火焰稳定的基本原理
• 要保证火焰前沿稳定在某一位置上，可燃物向前 流动的速度等于火焰前沿可燃物传播的速度，这 两个速度方向相反，大小相等，因而火焰前沿就 静止在某一位置上。
• 当预混气体流量很小时、使得出口断面上的流动 速度总是小于火焰传播速度时，火焰就会向管内 传播，造成回火。
• 若流速过高，则会造成吹灭。

0
• 介质的连续性方程
0u0 xux
• 未反应区方程
d dx
(
dT dx
)

cP 0u0
dT dx
dT x : dx 0,T T0 x 0 :T TB
• 进行一次积分可得
( dT
dx
)

cP 0u0 (T
T0 )
• 再次进行积分求解可得
0u0cp x
影响火焰正常传播速度的主要因素 -燃料化学结构的影响
对于饱和碳氢化合物（烷烃类），其最大 火焰速度(0.7m/s)几乎与分子中的碳原子 数n无关；
对于一些非饱和碳氢化合物（无论是烯烃 还是炔烃类），碳原子数较小的燃料，其 层流火焰速度却较大。
差异是由热扩散性不同所造成，这种热扩 散性和燃料分子量有关。
cos
dr
uH
(dr)2 (dz)2 w
dz w2 uH 2
dr
uH
w 2

uH

1 dz w dr uHΒιβλιοθήκη • 火焰形状z
1 uH
w0

wR R r
w0 3

R


r3 R2

•火炬着火区长度计算公式

反应区：d

dx
(
dT dx
)

wq

0

( dT dx
)
b
2 Tr wqdT
Tb
uH
2 Tr wqdT Tb
02c2p (Tb T0 )2
Tb wqdT 0 T0
Tb T0 Tr T0
uH
2 Tr wqdT T0
02c2p (Tr T0 )2
火焰正常传播的理论
• 用于简化近似分析的热理论 • 泽利多维奇等的分区近似解法
• 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
火焰传播的精确解法
• 利用数值计算方法直接对层流火焰基本 方程进行迭代求解。
坦福特等的扩散理论
• 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反 应中借助于活性分子的作用，使混气变为 燃烧产物。
• 一般将预先和气体燃料相混合好的那部分 空气称为一次风；将由外界扩散入的那部 分空气称为二次风
经过一定的假设，扩散燃烧的火焰形状如下所示
1－空气过剩时
2－气体可燃物过剩时 Z 1
2
O
air
R1 air
r
R2
气体可燃物
层流工况下火焰长度
LB

wR22 D

qV D
当气流流动速度和喷燃器半径增大时，火焰长度增加
火焰正常传播速度的测量
• 圆柱管法 • 定容球法 • 肥皂泡法 • 粒子示踪法 • 平面火焰燃烧器法
可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧
火焰的形状及其长短对于一定喷燃器形式 而言，主要取决于可燃气体与空气在喷燃器中 的混合方法： 动力燃烧火焰：预先混合好的化学均匀可燃 气体混合物的火焰。 扩散燃烧火焰：气体可燃物与燃烧所需的部 分空气预先混合或者不预先混合的情况下，由 喷燃器喷出，燃烧所形成的火焰。
用于简化近似分析的热理论
• 认为火焰中反应区在空间的运动，取决于反应区 放热及其向新鲜混气的热传导。
如未燃的可燃气体混合物的初速度u0恰好使火焰前沿静止不动 则初速度u0即为火焰前沿移动的正常速度
反应区的温度分布
• 一元导热微分方程
d dx
(
dT dx
) cP xux
dT dx
Qw
湍当流扩散工系况数下增火加焰时长，则度火焰L长B度,T 减短wDRT22
扩散燃烧的火焰核心的长度随气体速度和喷燃器管径增 加而增加，但其增加程度比层流工况下小。
不论气体的流动工况为层流或湍流，在化学非均匀的扩 散燃烧过程中，其火焰的性质在很大程度上取决于气体 的空气动力学特性和混合过程的物理因素，而火焰核心 的长度基本上与火焰传播的正常速度无关。
w

