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1、工程燃烧学工程燃烧学主讲教师：裴蓓主讲教师：裴蓓第12章 火焰的结构及其稳定工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章?12.1 预混火焰12.1 预混火焰?12.2 扩散火焰12.2 扩散火焰工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章按燃料种类按燃料种类煤气火焰煤气火焰/油雾火焰油雾火焰/煤粉火焰煤粉火焰 按燃烧过程的控制因素按燃烧过程的控制因素预混火焰预混火焰/扩散火焰扩散火焰/中间燃烧火焰中间燃烧火焰 按流体力学特性按流体力学特性层流火焰层流火焰/紊流火焰紊流火焰 按反应物的初始状态按反应物的初始状态均相火焰均相火焰/异相火焰异相火焰 按火焰传播特性按火焰传播特性正常火焰正常火焰/爆震火焰爆
2、震火焰 按火焰的几何形状按火焰的几何形状直流火焰直流火焰/旋流火焰旋流火焰/大张角火焰大张角火焰/ 平面火焰平面火焰第12章 火焰的结构及其稳定第12章 火焰的结构及其稳定工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 第12章 火焰的结构及其稳定第12章 火焰的结构及其稳定可燃气燃烧可燃气燃烧可燃气+助燃气混合方式有：可燃气+助燃气混合方式有：预先混合（预混气体）：如边扩散边混合：如预先混合（预混气体）：如边扩散边混合：如预混火焰 扩散火焰预混火焰 扩散火焰?一、层流预混火焰一、层流预混火焰 ?1.结构结构点火圈燃烧前沿 （内锥）燃烬带可燃混合物点火圈燃烧前沿 （内锥）燃烬带可燃混合物工程燃烧学-
3、第十二章工程燃烧学-第十二章 12.1 预混火焰12.1 预混火焰内锥外锥(2) n=1锥形燃烧前 沿层流预混火焰中层流预混火焰中CO2的分布的分布工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章测定燃烧完全情况的一个例子。可燃物为CO，,CO2 最大值为34.7%。由图可知，在距燃烧前沿0.5mm处，CO2已 达到28%，说明大部分的可燃物已经燃尽，但剩余的燃料要 经过一段距离才燃尽。测定燃烧完全情况的一个例子。可燃物为CO，,CO2 最大值为34.7%。由图可知，在距燃烧前沿0.5mm处，CO2已 达到28%，说明大部分的可燃物已经燃尽，但剩余的燃料要 经过一段距离才燃尽。1n ?2.火焰结构特点
4、：火焰结构特点：层流预混火焰理想火焰面：层流预混火焰理想火焰面：火焰传播速度：是火焰火焰传播速度：是火焰沿 火焰面沿 火焰面垂直方面垂直方面的的运动速度运动速度 ，用，用SL 表示。表示。工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章火焰传播速度火焰传播速度层流预混火焰理想火焰面：层流预混火焰理想火焰面：图4-14火焰几何性质图4-14火焰几何性质 unutuSL= u cos=LnSu（1）火焰余弦定律火焰余弦定律工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章圆管层流的出流速度层 抛物线分布圆管层流的出流速度层 抛物线分布工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章（
5、4）火焰长度计算）火焰长度计算dldldl,dldldl工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章2 1Ldlu drS= ldll=Lllr0通过实验测定，标定通过实验测定，标定l后，又已知后，又已知r0时，就可计算燃烧 前沿速度时，就可计算燃烧 前沿速度2 0vqur=结论：燃烧尺寸和燃烧成分一定时，增加流量，将使火 焰长度增加。若烧嘴流量相同，传播速度大的可燃混合 物燃烧的火焰，将比传播速度小的要短。火焰的长短代 表了锥体燃烧前沿面的大小。结论：燃烧尺寸和燃烧成分一定时，增加流量，将使火 焰长度增加。若烧嘴流量相同，传播速度大的可燃混合 物燃烧的火焰，将比传播速度小的要短。火焰的长短代 表
