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，應使火焰從這個區(qū)域傳播開去，所以研究燃氣燃燒的火焰?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象的產生、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)鞑ニ俣仁侨細馊紵钪匾奶匦灾唬粌H對火焰的穩(wěn)定性和燃氣的互換性有很大影響，而且對燃氣燃燒方法的選擇、燃燒器的設計和燃氣的安全使用等，均有重要的實際意義。
1.火焰的傳播
在工程實際中，一般都用點火的方法使燃氣和空氣混合物著火。因此當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。在這層火焰面內燃燒化學反應產生很高的溫度，并在其邊界上形成較大的溫度梯度，從而產生了強烈的熱量和質量交換，使鄰近較冷的新鮮可燃混合氣層溫度升高，當達到著火溫度時，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，這種現象稱為火焰的傳播。
2．焰面
未燃氣體與燃燒產物的分界面稱為焰面或燃燒前沿面、火焰前鋒面。實驗表明，化學反應不是在整個混合氣體內同時發(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，并逐層進行。
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。根據氣體流動狀態(tài)，正常火焰?zhèn)鞑タ煞譃椋红o止狀態(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米至每秒數米、數十米，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。或者是由于外界加熱，使整個容積達到著火溫度，使容器內的可燃混合物同時瞬間反應，伴隨著系統(tǒng)壓力急速增加；或者是密閉容器內可燃混合物局部著火時，由于燃燒反應傳熱和高溫燃燒產物的熱膨脹，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)。當未燃氣體達到著火溫度時，容器內的全部可燃混合物將在瞬間完全反應，伴隨著容器內的壓力猛烈增大，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行，但很快，在長度等于管徑的5～10倍以后，反應便明顯開始加速。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?可達每秒數千米)，這就是爆震，或稱爆燃。爆震波的產生，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。
常見燃氣同氧的混合物，在化學計量濃度時，爆震波的速度和壓力如表3—4—1。
表3-4-1 常見燃氣同氧的混合氣發(fā)生爆震波的速度和壓力(化學計量濃度時)
爆震波的溫度可高達6000K，其破壞力比爆炸更大。
在工業(yè)與民用設備中的燃氣燃燒過程，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
燃氣在燃燒室空間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的相對平衡來實現的。
設有一平面火焰焰面，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)，則出現回火；圖(c)｜s]<｜w｜，燃燒前沿面向氣流下游燃燒產物方向移動(往右)，則出現脫火或吹熄。
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)鞑ニ俣雀鶕旌蠚饬鞯臓顟B(tài)不同，又有多種表示。在靜止或層流狀態(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，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混氣體的基本物理化學特性參數，且與紊流中火焰的傳播速度密切相關，它是了解紊流火焰?zhèn)鞑サ幕A，也是探求燃燒過程機理的基礎，因此有必要先討論層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br />
火焰?zhèn)鞑ニ俣仁侨細馊紵钪匾奶匦灾唬粌H對火焰的穩(wěn)定性和燃氣的互換性有很大影響，而且對燃氣燃燒方法的選擇、燃燒器的設計和燃氣的安全使用等，均有重要的實際意義。
1.火焰的傳播
在工程實際中，一般都用點火的方法使燃氣和空氣混合物著火。因此當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。在這層火焰面內燃燒化學反應產生很高的溫度，并在其邊界上形成較大的溫度梯度，從而產生了強烈的熱量和質量交換，使鄰近較冷的新鮮可燃混合氣層溫度升高，當達到著火溫度時，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，這種現象稱為火焰的傳播。
2．焰面
未燃氣體與燃燒產物的分界面稱為焰面或燃燒前沿面、火焰前鋒面。實驗表明，化學反應不是在整個混合氣體內同時發(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，并逐層進行。
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。根據氣體流動狀態(tài)，正常火焰?zhèn)鞑タ煞譃椋红o止狀態(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米至每秒數米、數十米，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。或者是由于外界加熱，使整個容積達到著火溫度，使容器內的可燃混合物同時瞬間反應，伴隨著系統(tǒng)壓力急速增加；或者是密閉容器內可燃混合物局部著火時，由于燃燒反應傳熱和高溫燃燒產物的熱膨脹，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)。當未燃氣體達到著火溫度時，容器內的全部可燃混合物將在瞬間完全反應，伴隨著容器內的壓力猛烈增大，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行，但很快，在長度等于管徑的5～10倍以后，反應便明顯開始加速。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?可達每秒數千米)，這就是爆震，或稱爆燃。爆震波的產生，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。
常見燃氣同氧的混合物，在化學計量濃度時，爆震波的速度和壓力如表3—4—1。
| 燃氣 | 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6000K，其破壞力比爆炸更大。
在工業(yè)與民用設備中的燃氣燃燒過程，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
燃氣在燃燒室空間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的相對平衡來實現的。
設有一平面火焰焰面，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)，則出現回火；圖(c)｜s]<｜w｜，燃燒前沿面向氣流下游燃燒產物方向移動(往右)，則出現脫火或吹熄。
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)鞑ニ俣雀鶕旌蠚饬鞯臓顟B(tài)不同，又有多種表示。在靜止或層流狀態(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，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混氣體的基本物理化學特性參數，且與紊流中火焰的傳播速度密切相關，它是了解紊流火焰?zhèn)鞑サ幕A，也是探求燃燒過程機理的基礎，因此有必要先討論層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br />
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