一切可燃混合氣的正常燃燒過程，都是由著火和燃燒兩個階段所組成。可燃混合氣在某一個區(qū)域點燃之后，為保持其連續(xù)燃燒，應(yīng)使火焰從這個區(qū)域傳播開去，所以研究燃?xì)馊紵幕鹧鎮(zhèn)鞑ィ瑢嶋H上是討論火焰在可燃混合氣中不斷傳播的過程，討論火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象的產(chǎn)生、發(fā)展和傳播條件以及影響火焰?zhèn)鞑サ母鞣N因素。
火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細(xì)馊紵钪匾奶匦灾唬粌H對火焰的穩(wěn)定性和燃?xì)獾幕Q性有很大影響，而且對燃?xì)馊紵椒ǖ倪x擇、燃燒器的設(shè)計和燃?xì)獾陌踩褂玫龋兄匾膶嶋H意義。
1.火焰的傳播
在工程實際中，一般都用點火的方法使燃?xì)夂涂諝饣旌衔镏稹Ｒ虼水?dāng)點火使可燃混合氣某一局部著火時，在著火處就形成一層極薄的火焰面。在這層火焰面內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生很高的溫度，并在其邊界上形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了強烈的熱量和質(zhì)量交換，使鄰近較冷的新鮮可燃混合氣層溫度升高，當(dāng)達(dá)到著火溫度時，就著火燃燒，形成新的火焰面，這樣一層一層地，使每層氣體都相繼經(jīng)歷加熱、著火和燃燒的過程，把燃燒擴展到整個混合氣體中去，這種現(xiàn)象稱為火焰的傳播。
2．焰面
未燃?xì)怏w與燃燒產(chǎn)物的分界面稱為焰面或燃燒前沿面、火焰前鋒面。實驗表明，化學(xué)反應(yīng)不是在整個混合氣體內(nèi)同時發(fā)生，而是集中在這薄薄的一層，厚度為幾百甚至幾十微米的火焰面內(nèi)，并逐層進(jìn)行。
3．火焰?zhèn)鞑シ绞?/strong>
火焰?zhèn)鞑サ姆绞接袃纱箢悾；鹧鎮(zhèn)鞑セ蚍钦；鹧鎮(zhèn)鞑ァ?br /> 正常火焰?zhèn)鞑ィ瑑H僅是由于傳熱和傳質(zhì)的作用，熾熱的焰面將熱量傳給鄰近的未燃混合氣體層，使其著火燃燒，并一層層依次將火焰?zhèn)鞑サ秸麄€可燃混合氣。根據(jù)氣體流動狀態(tài)，正常火焰?zhèn)鞑タ煞譃椋红o止?fàn)顟B(tài)、層流狀態(tài)、紊流狀態(tài)下的正常火焰?zhèn)鞑ァＫ鼈兙鶎儆诘葔簵l件下的穩(wěn)態(tài)燃燒，其火焰?zhèn)鞑ニ俣龋椿鹧嫜婷嫦蚯耙苿拥乃俣萐，通常從每秒不足1米至每秒數(shù)米、數(shù)十米，一般工業(yè)爐燃燒室中的燃燒傳播，都屬于此類型。
非正常火焰?zhèn)鞑ィl(fā)生在不等壓條件下，通常有兩種情況。一是爆炸，發(fā)生在均相(或非均相)的燃料／空氣混合物密閉容器內(nèi)。或者是由于外界加熱，使整個容積達(dá)到著火溫度，使容器內(nèi)的可燃混合物同時瞬間反應(yīng)，伴隨著系統(tǒng)壓力急速增加；或者是密閉容器內(nèi)可燃混合物局部著火時，由于燃燒反應(yīng)傳熱和高溫燃燒產(chǎn)物的熱膨脹，引起壓力急劇增加，壓縮未燃的可燃混合物，使它們處于絕熱壓縮狀態(tài)。當(dāng)未燃?xì)怏w達(dá)到著火溫度時，容器內(nèi)的全部可燃混合物將在瞬間完全反應(yīng)，伴隨著容器內(nèi)的壓力猛烈增大，也就發(fā)生了爆炸。