6、了锥体燃烧前沿面的大小。,;,vllqSSl工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.1 预混火焰12.1 预混火焰22 00V LqS rrl= +工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.1 预混火焰12.1 预混火焰LSu=（1）气流）气流气流边界气流边界y燃烧前沿燃烧器壁燃烧前沿燃烧器壁1 23?3.层流预混火焰的稳定性层流预混火焰的稳定性流量越大，燃烧前沿的位置距离喷口越远。流量越大，燃烧前沿的位置距离喷口越远。 过了一定范围，在过了一定范围，在1 情况下，任何一点 的情况下，任何一点 的uSL，便发生脱 火；而在，便发生脱 火；而在5情况下， 某处的情况下， 某处的SLu，
7、便引 起回火。，便引 起回火。工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 12.1 预混火焰12.1 预混火焰（2）存在一个稳定的点火圈）存在一个稳定的点火圈流动速度燃烧传 播速度距气流边界的距离流动速度燃烧传 播速度距气流边界的距离y速 度速 度12342345工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 ?4.判断回火或脱火的临界条件判断回火或脱火的临界条件气流速度分布：气流速度分布：202 01ruur=0002rrduu drr= 002rvqurdr=2 0 02vqu r=微分微分通过管内气体流量：通过管内气体流量：求解求解03 04vrrqdugdrr= 边界速度梯度：边界速度梯度：说
8、明：流量一定，烧嘴的直径越大，说明：流量一定，烧嘴的直径越大，g就越小，越容易回火。就越小，越容易回火。工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 12.1 预混火焰12.1 预混火焰?4.判断回火或脱火的临界条件判断回火或脱火的临界条件工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.1 预混火焰12.1 预混火焰?5.可燃气浓度与火焰稳定性的关系可燃气浓度与火焰稳定性的关系（1）燃料的浓度越大，火焰 稳定的g值范围越大；（1）燃料的浓度越大，火焰 稳定的g值范围越大； 使预混气体在燃烧室入口处的速度分布均匀，将喷 头设计成收敛形，且表面光滑；使预混气体在燃烧室入口处的速度分布均匀，将喷 头设计成
9、收敛形，且表面光滑； 燃烧含有杂物气体燃料时，应设有清除污垢装置， 避免破坏局部流畅；燃烧含有杂物气体燃料时，应设有清除污垢装置， 避免破坏局部流畅； 用水冷却燃烧器头部，以降低该处的火焰传播速 度；用水冷却燃烧器头部，以降低该处的火焰传播速 度； 设计时应根据最小热负荷状态确定喷射速度和管道 直径。设计时应根据最小热负荷状态确定喷射速度和管道 直径。?6.防止回火措施：防止回火措施：工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.1 预混火焰12.1 预混火焰工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.1 预混火焰12.1 预混火焰 ?二、 湍流预混火焰二、 湍流预混火焰 ?1.结构结构?2
10、.火焰长度火焰长度湍流火焰长度与气流速 度、燃烧传播速度和喷嘴 尺寸有关。湍流火焰长度与气流速 度、燃烧传播速度和喷嘴 尺寸有关。工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 12.1 预混火焰12.1 预混火焰?3.火焰的稳定性火焰的稳定性?4.稳焰措施稳焰措施工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 12.1 预混火焰12.1 预混火焰工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章 12.1 预混火焰12.1 预混火焰第12章 火焰的结构及其稳定工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章?12.1 预混火焰12.1 预混火焰?12.2 扩散火焰12.2 扩散火焰24工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十