k0cne
E RT
uH
2n! Bn1
ws 0 q 0cp (Tr T0 )
(T0 Tr
)n
exp[
E R
(1 Tr
1 )] T0
wS 0

w0
Tr T0
0cpq

此式对于 n 整数时，无法得出正确值。但该式可用来分析各种
因素对火焰传播速度的影响，预测出火焰传播速度的变化趋势。
• 可燃气体混合物的热效应及化学反应速率亦显著地影响正常传 播速度。
• 可燃气体混合物的过量空气系数亦将影响其正常速度,当可燃混 合物中的空气含量偏离正常值时都会使燃烧温度降低，因而亦 降低火焰正常传播速度。
火焰正常传播的理论
• 用于简化近似分析的热理论
• 泽利多维奇等的分区近似解法
• 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
热扩散率越大， 则火焰传播速度越 快。
比压定热容越小， 则火焰温度越高， 相应火焰传播速度 也越快。
影响火焰正常传播速度的主要因素 -惰性物质含量的影响
惰性物质的加入 将使火焰传播速 度降低，并向燃 料浓度较少的方 向移动。
影响火焰正常传播速度的主要因素 -添加剂的影响
• 采用添加剂的主要目的是提高着火温度及缓和过早着火和爆震的 趋势，添加剂对火焰速度只有轻微的影响。
不同混合方法所表示的三种火焰形状
化学均匀可燃气体混合物的动力燃烧
Z

n

Z u
r
O
r
0 R
动力燃烧的火焰形状
可燃气体混合物层流运动时任一截面 上混合物的速度分布规律


0
1
r2 R2

流出喷燃出口时的速度分布规律


0
1
r2 R2


R
求得火焰形状函数
影响火焰正常传播速度的主要因素 -混合可燃物初始温度T0的影响
• 提高可燃物初始温度可以大大促进化学反应速率，从而增 大火焰正常传播速度。
影响火焰正常传播速度的主要因素 -火焰温度的影响
• 火焰温度对火焰传播速度 具有极大影响。
• 超过2500°C自由基浓度 大量增加起重要影响。
影响火焰正常传播速度的主要因素 -热扩散率和比压定热容的影响
火焰传播与稳定理论
火焰传播与稳定理论
火焰传播的基本方式
可燃气体的火焰正常传播 火焰正常传播的理论 火焰正常传播速度 可燃气体层流动力燃烧和扩散燃烧 火焰稳定的基本原理和方法
不稳定的火焰传播：振荡传播 稳定的火焰传播：正常火焰传播，爆燃
正常火焰传播(小于30m/s)：燃烧产物以自由膨胀的

qV SL

r0
qV h2 r02
本生灯测量的局限性
火焰前沿各处的速度并不一 致。
火焰前沿锥体离喷嘴出口有 一段距离，并且宽度略大， 火焰速度与喷嘴直径有关， 直径越小影响越大。
可燃气体混合物中的含氧量 影响火焰锥体的形状。
火焰正常传播的理论
• 用于简化近似分析的热理论
• 泽利多维奇等的分区近似解法 • 火焰传播的精确解法 • 坦福特（Tanford）等的扩散理论
• 火焰正常传播速度随着差值（TB-T0）的减小而增加， 因此如果将气体预先加热后再送入燃烧室，则其火焰 正常传播速度就能得以提高。
u0
(Tr TB )w cp 0c0 TB T0
a (Tr TB )w c0 TB T0
• 火焰正常传播速度随着燃烧温度Tr的减小而减小，就说明燃烧 区放出的热量不足以加热未燃的可燃混合物。
0

dn
d
uP uH wn
本生灯火焰移动速度
uP uH wn
uH

wn

w cos

w d
dS

wd
uH
S
dS
uH

qV SL
火焰前沿移动的正常速度可理解为在单位火焰前沿 的表面上，其所能燃烧的可燃气体混合物的流量。
本生灯火焰移动速度
uH
• 2种燃料性质相差不大的混气互相混合时。。。 • 若添加剂能改变扩散系数，则会对火焰速度产生明显影响。
火焰传播界限
对于每种可燃气体混合物来讲，都有火焰传播的浓度界限。 可燃物在混合物中的浓度低于某值而使正常速度为零的浓度值
称为下限，高于某值而使正常速度为零的浓度值称为上限。 接近限值时，火焰的正常传播速度约为0.03~0.08m/s。
LB

z r0


2 3
w0

wR

R uH
在喷管中心线上具有最大的正常传播速度 火焰锥体内部可燃气体混合物得到预热 在喷管中心轴线上所获得的活泼中心较其他部分多
火焰中心线uH=w, 火焰锥体的顶部成为圆形 靠近管壁附近气流速度最小，但是散热量大导致传播速度降低
可燃气体的扩散燃烧
• 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向 未燃气体的扩散速度，能决定火焰速度的 大小。
各种理论解法的比较
影响火焰正常传播速度的主要因素 -过量空气系数的影响