The State Key Lab,of Coal Combustion,HUST
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第七章 层流火焰
燃烧理论与应用 ---
华中科技大学
煤燃烧国家重点实验室
层流火焰
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层流火焰 ------燃烧与火焰
一、燃烧与火焰
★ 燃烧
发生燃烧反应的外部表现 ★ 火焰
燃料和氧化剂两种组份在空间激烈地发生放
热化学反应的过程
（火焰－燃烧波、火焰前沿、火焰前锋）
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★ 发光、发热
火焰的几个重要特征
★ 电离
★ 自行传播
层流火焰 ------燃烧与火焰
热和辐射现象
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O·
未燃气
火焰前锋
容器
已燃气
层流火焰 ------燃烧与火焰
火焰前锋厚度一般约为 10-3m
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◆ 缓燃（爆燃） -- 燃烧波传播的速度为亚音速
◆ 爆震 -- 燃烧波传播的速度为超音速
◆ 爆炸 -- 释热速率极大，不需要有燃烧波在介
质中的传播
deflagration
detonation
层流火焰 ------燃烧与火焰
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湍流火焰
◆ 根据混合气的流动状态分
火焰分类
层流 火焰
◆ 根据混合气反应前的接触状态分
扩散火焰
预混火焰
层流火焰 ------燃烧与火焰
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本生灯火焰
层流火焰 ------燃烧与火焰
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层流火焰 ------层流预混火焰
二、层流预混火焰
1.火焰传播速度（ SL）
--- 定义：火焰相对于未燃混合气在其法线
方向上的速度
--- 物理意义,
L
dxS
dt
?
代表单位时间内在火焰前锋的单位表面上所燃
去的混合气体的体积 [cm3/s·cm2=cm/s]
cm/s
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★ 几个概念
--- 火焰移动速度（ Ua）：火焰前锋在未燃混合气
中相对于静止坐标系的前进速度
--- 混合气运动速度（ vu）
a u LU v S??
层流火焰 ------层流预混火焰
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a u LU v S??
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
Ua
层流火焰 ------层流预混火焰
SL
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★ SL=vu,Ua=0 稳定
a u LU v S??
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
层流火焰 ------层流预混火焰
Ua S
L
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★ SL>vu,Ua<0 回火
a u LU v S??
★ SL=vu,Ua=0 稳定
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
层流火焰 ------层流预混火焰
Ua S
L
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a u LU v S??
★ SL<vu,Ua>0 吹除
★ SL=vu,Ua=0 稳定
★ SL>vu,Ua<0 回火
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
层流火焰 ------层流预混火焰
Ua S
L
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2.层流火焰传播速度理论
★ 热理论
★ 扩散理论
★ 综合理论
火焰中的化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化
而引起的，所以，化学反应区（火焰前锋）在空间中的
移动取决于从反应区向未燃气传热的热导率。
火焰中的化学反应主要是由于活化中心向未燃气的扩散
热传递与扩散共同作用
层流火焰 ------层流预混火焰
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★ 层流火焰结构
vu 未燃气 已燃气 vb
δ
δ P δ c
ρ u ρ b
层流火焰 ------层流预混火焰
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3.Spalding的简化理论
耦合传热、传质、化学动力学以及热力学的
原理来理解支配火焰速度和火焰厚度的因素
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 1)温度
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 1)温度
〔 安德鲁斯（ Andrews）和布拉德利（ Bradley） 〕
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 1)温度
常压
CH4-Air
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 2)压力
( 2 ) / 2n
LSP
??
〔 安德鲁斯（ Andrews）和布拉德利（ Bradley） 〕
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 2)压力
CH4-Air
Tu＝ 16-27℃
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 3)当量比
常压
CH4-Air
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 3)当量比
常压
CH4-Air
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 4)燃料类型
燃料 分子式 SL（ cm/s）
Methane CH4 40
Acetylene C2H2 136
Ethylene C2H4 67
Ethane C2H6 43
Propane C3H8 44
Hydrogen H2 210
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 5)混合气中掺杂物的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 5)混合气中掺杂物的影响
22' { 1 0, 0 1 [ ] 0, 0 1 2 [ ] }LLS S N C O? ? ?
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
困难一,不容易获得一个稳定的平面火焰
困难二,确定火焰前沿
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 1)本生灯法
火焰内锥的表面积 Af
管子的横截面积 At
t
Lt
f
ASV
A
?
管内平均流体速度 Vt
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 2)平面火焰法
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 3)球弹法
33
23L
d r d p a r
S
d t d t p r?
?
??