11、二章 12.2 扩散火焰12.2 扩散火焰 ?一、层流扩散火焰一、层流扩散火焰 ?1.结构结构燃气和空气从喷嘴喷出后，在层流下，混合是以分子扩散的 形式进行的。空气流与燃气流之间相互扩散。在某一面上， 当燃气与空气的浓度达到当量比时（n=1），点火后该面就会 形成燃烧前沿。燃烧前言上的燃烧产物也同时向燃气流和空 气流扩散。因此，层流扩散火焰分为：燃气和空气从喷嘴喷出后，在层流下，混合是以分子扩散的 形式进行的。空气流与燃气流之间相互扩散。在某一面上， 当燃气与空气的浓度达到当量比时（n=1），点火后该面就会 形成燃烧前沿。燃烧前言上的燃烧产物也同时向燃气流和空 气流扩散。因此，层流扩散火焰分为
12、：纯燃气区、纯空气区 燃气+燃烧产物区和空气+燃烧产物区纯燃气区、纯空气区 燃气+燃烧产物区和空气+燃烧产物区。工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.2 扩散火焰12.2 扩散火焰?2.层流扩散火焰横向物质浓度分布层流扩散火焰横向物质浓度分布距燃料喷口某高度处扩散火焰中各物质浓度径向分布距燃料喷口某高度处扩散火焰中各物质浓度径向分布火焰前锋火焰前锋中心线中心线火焰前锋火焰前锋反应区反应区反应区反应区燃烧产物燃烧产物燃料气体燃料气体O2O2表明：火焰前锋 上燃料与空气的 比值为化学当量 比，反应是瞬间 完成的，因此， 整个火焰结构取 决于气体扩散。表明：火焰前锋 上燃料与空气的 比值为化
13、学当量 比，反应是瞬间 完成的，因此， 整个火焰结构取 决于气体扩散。N2N2T Tf Tf T0 T Tr r 火 焰 烽 面火 焰 烽 面 中 心 线中 心 线 火 焰 烽 面火 焰 烽 面 工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.2 扩散火焰12.2 扩散火焰?3.层流扩散火焰横向温度浓度分布层流扩散火焰横向温度浓度分布?4.火焰长度火焰长度工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章12.2 扩散火焰12.2 扩散火焰H.C.Hottel等人根据经验扩散方程对煤气在大气中燃烧 的层流火焰得到的。H.C.Hottel等人根据经验扩散方程对煤气在大气中燃烧 的层流火焰得到的。 BVAlf
14、+=lg当燃料成分一定时，层流扩散火焰长度与体积流量成正 比，即与可燃气的体积流量和喷嘴的横截面面积成正比。当燃料成分一定时，层流扩散火焰长度与体积流量成正 比，即与可燃气的体积流量和喷嘴的横截面面积成正比。（1） 若流量一定，火焰长度与直径无关；（2）若流速一定，火焰长度随直径的增加而增加（3）若直径一定，火焰长度随流速的增加而增加其中：（1） 若流量一定，火焰长度与直径无关；（2）若流速一定，火焰长度随直径的增加而增加（3）若直径一定，火焰长度随流速的增加而增加其中：A,B为常数；为时间因子；为常数；为时间因子；V为体积流量为体积流量f工程燃烧学-第十二章工程燃烧学-第十二章?二、湍流扩散
15、火焰二、湍流扩散火焰0火 焰 高 度火 焰 高 度层流扩散火焰层流扩散火焰过渡区过渡区紊流扩散火焰紊流扩散火焰火焰高度终端包络线火焰高度终端包络线层 流 火 焰 终 端 包 络 线层 流 火 焰 终 端 包 络 线扩散火焰的形状及高度随气流速度的变化扩散火焰的形状及高度随气流速度的变化气流速度气流速度?1.结构结构 （1）当层流时，火焰的轮廓外形是规整的；当气 流速度增加时，起初只是火焰的顶部发生颤动； 随着气流速度的不断增加，火焰上部变为湍流。 在火焰高度上存在着一个转化点，在某以速度 下，该点之上的火焰转变为湍流。（1）当层流时，火焰的轮廓外形是规整的；当气 流速度增加时，起初只是火焰的顶部发生颤动； 随着气流速度的不断增加，火焰上部变为湍流。 在火焰高度上存在着一个转化点，在某以速度 下，该点之上的火焰转变为湍流。 （2）火焰长度。层流时，火焰长度随气流速度成 正比增长；然后又随气流速度的增加而减小。到 达湍流火焰
