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第8章火焰稳定
《燃烧学》
林其钊
2005年4月
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•§8-1 引言
•研究火焰的稳定性及稳定方法
–对工业燃烧装置, 保证稳定\安全燃烧是极其重要的
–一旦着火, 在不同工作条件下使火焰能够维持稳定地传播,或者
说使燃烧稳定地继续下去而不熄灭
–要求不仅懂得在什么条件下能保证火焰的稳定, 而且还要知道
防止火焰不稳定的方法
•火焰稳定分为:
–低速气流下的火焰稳定, 包括回火和吹熄问题
–高速气流下的火焰稳定----工程中的火焰稳定多数属于这种情
况
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•扩散火焰的稳定性和预混火焰的稳定性是不同的
–在稳定方法上扩散火焰有它自己的特点
–扩散火焰在工业装置中应用更广泛
•在深入探讨预混火焰和湍流扩散火焰稳定特点及介绍
火焰稳定方法之前
–首先讨论一维火焰的稳定条件, 因为它是火焰稳定的基础
•层流火焰传播速度的定义为SL:
– SL=up+un
– up为火焰前沿法向移动的分速度
– un为可燃混合气在火焰前沿法向移动的分速度
–如果火焰传播速度和可燃混合气的流动速度方向一致, 取负号;
反之取正号
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•一维火焰的稳定条件, 前提为:
–可燃混合气的燃料浓度在火焰传播界限之内
–平面波的横断面直径比熄火直径大得多
•如果SL=un, 火焰稳定在管内某处
un SL
–火焰传播速度和可燃混合气的流动速度相等,
–则火焰前沿移动速度为0, 即 u =0
p SL=un
•如果SL> un , 回火发生
u S
–火焰传播速度大于可燃混合气的流动速度 n L
–则火焰前沿就会一直向可燃混合气侧的方向移动
SL>un
•如果SL< un , 吹脱(或吹熄\脱火)
–火焰传播速度小于可燃混合气的流动速度
–则火焰前沿就会一直向燃烧产物方向移动, 直至火焰前沿被可
燃混合气吹走 un SL
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SL<un
•为了保证一维火焰的稳定, 既不回火, 又不吹熄, 就必须
是火焰传播速度与可燃混合气的流动速度相等, 即:
– SL=un
•这个关系就是一维火焰的稳定条件圆管内实际火焰形状
•实际火焰燃烧产物
可燃混合气
–壁面处的散热损失 SL
–熄火距离内的火焰将熄灭
–壁面摩擦, 靠近轴线处的火焰速度比靠近壁面处的速度快, 粘
性力使火焰前沿呈抛物面型
–浮力存在, 抛物面的火焰前沿歪曲成非对称形
•此时, 火焰前沿各处的法向火焰传播速度并不相同
•因此实际火焰的稳定条件是:
–必须保证火焰前沿各处的法向火焰传播速度等于可燃混合气
在火焰前沿法向的分速度
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•§8-2 本生灯火焰的稳定
•本生灯是实验室中产生预混火焰的装置
•本生灯的工作特性与工程上的低速燃烧装置(喷射式无
焰烧嘴\家用煤气灶喷嘴等)有很多相似之处
•按化学当量比混合的可燃气通过直管形喷嘴形成火焰,
该火焰形成曲面锥型
•火焰外形特征:
–火焰底部不和喷嘴出口重合,存在向外突出的一个区域,以
及靠近壁面有一段无火焰区
–如采用收敛管,火焰形状将接近正圆锥形,上述特点仍存在
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圆顶
SL
穿透区
(熄火区)
突出区
0
•火焰外形特征为什么会如此: 1
r/rs
–在锥体顶部, 由于火焰前沿的曲率半径和火焰前沿厚度在数量
级上相当, 因此, 热传导和活性分子扩散非常强烈, 提高了当地
火焰的传播速度, 使得锥顶变圆
–由于火焰向金属壁面的散热或活性分子的销毁, 靠近喷口处有
一个无火焰区, 称为穿透距离或熄火距离
–因为可燃气体的压力大于大气压, 使得可燃混合气通过穿透距
离逸出, 引起突出边缘
•可以定性地把本生灯火焰的层流火焰传播速度随径向
位置的变化绘在上图中
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圆顶
穿透区 SL
(熄火区)
突出区
•边缘效应 0
1
–随着径向距离接近喷口内壁, 层流火焰传播速度急剧下降, 直 r/rs
到 Sl 为0
–边缘效应主要因为避免的熄火效应所造成的, 在固体壁面附近,
总是有一个没有火焰的区域, 这个区域叫做熄火区, 熄火区的
厚度叫做熄火距离
•圆顶效应
–在喷口出口的轴线上, 层流火焰传播速度急剧增加, 在顶部达
到最大值
–由于接近顶部, 预混可燃气体被强烈地加热, 其中有辐射\对流\
导热的综合作用, 随着靠近尖顶, 预混可燃气体的温度升高, 从
而增加了层流火焰传播速度
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• 1 锥形火焰的稳定条件
•在火焰前沿上取一微段, 由于微段很小, 可以