γ －未燃气比热比
α －球半径
r－压力为 p时的火焰半径
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 4)粒子示踪法
（ 5)驻定火焰法
（ 6)透明管法
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
--- 淬熄距离,火焰在圆形管道内熄灭（不传播）
的临界直径
--- 熄火现象,强烈的放热反应 ?无反应状况
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
温度和压力对淬熄距离的影响,
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
--- 下限,使火焰稳定传播的最小混合比（ Φ <1）
--- 上限 最大的混合比（ Φ >1）
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
Φ=1 Φ<1 Φ>1 Φ
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
影响火焰传播极限的因素
燃料种类
混合气的组成
温度
压力
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
实验条件,T=20℃
1-甲烷
2-丁烷
3-乙烷
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
--- 着火 混合气自动的反应加速、升温，以致引起
空间某部或在某时间出现火焰
--- 着火方式 自燃与点燃
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
--- 着火条件 如果在一定的初始条件或边界条件 (闭口系统 )
之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统
在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应态（
即燃烧态），那么，实现这个过渡的初始条件
或边界条件便称为, 着火条件,
--- 最小着火能 将混合气从初始状态加热到火焰温度所需
要的能量
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
压力和温度对最小着火能的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
压力和温度对最小着火能的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
压力和温度对最小着火能的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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7.火焰稳定
★ 回火 (flashback )
层流火焰 ------层流预混火焰
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★ 回火 (flashback )
层流火焰 ------层流预混火焰
7.火焰稳定
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★ 火焰提升 (liftoff)
7.火焰稳定
★ 回火 (flashback )
层流火焰 ------层流预混火焰
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7.火焰稳定
★ 回火 (flashback )
★ 火焰提升 (liftoff)
层流火焰 ------层流预混火焰
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7.火焰稳定
天然气
含氢气的人工合成气
层流火焰 ------层流预混火焰
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层流火焰 ------层流扩散火焰
三、层流扩散火焰
1.基本概念
（ 1)火焰外形
过量供气火焰
供气不足火焰
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层流火焰 ------层流扩散火焰
1.基本概念
（ 2)火焰结构
空气 燃料 空气
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2.无反应的常密度层流射流
（ 1)物理描述
中心 径向
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 2)速度分布
任一 x位置射流的动量,J ＝ 来自喷嘴的动量,Je
轴向速度分布
中心速度
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 2)速度分布
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 3)射流半宽、扩展速率和扩展角
★ 射流半宽（ jet half-width)：射流速度下降到中心速度值一半时
的径向位置
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 3)射流半宽、扩展速率和扩展角
★ 扩展速率（ spreading rate),射流半宽与轴线距离 x的比值
★ 扩展角 (spreading angle )：扩展速率的正切角
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 4)浓度场
中心线上质量分数
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ Burke & Schumann 理论（ 1928）
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ 常密度解法
★ 变密度解法（ Fay）
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ ROPER理论（ 1977）
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ 数值解法
层流火焰 ------层流扩散火焰
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4.流速和几何结构对 火焰长度的影响
层流火焰 ------层流扩散火焰
在射流速度较低
时，火焰保持层
流状态，火焰前
沿面光滑、稳定
、明亮。
随射流速度增加
，火焰高度增加
，直到某一最大
值，此时火焰仍
保持层流。
再增大射流速度，
火焰顶部开始出现
颤动、皱折、破裂
。由于湍流影响，
湍流扩散混合加快
，燃烧速度增加，
使火焰高度缩短。
继续增加射流速度
，开始颤动、皱折
、破裂的点向喷口
方向移动，直到破
裂点靠近喷口。此
时火焰达完全湍流
状态，此后破裂点
位置不变、火焰高
度趋于定值。但噪
音增加
如果过分增加射
流速度，火焰会
脱离喷口直至吹
熄。
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4.流速和几何结构对 火焰长度的影响
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
s t o i cS ?
