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1、燃气燃烧的火焰传播的基本概念 一切可燃混合气的正常燃烧过程，都是由着火和燃烧两个阶段所组成。可燃混合气在某一个区域点燃之后，为保持其连续燃烧，应使火焰从这个区域传播开去，所以研究燃气燃烧的火焰传播，实际上是讨论火焰在可燃混合气中不断传播的过程，讨论火焰传播现象的产生、发展和传播条件以及影响火焰传播的各种因素。火焰传播速度是燃气燃烧最重要的特性之一，它不仅对火焰的稳定性和燃气的互换性有很大影响，而且对燃气燃烧方法的选择、燃烧器的设计和燃气的安全使用等，均有重要的实际意义。1.火焰的传播在工程实际中，一般都用点火的方法使燃气和空气混合物着火。因此当点火使可燃混合气某一局部着火时，在着火处就形成一层
2、极薄的火焰面。在这层火焰面内燃烧化学反应产生很高的温度，并在其边界上形成较大的温度梯度，从而产生了强烈的热量和质量交换，使邻近较冷的新鲜可燃混合气层温度升高，当达到着火温度时，就着火燃烧，形成新的火焰面，这样一层一层地，使每层气体都相继经历加热、着火和燃烧的过程，把燃烧扩展到整个混合气体中去，这种现象称为火焰的传播。2焰面未燃气体与燃烧产物的分界面称为焰面或燃烧前沿面、火焰前锋面。实验表明，化学反应不是在整个混合气体内同时发生，而是集中在这薄薄的一层，厚度为几百甚至几十微米的火焰面内，并逐层进行。3火焰传播方式火焰传播的方式有两大类，正常火焰传播或非正常火焰传播。正常火焰传播，仅仅是由于传热和
3、传质的作用，炽热的焰面将热量传给邻近的未燃混合气体层，使其着火燃烧，并一层层依次将火焰传播到整个可燃混合气。根据气体流动状态，正常火焰传播可分为：静止状态、层流状态、紊流状态下的正常火焰传播。它们均属于等压条件下的稳态燃烧，其火焰传播速度，即火焰焰面向前移动的速度S，通常从每秒不足1米至每秒数米、数十米，一般工业炉燃烧室中的燃烧传播，都属于此类型。非正常火焰传播，发生在不等压条件下，通常有两种情况。一是爆炸，发生在均相(或非均相)的燃料空气混合物密闭容器内。或者是由于外界加热，使整个容积达到着火温度，使容器内的可燃混合物同时瞬间反应，伴随着系统压力急速增加；或者是密闭容器内可燃混合物局部着火时
4、，由于燃烧反应传热和高温燃烧产物的热膨胀，引起压力急剧增加，压缩未燃的可燃混合物，使它们处于绝热压缩状态。当未燃气体达到着火温度时，容器内的全部可燃混合物将在瞬间完全反应，伴随着容器内的压力猛烈增大，也就发生了爆炸。另外一种非正常火焰传播为爆震，发生在管状容器中。当在短管中燃烧可燃混合气时，从开口端点火，燃烧过程在恒压条件下进行，属于正常火焰传播；如果在长管中燃烧，火焰传播开始是按与短管条件类似的机理进行，但很快，在长度等于管径的510倍以后，反应便明显开始加速。很快形成一种速度很大的压力波，或爆震波，使火焰传播速度变得很大(可达每秒数千米)，这就是爆震，或称爆燃。爆震波的产生，是由于后面的可
5、燃混合气部分燃烧之后，使前面未燃混合气体发生了绝热压缩，并使火焰以压力波的形式传播。常见燃气同氧的混合物，在化学计量浓度时，爆震波的速度和压力如表341。表3-4-1 常见燃气同氧的混合气发生爆震波的速度和压力(化学计量浓度时)燃气爆震波速度/ms-1爆震波压力/MPaCO19302.1H228212.0CH423223.1C2H424503.4爆震波的温度可高达6000K，其破坏力比爆炸更大。在工业与民用设备中的燃气燃烧过程，都属于正常火焰传播，因此爆炸与爆震都不属本课程研究的范围。4燃烧室中火焰焰面的位置燃气在燃烧室空间的实际燃烧过程是可燃混合气连续流动，并要求火焰的中心位置稳定在燃烧室中
6、，这就要求燃烧前沿面注定而不移动。这一状态是依靠气流速度与火焰传播速度之间的相对平衡来实现的。设有一平面火焰焰面，在一迎面而来的速度为。且沿断面均匀分布的可燃混合气流中作正常传播，火焰传播速度为s，焰面正好与气流速度方向垂直，则w与s之间的平衡关系决定了燃烧前沿面在燃烧室中的位置，如图3-4-1图(a)s=w，燃烧前沿面便注定在燃烧室的某一位置；图(b)sw，燃烧前沿面向新鲜可燃混合气流上游移动(往左)，则出现回火；图(c)sw，燃烧前沿面向气流下游燃烧产物方向移动(往右)，则出现脱火或吹熄。5正常火焰传播时的火焰传播速度对正常火焰传播过程，其火焰传播速度根据混合气流的状态不同，又有多种表示。在静止或层流状态下，焰面呈平面，燃烧传播速度分布沿断面是均匀的，其方向沿断面的法线方向。这时的燃烧传播速度称层流火焰传播速度或法向火焰传播速度sn，m/s。它的物理意义为，单位时间内，在单位火焰面积上，所燃烧的可燃混合气体积：在紊流状态下，焰面将发生曲折和紊乱，此时燃烧前沿的传播速度，称为紊流火焰传播速度st。图3-4-1 在等速流动可燃混合气中的火焰传播虽然在实际燃烧装置中，火焰都是在紊流气流中传播；但是由于层流火焰的传播速度是可燃预混气体的基本物理化学特性参数，且与紊流中火焰的传播速度密切相关，它是了解紊流火焰传播的基础，也是探求燃烧过程机理的基础，因此有必要先讨论层流火焰传播速度。