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1、1,一、预混可燃气体的着火和自燃理论二、预混可燃气体的点燃理论三、层流火焰传播四、湍流火焰传播五、火焰的稳定六、气体燃料火焰的类型和自由射流的基本特性七、湍流流场数值计算简介,第三章 气体燃料的燃烧,2,第一节 预混可燃气体的着火和自燃理论,（高等燃烧学中称“热力爆燃理论” ）热着火 着火的反应机理化学链着火自燃 自发的着火 着火方式点燃 强迫着火,3,一、自燃热力理论,1、绝热条件下的自燃过程质量作用定律 ：阿累尼乌斯定律 ： 产热率 ： kJ/(sm3) 热值； 化学反应速度。,4,若n=a+b+ 化学反应级数平衡式 将 代入： 积分,1、绝热条件下的自燃过程,5,根据初始条件： 时, 反
2、应结束： （绝热火焰温度）两式除 微分,1、绝热条件下的自燃过程,6,1、绝热条件下的自燃过程,图3-1 反应物浓度与温度的关系,7,1、绝热条件下的自燃过程,图3-2 温度、浓度、反应速率随时间的变化,8,1、绝热条件下的自燃过程,图3-3 绝热容器内反应过程中C与T随时间的变化,9,1、绝热条件下的自燃过程,图3-4 绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化,10,即各组分扩散速度的总和不为0。,即各组分扩散速度的总和不为0。,非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热和放热综合作用的结果。 散热 能量平衡 即,2、非绝热条件下的自燃过程,11,图3-5 非绝热条件下的热量平衡,a点稳定点；b
3、点平衡点，不稳定点；c点不稳定点，着火临界点,Tc着火温度,12,自燃的临界条件：,2、非绝热条件下的自燃过程,13,T0c自燃温度，一般 T0cTC 维持着火的燃料浓度限 一定p，T或一定T，p着火范围变窄 一定p，T或一定T，p任意浓度下不会着火 容器散热程度着火范围变窄,3自燃界限,14,3自燃界限,图3-11 一定压力下着火温度与成分的关系,15,3自燃界限,图3-12 一定温度下自燃的临界压力与成分的关系,16,4着火延滞（感应）期,可燃混合物从初始温度T0上升到着火温度Tc所经历的时间。,17,二、链锁自燃理论,链锁反应基本步骤：链的激发链的传递链的中断（反应中存在链载体）,18,
4、第二节 预混可燃气体的点燃理论,点燃 用具有较高能量的外部热源去接触可燃混合物，靠近外部热源的部分先行着火，然后火焰传播到整个混合物中去。,19,一、点燃特点,热物体表面附近，取 厚度：,图3-16 稳定的缓慢氧化状态下，热物体附面层中的 温度场和浓度场,20, 能量方程 （1） 导热 = 反应放热量 热平衡 扩散方程 （2） 反应物消耗量=扩散量 物质平衡 扩散方程乘Q，代入能量方程： 。,一、点燃特点,21,一般情况下 Le1 积分，代入边界条件 （环境） 将 代入 （3）,一、点燃特点,22, 可燃气体的点燃是有一定条件的。 维持热物体表面附近一薄层气体稳定氧化的极限状态，即为点燃的临界
5、状态。图3-17 温度不同的热物体点燃时的温度分布,二、点燃热力理论,（4）,（1）（3）（4）联立，可求解。但分析解很难，只能求近似解。,23, 双区理论：反应区 反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。 导热区 不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。,二、点燃热力理论,24,1、热球点火 炽热的石英球或铂金球若球温 ，可能着火。2、平面火焰点火 火焰为无限大平板3、电火花点火 点火能 熄火距离 最小点火能 在可燃混合物中能够引起火焰传播的最小能量。,三、点燃方法,25, 可燃混合物着火 温度、时间。 临界点燃时间 在一定的能源性质、形状及大小等条件下，使一定的可燃混合物