另外一種非正常火焰?zhèn)鞑楸穑l(fā)生在管狀容器中。當(dāng)在短管中燃燒可燃混合氣時，從開口端點火，燃燒過程在恒壓條件下進(jìn)行，屬于正常火焰?zhèn)鞑ィ蝗绻陂L管中燃燒，火焰?zhèn)鞑ラ_始是按與短管條件類似的機理進(jìn)行，但很快，在長度等于管徑的5～10倍以后，反應(yīng)便明顯開始加速。很快形成一種速度很大的壓力波，或爆震波，使火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兊煤艽?可達(dá)每秒數(shù)千米)，這就是爆震，或稱爆燃。爆震波的產(chǎn)生，是由于后面的可燃混合氣部分燃燒之后，使前面未燃混合氣體發(fā)生了絕熱壓縮，并使火焰以壓力波的形式傳播。
常見燃?xì)馔醯幕旌衔铮诨瘜W(xué)計量濃度時，爆震波的速度和壓力如表3—4—1。
表3-4-1 常見燃?xì)馔醯幕旌蠚獍l(fā)生爆震波的速度和壓力(化學(xué)計量濃度時)
爆震波的溫度可高達(dá)6000K，其破壞力比爆炸更大。
在工業(yè)與民用設(shè)備中的燃?xì)馊紵^程，都屬于正常火焰?zhèn)鞑ィ虼吮ㄅc爆震都不屬本課程研究的范圍。
4．燃燒室中火焰焰面的位置
燃?xì)庠谌紵铱臻g的實際燃燒過程是可燃混合氣連續(xù)流動，并要求火焰的中心位置穩(wěn)定在燃燒室中，這就要求燃燒前沿面注定而不移動。這一狀態(tài)是依靠氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的相對平衡來實現(xiàn)的。
設(shè)有一平面火焰焰面，在一迎面而來的速度為。且沿斷面均勻分布的可燃混合氣流中作正常傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閟，焰面正好與氣流速度方向垂直，則w與s之間的平衡關(guān)系決定了燃燒前沿面在燃燒室中的位置，如圖3-4-1
圖(a)｜s｜=｜w｜，燃燒前沿面便注定在燃燒室的某一位置；圖(b)｜s｜>｜w｜，燃燒前沿面向新鮮可燃混合氣流上游移動(往左)，則出現(xiàn)回火；圖(c)｜s]<｜w｜，燃燒前沿面向氣流下游燃燒產(chǎn)物方向移動(往右)，則出現(xiàn)脫火或吹熄。
5．正常火焰?zhèn)鞑r的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/strong>
對正常火焰?zhèn)鞑ミ^程，其火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鶕?jù)混合氣流的狀態(tài)不同，又有多種表示。在靜止或?qū)恿鳡顟B(tài)下，焰面呈平面，燃燒傳播速度分布沿斷面是均勻的，其方向沿斷面的法線方向。這時的燃燒傳播速度稱層流火焰?zhèn)鞑ニ俣然蚍ㄏ蚧鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萻n，m/s。它的物理意義為，單位時間內(nèi)，在單位火焰面積上，所燃燒的可燃混合氣體積：在紊流狀態(tài)下，焰面將發(fā)生曲折和紊亂，此時燃燒前沿的傳播速度，稱為紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣萻t。
圖3-4-1 在等速流動可燃混合氣中的火焰?zhèn)鞑?/strong>
雖然在實際燃燒裝置中，火焰都是在紊流氣流中傳播；但是由于層流火焰的傳播速度是可燃預(yù)混氣體的基本物理化學(xué)特性參數(shù)，且與紊流中火焰的傳播速度密切相關(guān)，它是了解紊流火焰?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)，也是探求燃燒過程機理的基礎(chǔ)，因此有必要先討論層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br />
