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燃气燃烧的火焰传播的基本概念
2015年07月02日
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，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5～10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3—4—1。
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)
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，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)｜s｜>｜w｜，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)｜s]<｜w｜，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
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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，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5～10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3—4—1。
| 燃气 | 爆震波速度/m·s-1 | 爆震波压力/MPa |
| CO | 1930 | 2.1 |
| H2 | 2821 | 2.0 |
| CH4 | 2322 | 3.1 |
| C2H4 | 2450 | 3.4 |
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，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)｜s｜>｜w｜，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)｜s]<｜w｜，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