6、发生着火所必须的能源与混合物的接触时间。 要点燃一定的可燃混合物，必须提供一定的能量：或短时间提供大量能量，或低水平能源维持足够长的时间。 可燃极限 在一定的压力和温度下，点火能量加大到一定程度以后， 混合物的点燃浓度界限就不再扩大了，这就称为饱和点火能下的可燃浓度界限，或简称可燃极限。,四、可燃界限,26,图3-25 可燃界限示意图,可 燃 界 限 示 意 图 图3-25,四、可燃界限,27,1、压力 p 可燃极限 2、流速 w 着火范围变窄 3、可燃混合物初温 T0 着火范围变小 4、掺入其它物质 惰性气体使着火范围变窄（上限下降） 另一种可燃物质 可燃极限介于两者之间。,五、影响可燃极限
7、的因素,28,掺入惰性气体可消除火灾,热容（比热）和导热性能对着火和火焰传播的影响高的导热性使着火困难，但有利于火焰传播；高的热容对着火有利，但使火焰传播困难。 良好的灭火剂都具有较高的 值（火焰传播困难）。,29,层流火焰传播火焰传播 湍流火焰传播爆 震,第三节 层流火焰传播,火焰锋面向未燃气流方向的推进。,30,一、层流火焰传播的概念,1、层流火焰传播速度 方向一致时取负号。 火焰面移动的绝对速度 未燃混合气体的绝对速度火焰不动； 回火； 吹熄。,31,2、层流火焰传播速度的测定方法肥皂泡法、圆管法、本生灯法。 3、本生灯法（法向分速度）测得 和 ，可求 。,一、层流火焰传播的概念,32,
8、一、层流火焰传播的概念,实 际 的 本 生 灯 火 焰 图3-34,4实际本生灯火焰 * 顶部呈圆头形：原因是热量与活性粒子扩散强烈； * 管口边缘形成凸出部分：原因是热量损失与活性粒子碰壁销毁。,33,本 生 灯 火 焰 的 u0、w 分 布图3-35,1.u0分布 2.W分布 3.理想火焰 4.实际火焰,34,二、层流火焰传播理论,层流火焰传播理论 - 控制火焰传播的主要机理 热理论 - 从反应区到未燃区的热传导 扩散理论 - 链载体的逆向扩散 综合理论 - 热传导与活性粒子的扩散有同等影响,35, 热理论：1火焰锋面内几个参量的变化 火焰锋面 已燃气体和未燃气体的分界面。 最大温差/最大
9、温度梯度 火焰锋面压力差（动量守恒： ）,二、层流火焰传播理论,36,浓度与温度关系由能量方程与扩散方程求得（假定Le=1）2、泽尔多维奇双区理论 能量方程 预热区忽略化学反应项反应区忽略对流项,二、层流火焰传播理论,37,火 焰 传 播 的 热 理 论 图3-37,二、层流火焰传播理论,38,3、火焰锋面厚度和预热及反应时间 预热区厚度 反应区厚度。 预热时间 反应时间 火焰锋面内平均反应速率， 见（3-83）式。,二、层流火焰传播理论,39,1、温度 混合物初温 m =1.52 火焰温度 比 影响大 2、压力 n 总反应级数，当 n2, 则 （大多数碳氢燃料的燃烧n2）工程中， 燃烧强度（
10、增压燃烧）原因：火焰质量传播速度 （燃料消耗量）随压力增大。,三、影响层流火焰传播的因素,40,3、燃料/氧化剂混合比混合比 = 化学计量比时， 最大。 4、燃料结构饱和烃类（烷）， 与 （碳原子数目）无关不饱和烃类， 5、添加剂 惰性添加剂，使 反应添加剂,三、影响层流火焰传播的因素,41,四、层流火焰传播界限, 当 降至某一数值时，火焰传播不能维持，产生熄火淬熄。 发生淬熄时的临界条件火焰传播界限。,42,第四节 湍流火焰传播,一、流体的湍动参数1、湍动能 湍流脉动速度的均方值 湍动能 湍动相对强度 平均速度 湍动能耗散率 湍动能的减弱速率2、湍动尺度 欧拉尺度考察各瞬间流体微团的脉动情况
11、 拉格朗日尺度考察空间某一质点的运动情况,43,小尺度湍流火焰微团的平均尺寸层流下火焰锋面厚度 类型 大尺度弱湍流火焰 大尺度强湍流火焰 湍流火焰的传播速度比层流时大得多。原因：（1）湍流脉动使火焰变形，从而使火焰表面积增加；（2）湍流脉动增加了热量和活性粒子的传递速度；（3）湍流脉动加快了已燃气和未燃气的混合。,二、湍流火焰传播的特点,44,三、湍流火焰的表面理论从火焰锋面入手展开讨论。 四、湍流火焰的容积理论容积理论认为： 不存在火焰锋面，反应也不仅仅发生在锋面厚度之内。,45,一、本生灯火焰的稳定 稳定条件 ：火焰传播速度； 预混可燃气流速度。 不稳定的因素（使 ）：1、管壁的散热作用；2、射流边界层外缘混入外界气体。,