火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細(xì)馊紵钪匾奶匦灾唬粌H對火焰的穩(wěn)定性和燃?xì)獾幕Q性有很大影響，而且對燃?xì)馊紵椒ǖ倪x擇、燃燒器的設(shè)計和燃?xì)獾陌踩褂玫龋兄匾膶嶋H意義。
1.火焰的傳播
在工程實際中，一般都用點火的方法使燃?xì)夂涂諝饣旌衔镏稹Ｒ虼水?dāng)點火使可燃混合氣某一局部著火時，在著火處就形成一層極薄的火焰面。在這層火焰面內(nèi)燃燒化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生很高的溫度，并在其邊界上形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了強烈的熱量和質(zhì)量交換，使鄰近較冷的新鮮可燃混合氣層溫度升高，當(dāng)達(dá)到著火溫度時，就著火燃燒，形成新的火焰面，這樣一層一層地，使每層氣體都相繼經(jīng)歷加熱、著火和燃燒的過程，把燃燒擴展到整個混合氣體中去，這種現(xiàn)象稱為火焰的傳播。
2．焰面
未燃?xì)怏w與燃燒產(chǎn)物的分界面稱為焰面或燃燒前沿面、火焰前鋒面。實驗表明，化學(xué)反應(yīng)不是在整個混合氣體內(nèi)同時發(fā)生，而是集中在這薄薄的一層，厚度為幾百甚至幾十微米的火焰面內(nèi)，并逐層進(jìn)行。
3．火焰?zhèn)鞑シ绞?/strong>
火焰?zhèn)鞑サ姆绞接袃纱箢悾；鹧鎮(zhèn)鞑セ蚍钦；鹧鎮(zhèn)鞑ァ?br /> 正常火焰?zhèn)鞑ィ瑑H僅是由于傳熱和傳質(zhì)的作用，熾熱的焰面將熱量傳給鄰近的未燃混合氣體層，使其著火燃燒，并一層層依次將火焰?zhèn)鞑サ秸麄€可燃混合氣。根據(jù)氣體流動狀態(tài)，正常火焰?zhèn)鞑タ煞譃椋红o止?fàn)顟B(tài)、層流狀態(tài)、紊流狀態(tài)下的正常火焰?zhèn)鞑ァＫ鼈兙鶎儆诘葔簵l件下的穩(wěn)態(tài)燃燒，其火焰?zhèn)鞑ニ俣龋椿鹧嫜婷嫦蚯耙苿拥乃俣萐，通常從每秒不足1米至每秒數(shù)米、數(shù)十米，一般工業(yè)爐燃燒室中的燃燒傳播，都屬于此類型。
非正常火焰?zhèn)鞑ィl(fā)生在不等壓條件下，通常有兩種情況。一是爆炸，發(fā)生在均相(或非均相)的燃料／空氣混合物密閉容器內(nèi)。或者是由于外界加熱，使整個容積達(dá)到著火溫度，使容器內(nèi)的可燃混合物同時瞬間反應(yīng)，伴隨著系統(tǒng)壓力急速增加；或者是密閉容器內(nèi)可燃混合物局部著火時，由于燃燒反應(yīng)傳熱和高溫燃燒產(chǎn)物的熱膨脹，引起壓力急劇增加，壓縮未燃的可燃混合物，使它們處于絕熱壓縮狀態(tài)。當(dāng)未燃?xì)怏w達(dá)到著火溫度時，容器內(nèi)的全部可燃混合物將在瞬間完全反應(yīng)，伴隨著容器內(nèi)的壓力猛烈增大，也就發(fā)生了爆炸。
另外一種非正常火焰?zhèn)鞑楸穑l(fā)生在管狀容器中。當(dāng)在短管中燃燒可燃混合氣時，從開口端點火，燃燒過程在恒壓條件下進(jìn)行，屬于正常火焰?zhèn)鞑ィ蝗绻陂L管中燃燒，火焰?zhèn)鞑ラ_始是按與短管條件類似的機理進(jìn)行，但很快，在長度等于管徑的5～10倍以后，反應(yīng)便明顯開始加速。很快形成一種速度很大的壓力波，或爆震波，使火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兊煤艽?可達(dá)每秒數(shù)千米)，這就是爆震，或稱爆燃。爆震波的產(chǎn)生，是由于后面的可燃混合氣部分燃燒之后，使前面未燃混合氣體發(fā)生了絕熱壓縮，并使火焰以壓力波的形式傳播。
