§ 9.2 湍流 预混火焰
概述
1) 许多实用装置中经常遇到湍流预混火焰 (火花点
火式汽车发动机 )
2) 有关湍流预混火焰的理论描述还存在很多争议
3) 针对预混燃烧中的一些重要的问题进行讨论
湍流火焰速度
1) 层流火焰的传播速度仅取决于混合物的热力性
质和化学特性
2) 湍流火焰传播速度不仅取决于混合物的特性，
而且还与流动特性有关
3) 湍流火焰的速度可以表达为,
u
t A
mS
?
??
由于需要测定一个稳定的火焰面积,使实验
测定湍流火焰速度变得十分复杂和困难
A
湍流预混火焰的结构 –例
1) 瞬时火焰锋面高度地波纹化
2) 在瞬时火焰的锋面有很多褶皱，其中火焰顶部
附近的褶皱最大
3) 反应区的位置快速地移动，其所产生的时均图
为一个厚反应区
（ a）不同时刻得
到的瞬时反应锋
面的叠加图
（ b）同一湍流火
焰的时平均图
三个火焰区域
1) 皱褶层流火焰 （ 此处湍流的作用是使层流火焰
的锋面皱褶和变形，参见上图 ）
2) 扩散反应火焰
3) 涡旋火焰区
火焰区域准则
1) 湍流火焰的基本结构取决于和与层流火焰厚度
之间的大小关系
2) 层流火焰的厚度与分子、非湍流、热量或质量
的传递有关
三个火焰区域的定义
1) 皱褶层流火焰（湍流的作用只是将层流火焰皱褶
或扭曲 ）,
2) 涡旋火焰区,
3) 扩散反应区（反应区的传播除了受分子过程的影
响外，至少还受湍流的影响 ）,
KL l??
KL ll ?? ?0
0lL ??
采用无量纲参数描述火焰结构
1) 湍流雷诺数
2) 数 Da
c h e m
f l o wDa
?
???
特征化学反应时间
特征流动时间
流动中大涡流的生存期,
根据层流火焰计算的特征化学反应时间,
???
?
???
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???
???
'
0
'
0
/
/
r m s
L
LLL
r m s
v
Sl
S
vlDa
??
快速化学反应区
反应速度低于流体混合速度
采用无量纲参数描述火焰结构
粗线 上方,
皱褶层流火焰区
粗线 下方,
湍流扩散火焰区
两根粗线之间,
涡流火焰区
皱褶层流火焰区
1) 化学反应发生在一个薄层里
2) Da>1
3) 反应薄层与湍流的雷诺数有关
4) 化学反应速度高于流体混合速度
1) 假设火焰在一维平面层流火焰的平面内传播
2) 湍流的作用仅仅是将火焰皱褶，使火焰面积增加
皱褶层流火焰的一种简单处理方式
湍流火焰速度与层流火焰速度之比仅仅是皱褶火焰
面积与时均火焰面积之比,
Lf l a m e l e t sulu SASAm ?? ???
AASS f l a m e l e t sLl // ?
模型,
Clavin和 Williams模型,
Klimov模型,
皱褶层流火焰理论模型
很小时
模型扩展
模型假定,
纯层流中层流火焰速度为常数 ；
火焰面积 Aflame与流动速度成正比,
于是,=
类似地，将这个思想扩展到湍流
其中皱褶的面积为火焰面积与时均面积之差,
皱褶层流火焰理论模型预测与实验的比较
模型 的直线预测与实验数据的变化趋势并不一致
Klimov模型的常数由实验数据获得，所以实验数据和模型曲线吻合较好
皱褶层流火焰理论模型的局限
1) 皱褶层流火焰区湍流火焰速度 Sl的理论模型未考虑长度尺度等其他的
湍流特性
2) 湍流火焰速度的相似性可以说明长度尺度与湍流火焰速度是无关的
3) 要使火焰速度关系式应用到工程设计中去，还需要做进一步的研究
扩散反应区
1) 长度尺度 和
数均小于 1
2) 同时要求 很小和 很大
3) 在这种反应区内污染物的生
成速率很低，所以研究该区
域内化学反应与湍流的关系
很有意义
扩散反应区内的湍流火焰传播原理
扩散反应区特点
1) 所有长度尺度均在反应区内
2) 反应时间长于涡流的生存期（ Da<1），速度脉动,
温度脉动 以及组分质量分数脉动 都同时存在
3) 瞬时化学反应速率只与瞬时温度,瞬时组分
质量分数 有关，并且其自身也有脉动
4) 时均反应速率除了与平均值有关外，还与脉动值有关
双分子单步化学反应平均反应速率
反应速率
质量分数形式,瞬时值
时均值
+ 5个双变量
关联项
+ 3个三变量
关联项
湍流明显地带来了非常复杂的问题 ！！！
涡流火焰区
特点,
中等的 数，高湍流强度
燃烧区由一些未燃
的气团和差不多已
经完全燃烧的气体
组成
旋涡破碎模型
1) 为了使未燃混合气与热烟气之间有充分的接触面积以利反应进行，
未燃气团破碎为更小的气团
2) 燃烧速度即取决于未燃气团破碎为更小的气团的速度
燃烧速率与化学反应速度无关，完全取决于湍流混合的速度
单位体积内燃料的燃烧速率,
（各向同性湍流 ）
1) 容积质量燃烧速率只取决于湍流特性 Y,和涡流的特征回转
时间
2) 与描述皱褶层流火焰区的理论不同,旋涡破碎模型表明：在确定
湍流燃烧速率时，长度尺度非常重要
概述
1) 许多实用装置中经常遇到湍流预混火焰 (火花点
火式汽车发动机 )