环境流体摩尔数（）
喷嘴流体摩尔数
★ 燃料类型
对 CxHy
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
★ 一次风
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
★ 氧化剂中的氧含量
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
★ 燃料用惰性气体稀释
层流火焰 ------层流扩散火焰
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6.烟炱的形成和消除
层流火焰 ------层流扩散火焰
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6.烟炱的形成和消除
四个步骤
层流火焰 ------层流扩散火焰
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6.烟炱的形成和消除
层流火焰 ------层流扩散火焰
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THE END
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第七章 层流火焰
燃烧理论与应用 ---
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层流火焰
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层流火焰 ------燃烧与火焰
一、燃烧与火焰
★ 燃烧
发生燃烧反应的外部表现 ★ 火焰
燃料和氧化剂两种组份在空间激烈地发生放
热化学反应的过程
（火焰－燃烧波、火焰前沿、火焰前锋）
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★ 发光、发热
火焰的几个重要特征
★ 电离
★ 自行传播
层流火焰 ------燃烧与火焰
热和辐射现象
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O·
未燃气
火焰前锋
容器
已燃气
层流火焰 ------燃烧与火焰
火焰前锋厚度一般约为 10-3m
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◆ 缓燃（爆燃） -- 燃烧波传播的速度为亚音速
◆ 爆震 -- 燃烧波传播的速度为超音速
◆ 爆炸 -- 释热速率极大，不需要有燃烧波在介
质中的传播
deflagration
detonation
层流火焰 ------燃烧与火焰
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湍流火焰
◆ 根据混合气的流动状态分
火焰分类
层流 火焰
◆ 根据混合气反应前的接触状态分
扩散火焰
预混火焰
层流火焰 ------燃烧与火焰
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本生灯火焰
层流火焰 ------燃烧与火焰
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层流火焰 ------层流预混火焰
二、层流预混火焰
1.火焰传播速度（ SL）
--- 定义：火焰相对于未燃混合气在其法线
方向上的速度
--- 物理意义,
L
dxS
dt
?
代表单位时间内在火焰前锋的单位表面上所燃
去的混合气体的体积 [cm3/s·cm2=cm/s]
cm/s
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★ 几个概念
--- 火焰移动速度（ Ua）：火焰前锋在未燃混合气
中相对于静止坐标系的前进速度
--- 混合气运动速度（ vu）
a u LU v S??
层流火焰 ------层流预混火焰
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a u LU v S??
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
Ua
层流火焰 ------层流预混火焰
SL
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★ SL=vu,Ua=0 稳定
a u LU v S??
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
层流火焰 ------层流预混火焰
Ua S
L
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★ SL>vu,Ua<0 回火
a u LU v S??
★ SL=vu,Ua=0 稳定
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
层流火焰 ------层流预混火焰
Ua S
L
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a u LU v S??
★ SL<vu,Ua>0 吹除
★ SL=vu,Ua=0 稳定
★ SL>vu,Ua<0 回火
vu 未燃气 已燃气 vb
火焰前锋
层流火焰 ------层流预混火焰
Ua S
L
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2.层流火焰传播速度理论
★ 热理论
★ 扩散理论
★ 综合理论
火焰中的化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化
而引起的，所以，化学反应区（火焰前锋）在空间中的
移动取决于从反应区向未燃气传热的热导率。
火焰中的化学反应主要是由于活化中心向未燃气的扩散
热传递与扩散共同作用
层流火焰 ------层流预混火焰
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★ 层流火焰结构
vu 未燃气 已燃气 vb
δ
δ P δ c
ρ u ρ b
层流火焰 ------层流预混火焰
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3.Spalding的简化理论
耦合传热、传质、化学动力学以及热力学的
原理来理解支配火焰速度和火焰厚度的因素
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 1)温度
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 1)温度
〔 安德鲁斯（ Andrews）和布拉德利（ Bradley） 〕
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 1)温度
常压
CH4-Air
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 2)压力
( 2 ) / 2n
LSP
??
〔 安德鲁斯（ Andrews）和布拉德利（ Bradley） 〕
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 2)压力
CH4-Air
Tu＝ 16-27℃
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 3)当量比
常压
CH4-Air
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 3)当量比
常压
CH4-Air
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 4)燃料类型
燃料 分子式 SL（ cm/s）
Methane CH4 40
Acetylene C2H2 136
Ethylene C2H4 67
Ethane C2H6 43
Propane C3H8 44
Hydrogen H2 210
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 5)混合气中掺杂物的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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4.影响火焰速度和厚度的因素
（ 5)混合气中掺杂物的影响
22' { 1 0, 0 1 [ ] 0, 0 1 2 [ ] }LLS S N C O? ? ?
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
困难一,不容易获得一个稳定的平面火焰
困难二,确定火焰前沿
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 1)本生灯法
火焰内锥的表面积 Af
管子的横截面积 At
t
Lt
f
ASV
A
?
管内平均流体速度 Vt
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 2)平面火焰法
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 3)球弹法
33
23L
d r d p a r
S
d t d t p r?
?
??