常見燃?xì)馔醯幕旌衔铮诨瘜W(xué)計量濃度時，爆震波的速度和壓力如表3—4—1。
| 燃?xì)?/td> | 爆震波速度/m·s-1 | 爆震波壓力/MPa |
| CO | 1930 | 2.1 |
| H2 | 2821 | 2.0 |
| CH4 | 2322 | 3.1 |
| C2H4 | 2450 | 3.4 |
爆震波的溫度可高達(dá)6000K，其破壞力比爆炸更大。
在工業(yè)與民用設(shè)備中的燃?xì)馊紵^程，都屬于正常火焰?zhèn)鞑ィ虼吮ㄅc爆震都不屬本課程研究的范圍。
4．燃燒室中火焰焰面的位置
燃?xì)庠谌紵铱臻g的實際燃燒過程是可燃混合氣連續(xù)流動，并要求火焰的中心位置穩(wěn)定在燃燒室中，這就要求燃燒前沿面注定而不移動。這一狀態(tài)是依靠氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的相對平衡來實現(xiàn)的。
設(shè)有一平面火焰焰面，在一迎面而來的速度為。且沿斷面均勻分布的可燃混合氣流中作正常傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣葹閟，焰面正好與氣流速度方向垂直，則w與s之間的平衡關(guān)系決定了燃燒前沿面在燃燒室中的位置，如圖3-4-1
圖(a)｜s｜=｜w｜，燃燒前沿面便注定在燃燒室的某一位置；圖(b)｜s｜>｜w｜，燃燒前沿面向新鮮可燃混合氣流上游移動(往左)，則出現(xiàn)回火；圖(c)｜s]<｜w｜，燃燒前沿面向氣流下游燃燒產(chǎn)物方向移動(往右)，則出現(xiàn)脫火或吹熄。
5．正常火焰?zhèn)鞑r的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/strong>
對正常火焰?zhèn)鞑ミ^程，其火焰?zhèn)鞑ニ俣雀鶕?jù)混合氣流的狀態(tài)不同，又有多種表示。在靜止或?qū)恿鳡顟B(tài)下，焰面呈平面，燃燒傳播速度分布沿斷面是均勻的，其方向沿斷面的法線方向。這時的燃燒傳播速度稱層流火焰?zhèn)鞑ニ俣然蚍ㄏ蚧鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萻n，m/s。它的物理意義為，單位時間內(nèi)，在單位火焰面積上，所燃燒的可燃混合氣體積：在紊流狀態(tài)下，焰面將發(fā)生曲折和紊亂，此時燃燒前沿的傳播速度，稱為紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣萻t。
圖3-4-1 在等速流動可燃混合氣中的火焰?zhèn)鞑?/strong>
雖然在實際燃燒裝置中，火焰都是在紊流氣流中傳播；但是由于層流火焰的傳播速度是可燃預(yù)混氣體的基本物理化學(xué)特性參數(shù)，且與紊流中火焰的傳播速度密切相關(guān)，它是了解紊流火焰?zhèn)鞑サ幕A(chǔ)，也是探求燃燒過程機理的基礎(chǔ)，因此有必要先討論層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br />
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