2) 有关湍流预混火焰的理论描述还存在很多争议
3) 针对预混燃烧中的一些重要的问题进行讨论
湍流火焰速度
1) 层流火焰的传播速度仅取决于混合物的热力性
质和化学特性
2) 湍流火焰传播速度不仅取决于混合物的特性，
而且还与流动特性有关
3) 湍流火焰的速度可以表达为,
u
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mS
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由于需要测定一个稳定的火焰面积,使实验
测定湍流火焰速度变得十分复杂和困难
A
湍流预混火焰的结构 –例
1) 瞬时火焰锋面高度地波纹化
2) 在瞬时火焰的锋面有很多褶皱，其中火焰顶部
附近的褶皱最大
3) 反应区的位置快速地移动，其所产生的时均图
为一个厚反应区
（ a）不同时刻得
到的瞬时反应锋
面的叠加图
（ b）同一湍流火
焰的时平均图
三个火焰区域
1) 皱褶层流火焰 （ 此处湍流的作用是使层流火焰
的锋面皱褶和变形，参见上图 ）
2) 扩散反应火焰
3) 涡旋火焰区
火焰区域准则
1) 湍流火焰的基本结构取决于和与层流火焰厚度
之间的大小关系
2) 层流火焰的厚度与分子、非湍流、热量或质量
的传递有关
三个火焰区域的定义
1) 皱褶层流火焰（湍流的作用只是将层流火焰皱褶
或扭曲 ）,
2) 涡旋火焰区,
3) 扩散反应区（反应区的传播除了受分子过程的影
响外，至少还受湍流的影响 ）,
KL l??
KL ll ?? ?0
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采用无量纲参数描述火焰结构
1) 湍流雷诺数
2) 数 Da
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特征化学反应时间
特征流动时间
流动中大涡流的生存期,
根据层流火焰计算的特征化学反应时间,
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快速化学反应区
反应速度低于流体混合速度
采用无量纲参数描述火焰结构
粗线 上方,
皱褶层流火焰区
粗线 下方,
湍流扩散火焰区
两根粗线之间,
涡流火焰区
皱褶层流火焰区
1) 化学反应发生在一个薄层里
2) Da>1
3) 反应薄层与湍流的雷诺数有关
4) 化学反应速度高于流体混合速度
1) 假设火焰在一维平面层流火焰的平面内传播
2) 湍流的作用仅仅是将火焰皱褶，使火焰面积增加
皱褶层流火焰的一种简单处理方式
湍流火焰速度与层流火焰速度之比仅仅是皱褶火焰
面积与时均火焰面积之比,
Lf l a m e l e t sulu SASAm ?? ???
AASS f l a m e l e t sLl // ?
模型,
Clavin和 Williams模型,
Klimov模型,
皱褶层流火焰理论模型
很小时
模型扩展
模型假定,
纯层流中层流火焰速度为常数 ；
火焰面积 Aflame与流动速度成正比,
于是,=
类似地，将这个思想扩展到湍流
其中皱褶的面积为火焰面积与时均面积之差,
皱褶层流火焰理论模型预测与实验的比较
模型 的直线预测与实验数据的变化趋势并不一致
Klimov模型的常数由实验数据获得，所以实验数据和模型曲线吻合较好
皱褶层流火焰理论模型的局限
1) 皱褶层流火焰区湍流火焰速度 Sl的理论模型未考虑长度尺度等其他的
湍流特性
2) 湍流火焰速度的相似性可以说明长度尺度与湍流火焰速度是无关的
3) 要使火焰速度关系式应用到工程设计中去，还需要做进一步的研究
扩散反应区
1) 长度尺度 和
数均小于 1
2) 同时要求 很小和 很大
3) 在这种反应区内污染物的生
成速率很低，所以研究该区
域内化学反应与湍流的关系
很有意义
扩散反应区内的湍流火焰传播原理
扩散反应区特点
1) 所有长度尺度均在反应区内
2) 反应时间长于涡流的生存期（ Da<1），速度脉动,
温度脉动 以及组分质量分数脉动 都同时存在
3) 瞬时化学反应速率只与瞬时温度,瞬时组分
质量分数 有关，并且其自身也有脉动
4) 时均反应速率除了与平均值有关外，还与脉动值有关
双分子单步化学反应平均反应速率
反应速率
质量分数形式,瞬时值
时均值
+ 5个双变量
关联项
+ 3个三变量
关联项
湍流明显地带来了非常复杂的问题 ！！！
涡流火焰区
特点,
中等的 数，高湍流强度
燃烧区由一些未燃
的气团和差不多已
经完全燃烧的气体
组成
旋涡破碎模型
1) 为了使未燃混合气与热烟气之间有充分的接触面积以利反应进行，
未燃气团破碎为更小的气团
2) 燃烧速度即取决于未燃气团破碎为更小的气团的速度
燃烧速率与化学反应速度无关，完全取决于湍流混合的速度
单位体积内燃料的燃烧速率,
（各向同性湍流 ）
1) 容积质量燃烧速率只取决于湍流特性 Y,和涡流的特征回转
时间
2) 与描述皱褶层流火焰区的理论不同,旋涡破碎模型表明：在确定
湍流燃烧速率时，长度尺度非常重要
