湍流尺度l： 在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，处于宏观量级 若l<δ(层流焰面厚度)为小尺度湍流，反之为大尺度湍流 湍流强度ε： 描述湍流运动的速度为u=U+u’ U为平均速度， u’为瞬时脉动速度，u’=[(u’12+ u’22+…+ u’n2)/n]0.5 流体微团的平均脉动速度与主流速度之比为湍流强度 ε =u’/u 若u’>un（层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流
湍流火焰的特点
均匀、各向同性的湍流流场，可以用两 个特征量表示湍流特征：湍流强度和湍 流尺度
湍流尺度：
（1）流动特征尺度（与管径、绕流物体尺度有关） （2）积分尺度（湍流宏观尺度，大涡尺度） （3）泰勒微尺度（与平均应变率有关） （4）柯尔莫戈洛夫尺度（最小尺度，与旋涡耗散有关）
湍流火焰的特点
小尺度湍流预混火焰传播速度确定
湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等 于二者传输率之比的平方根
ut un
T n
1/ 2
T n
/ 0cp / 0cp
1/ 2
λt表示湍流热传导系数 λl表示层流热传导系数 根据相似性原理，分子导温系数α= λn/(ρ0cp), 故 湍流导温系数αt= λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温 系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积，即
a）小尺度湍流火焰（2300<Re<6000） 条件： l<δL
现象：能够保持规则的火焰锋面，火焰前 沿仍然平滑，只是增加了厚度，火焰锋面 不发生皱折，湍流火焰面厚度δT> δn
特点：小尺度湍流只是由于湍流增强了物 质的输运特性，从而使热量和活性粒子的 传输增加，使湍流火焰传播速度比层流火 焰传播速度快，而在其它方面没有什么影 响
ut un
锥体表面积 锥底面积
R
R2 h2
R 2
1 (h / R)2
1 (2h / l)2
式中h为椎体高度，R是湍流尺度的一半，R l / 2
由于湍流微团在锥形表面上的燃烧速度是un ,则微团存在的时间
l / 2un，湍流脉动速度是u, 锥体高度h u ul /(2un )
ut 1 ( u )2
燃烧学
6-湍流预混火焰
湍流预混火焰传播 湍流预混火焰传播图域 湍流预混火焰传播速度确定 湍流火焰传播速度影响因素
第一节 湍流预混火焰传播
研究湍流火焰的目的
（1）工程中的燃烧装置多为湍流燃烧 （2）确定湍流特性对火焰传播的影响 雷诺数Re=ρvL/μ 直管段中： Re<2300时，层流； Re>3200时，湍流 此时火焰为湍流火焰
湍流预混火焰传播可以描述为在湍流流动中传播的薄的层流 预混火焰。湍流流动使火焰发生扭曲，扭曲程度取决于当地 湍流强度
湍流火焰传播速度：湍流火焰前沿法向相对于新鲜可燃气运 动的速度，可用流经火焰的可燃预混气的体积流量除以湍流 火焰的表观面积表示
ST=Q/Af
关键在于确定湍流火焰表面积
由于湍流火焰表面积很难准确测量，一般采 用下面公式计算火焰传播速度
un
un
增大湍流脉动速度，可以提高湍流传播速度
c）大尺度强湍流火焰（Re>6000） 条件： l>δL，u’>SL
现象： 不存在连续的火焰面
大尺度强湍流传播速度确定
湍流强度很大时： u’/un>>1
ut∝u’ 湍流火焰传播速度与化学动力学因素无 关，只取决于脉动速度大小
湍流火焰传播速度
大尺度强湍流火焰（湍流火焰传播的容积理论）
αt∝ lu’
湍流火焰传播速度
对于管流，湍流尺度l与管径成正比，脉动速度u’与 气流速度成正比
l∝d u’ ∝u
而分子导温系数α与运动粘性系数ν成正比，所以
小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅与可燃气 的物理化学性质有关（即与un成正比），还与流动特 性有关（即与Re1/2有关）
b）大尺度弱湍流火焰（Re>6000） 条件： l>δL，u’<SL
现象： 火焰锋面扭曲皱折 火焰锋面未被吹破，仍然是连续的
大尺度弱湍流传播速度确定——小 火焰模型（表面理论）
设薄层焰锋的传播速度仍然是un，那么单位时间内焰锋锋 面烧掉的混合气是Acun，它应与湍流火焰传播速度ut和湍 流焰锋的平均面积Ap的乘积相等，即：
Acun=Aput 或 ut=Acun/Ap 因为Ac>Ap,故ut>un, 若把湍流气团设想成凹凸不平的很多 小的焰锋，则ut>un, 等于这些小的椎体表面积和底面积之 比。 ——小火焰模型，亦称湍流火焰传播的表面理论
湍流火焰的特点
层流火焰： 火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰 传播速度小（20-100cm/s） 湍流火焰 火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显 的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而 是抖动的粗糙表面，火焰传播速度快
用Rayleigh激光散射的方法瞬态测量在流动临近平均火焰位 置的特定处的气体密度。
可见气体密度值在未燃气体与已燃气体值之间快速波动，表 明火焰是通过测量位置脉动的薄层
St
m
Au
湍流预混火焰传播速度要比层流预混火焰传 播速度快
湍流火焰比层流火焰传播快的原因
（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了 反应区； （2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使反应速率 增加，即燃烧速率增加； （3）湍流加快了新鲜混合气和燃气之间的混合，缩短了混 合时间，提高了燃烧速度。 湍流火焰理论基于上述概念发展起来的。 湍流火焰传播理论主要有两种： （1）表面褶皱理论（邓克尔和谢尔金） （2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）
大尺度强湍流火焰模型可以设想成大团大团未燃烧的 可燃混合物冲破火焰锋面，而输入高温的燃烧产物中； 大团大团的高温燃烧产物也冲破火焰锋面而输入未燃 烧的可燃混合物中。这些大团的尺寸都超过了层流火 焰厚度，它们在输运之后都保存自己的独立性，一下 子不能和周围气团混合，湍流脉动使火焰迁移到哪里， 就燃烧到哪里，故此时的火焰传播速度可以认为近似 等于脉动速度
第二节 湍流预混火焰传播图域
湍流预混火焰的性质既依赖于预混层流火焰的特性（如SL和
δL），也依赖于湍流的特性，如l和u’
Da=τm/τr
三种湍流火焰模型
湍流火焰
小尺度湍流火焰 l<δL 大尺度弱湍流火焰u’<SL
大尺度湍流火焰 l >δL
大尺度强湍流火焰u’>SL
第三节 湍流预混火焰传播速度确定Байду номын сангаас