γ －未燃气比热比
α －球半径
r－压力为 p时的火焰半径
层流火焰 ------层流预混火焰
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5.火焰速度的测量方法
（ 4)粒子示踪法
（ 5)驻定火焰法
（ 6)透明管法
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
--- 淬熄距离,火焰在圆形管道内熄灭（不传播）
的临界直径
--- 熄火现象,强烈的放热反应 ?无反应状况
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 1)熄火
温度和压力对淬熄距离的影响,
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
--- 下限,使火焰稳定传播的最小混合比（ Φ <1）
--- 上限 最大的混合比（ Φ >1）
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
Φ=1 Φ<1 Φ>1 Φ
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
影响火焰传播极限的因素
燃料种类
混合气的组成
温度
压力
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 2)火焰传播极限
实验条件,T=20℃
1-甲烷
2-丁烷
3-乙烷
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
--- 着火 混合气自动的反应加速、升温，以致引起
空间某部或在某时间出现火焰
--- 着火方式 自燃与点燃
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
--- 着火条件 如果在一定的初始条件或边界条件 (闭口系统 )
之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统
在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应态（
即燃烧态），那么，实现这个过渡的初始条件
或边界条件便称为, 着火条件,
--- 最小着火能 将混合气从初始状态加热到火焰温度所需
要的能量
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
压力和温度对最小着火能的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
压力和温度对最小着火能的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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6.熄火、传播极限和着火
（ 3)着火
压力和温度对最小着火能的影响
层流火焰 ------层流预混火焰
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7.火焰稳定
★ 回火 (flashback )
层流火焰 ------层流预混火焰
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★ 回火 (flashback )
层流火焰 ------层流预混火焰
7.火焰稳定
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★ 火焰提升 (liftoff)
7.火焰稳定
★ 回火 (flashback )
层流火焰 ------层流预混火焰
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7.火焰稳定
★ 回火 (flashback )
★ 火焰提升 (liftoff)
层流火焰 ------层流预混火焰
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7.火焰稳定
天然气
含氢气的人工合成气
层流火焰 ------层流预混火焰
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层流火焰 ------层流扩散火焰
三、层流扩散火焰
1.基本概念
（ 1)火焰外形
过量供气火焰
供气不足火焰
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层流火焰 ------层流扩散火焰
1.基本概念
（ 2)火焰结构
空气 燃料 空气
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2.无反应的常密度层流射流
（ 1)物理描述
中心 径向
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 2)速度分布
任一 x位置射流的动量,J ＝ 来自喷嘴的动量,Je
轴向速度分布
中心速度
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 2)速度分布
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 3)射流半宽、扩展速率和扩展角
★ 射流半宽（ jet half-width)：射流速度下降到中心速度值一半时
的径向位置
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 3)射流半宽、扩展速率和扩展角
★ 扩展速率（ spreading rate),射流半宽与轴线距离 x的比值
★ 扩展角 (spreading angle )：扩展速率的正切角
层流火焰 ------层流扩散火焰
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2.无反应的常密度层流射流
（ 4)浓度场
中心线上质量分数
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ Burke & Schumann 理论（ 1928）
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ 常密度解法
★ 变密度解法（ Fay）
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ ROPER理论（ 1977）
层流火焰 ------层流扩散火焰
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3.层流射流火焰的 简化理论
★ 数值解法
层流火焰 ------层流扩散火焰
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4.流速和几何结构对 火焰长度的影响
层流火焰 ------层流扩散火焰
在射流速度较低
时，火焰保持层
流状态，火焰前
沿面光滑、稳定
、明亮。
随射流速度增加
，火焰高度增加
，直到某一最大
值，此时火焰仍
保持层流。
再增大射流速度，
火焰顶部开始出现
颤动、皱折、破裂
。由于湍流影响，
湍流扩散混合加快
，燃烧速度增加，
使火焰高度缩短。
继续增加射流速度
，开始颤动、皱折
、破裂的点向喷口
方向移动，直到破
裂点靠近喷口。此
时火焰达完全湍流
状态，此后破裂点
位置不变、火焰高
度趋于定值。但噪
音增加
如果过分增加射
流速度，火焰会
脱离喷口直至吹
熄。
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4.流速和几何结构对 火焰长度的影响
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
s t o i cS ?
环境流体摩尔数（）
喷嘴流体摩尔数
★ 燃料类型
对 CxHy
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
★ 一次风
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
★ 氧化剂中的氧含量
层流火焰 ------层流扩散火焰
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5,摩尔当量比 S的影响
★ 燃料用惰性气体稀释
层流火焰 ------层流扩散火焰
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6.烟炱的形成和消除
层流火焰 ------层流扩散火焰
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6.烟炱的形成和消除
四个步骤
层流火焰 ------层流扩散火焰
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6.烟炱的形成和消除
层流火焰 ------层流扩散火焰
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THE END
