
T
10
a
δu
T
TT
影响 uT的因素研究 uT是非常有价值的工作。
（ 1） V’和 uL对 uT的影响
V’和 uL是最基本最重要的影响因素。达朗托夫的实验数据：
（ 2）尺寸 d对 uT的影响在大尺度强湍流下,d和 uT几乎无关。
（ 3）可燃混合气的性质组成对 uT的影响主要对 uL影响所致，对 V’没有影响。
0,3~0,4
L
0,7~0,6
LT u5,3 V 'uu
（ 4）温度对 uT的影响
T通过 uL对 uT影响。但对 uT/ uL变化不显著。
（ 5）压力对 uT的影响压力通过 uL和 V’影响 uT，一般 P↑→ uT↑
小结
（ 1）湍流火焰传播速度的机理研究不充分，但现有资料可以看出 uT与 V’和 uL有关，大尺度强湍流 V’是主要因素。
（ 2） uT和 uL不同，不能视为混合气理化性质之一,uT比 uL大得多。
（ 3） P,T对 uT和 δT影响有实际意义，用以控制燃烧过程的好坏。
（ 4）改善燃烧性能（ uT↑ ）的方法主要有：①提高 P,T② 加强湍流度③采用 uL
大的燃料。
（ 5）实验精确测量 uT比较困难，因为：
①湍流理论发展不够；②测量技术复杂；
③ uT值与研究者理论观点与采用方法有关；④火焰本身扰动使 uT值在整个过程中变动。
第十二章 火焰的结构及其稳定火焰：由燃烧前沿和正在燃烧的质点所包围的区域。
火焰的分类：
（ 1）按燃料种类分
（ 2）按预混程度分
（ 3）按气体的流动性质分
（ 4）按火焰中的相成分分
（ 5）按火焰的几何形状分第一节预混火焰层流火焰为了保证在管道内可燃混合气能连续不断地燃烧而不致产生回火或吹熄现象，就要求火焰前锋稳定在某一位置上不动，
以点燃新鲜混合气，这就是火焰的稳定。
实际层流预混火焰的结构如图 12-1所示。
在火焰焰锋曲面上取一微元段 ab，近似认为是直线段，新鲜混合气以与焰锋表面 ab法线方向成 β角平行流向焰锋速度为 V。
Vn使火焰在法线方向移动,Vt使火焰在顺着火焰面 ab方向移动。
β
a
b
V
uL
VnVt
为了维持该段焰锋面的稳定，即空间位置不动，必须平衡两速度分量 Vn和 Vt存在的影响。
平衡 Vn是燃烧过程本身的相应传播速度，
即,│ uL│ =│ V·cosβ│
这是火焰前锋稳定存在的第一条件，一般称为余弦定律或米赫尔松余弦定律。它表达层流火焰传播速度与迎面来流气流速度在火焰稳定情况下的平衡关系。
测 uL方法之一。
Vt使焰锋上质点顺着 ab方向移动，为了保持火焰前锋的稳定存在，必须有另一质点从焰锋的前端补充到 a点位置。在接近火焰根部的焰锋表面处必须有一个固定点火源存在，不断地点燃根部附近新鲜混合气以补充在根部被带走的质点，这个点火源还应具有足够强度，否则仍不能稳定焰锋的存在。
在火焰根部具有一个足够强度的固定点火源是火焰前锋存在的第二条件。
综上所述，在气流中火焰稳定存在的充要条件是：
（ 1）火焰传播速度和垂直于焰锋表面的气流法向分速平衡，即：
│ uL│ =│ V·cosβ│
（ 2）必须具有一个固定的点火源，而且该点火源还应具有足够强度。
提问：请解释火焰面（前沿面）呈图 12-3
所示。
v
r
uL V
v
r
uL V
a
v
r
uL V
b
c
v
r
uL V
d
v
r
uL V
d
湍流火焰湍流预混火焰的形状如图 12-6所示。
湍流火焰的稳定性问题主要是脱火问题。
主要采用的方法是
（ 1）利用引燃火焰稳定火焰
（ 2）利用钝体稳定火焰第二节扩散火焰燃烧室中气体燃料的扩散燃烧假设在绝热燃烧室中为纯扩散燃烧，燃烧带的可燃混合物的浓度为 C，燃烧室容积可燃混合物的平均浓度为 Ck，可燃混合物的初始浓度为 C0（假定把初始的燃料和氧化剂混合所得的浓度）。
燃烧室中的平均燃烧完全系数为：
0
k
C
C
1
首先从燃烧室的热量来源看，燃烧反应的速度为,（ t1为在燃烧室停留时间 ）
由于是扩散燃烧燃烧速度取决于扩散速度：
（ t3表示扩散时间）
1
k0
t
CC
W
3
k
t
CC
W
式中,t13=t1/t3，为扩散燃烧无因次时间。
上式称为扩散燃烧的发热曲线。与温度无关，只取决于 t1和 t3
然后从燃烧室热量去向看，全部热量用来加热燃烧产物，即：
13
1
t
1
1
1
上式为扩散燃烧的散热曲线
1
k0
1
0p t
CC
t
1
TTc
E
RTθ?
0
0
p
2 θθR
E
C
c
θ
φ
φ2
φ1
E
气体燃料的层流扩散燃烧最早研究层流扩散火焰的是伯克和舒曼。
煤气空气空气
V
扩散火焰的特征通常是以化学反应瞬间发生的那个表面描述的，而这一表面一般都是与发光的燃烧表面相重合，即扩散火焰外形，又称为火焰焰锋或燃烧区。
000
0
00
r
C
r
1
r
C
V
D
z
C
2
221
11
2
2
r
C
Rrrz
CCRrRz
CCRrz
或边界条件：
约斯脱（ Jost）导出层流扩散火焰长度计算公式为：
式中,V 为燃料和空气的速度（相等）
d 为燃料管直径
D 气体燃料扩散系数此式计算的火焰长度与实测结果基本相等。
4D
VdL 2?
气体燃料的湍流扩散火焰在燃料速度增加，扩散火焰从层流过渡到湍流状态，火焰长度和火焰形状经历了一个变化。
利用 Wolfhard和 Parker建立的燃烧器产生的平面火焰可以方便地对扩散燃烧反应区进行研究。
碳发光区，羟基谱线带，氧光谱辐射带（兰色区域）
由于扩散速度是扩散燃烧的决定因素，我们仍用层流扩散火焰计算公式计算湍流扩散火焰的长度，但是 D改为 Dt，即：
湍流火焰的长度与直径成正比，与流速无关。 P139-140有更多公式。
t
2
D
Vd
L?
dL
d''D t
lVVlV?
扩散火焰的稳定扩散火焰的稳定问题主要是防止脱火。
（ 1）在射流界面，燃烧速度和气流速度相平衡时使火焰稳定。但是这种方法在流速突变或有周期性脉动时容易引起火焰脱离而熄灭。
（ 2）喷口边缘回流，出口短圆管
（ 3）旋转产生回流区
