[科普中国]-湍流扩散火焰

介绍

根据射流形式不同，湍流扩散火焰分为自由射流湍流扩散火焰、同心射流湍流扩散火焰，旋流射流湍流扩散火焰、逆向流射流扩散火焰、受限射流与非受限射流湍流扩散火焰。

湍流扩散火焰的稳定性是指火焰既不被吹跑(或称脱火，吹熄)，也不产生回火．而始终“悬挂”在管口的情况。在低的流速下，火焰附着在管口。随着流速增加，火焰从管口升起。从管口到火焰底部的距离称为火焰升起的距离。当管口流出速度超过某一极限值时，火焰会熄灭。扩散燃烧时由于燃料在管内不与空气预先混合，因此不可能产生回火，这是扩散燃烧的最大优点。此外扩散火焰的温度较低，对有效利用热能是不利的。1

燃烧原理当燃气流量不断增加，气流速度增加到某一临界值时，气体流动状态从层流转变为湍流，此时为湍流扩散燃烧。湍流气流中的各个气体微团除了有朝一定方向的平均流速外，同时还具有不规则的向各个方向的较高频率的脉动，从而提高了分子微团间的扩散速度，使燃烧速度加快，火焰长度缩短。

在湍流扩散火焰中，无法区分焰面和其他部分，在整个火焰内部都进行着燃气与氧的混合、预热和化学反应。火焰的长度和形状完全取决于燃气与空气的流动方向和流动特性。

特性与应用湍流扩散火焰在工业上应用很广泛，如工业炉的有焰燃烧器，火箭的燃料燃烧及内燃机内的燃料燃烧等。湍流扩散火焰的形成方法，通常把燃料和氧化剂分别进入燃烧器，而不是充分混合之后再进人燃烧器。

湍流扩散火焰的特点是界面上化学反应速率大大地超过了燃料和氧化剂之间的混合速率。人们曾用快速反应模型对层流扩散火焰进行了成功的分析，但应用到湍流扩散火焰时不很成功，因为所得的火焰区附近的温度和浓度分布与层流火焰十分相近，如火焰区极薄，参数分布曲线很陡等。2

稳定火焰方法火焰稳定，即保证已经着火了的燃料不再熄灭，要求火焰前沿能稳定在某一位置。要保证火焰前沿稳定在某一位置的必然条件是：可燃物向前流动的速度等于火焰前沿可燃物的传播速度，这两个速度大小相等，方向相反，因而火焰前沿就静止在某一位置上。

湍流扩散火焰稳定的方法如下： （1）钝体； （2）小型点火火焰稳定火焰，可在流速较高的预混可燃主气流附近放置一个流速较低的稳定的小型点火火焰（又称值班火焰或引燃火焰），使主气流受到小火焰不间断的点燃；（3）用反吹射流稳定火焰；（4）采用旋转射流稳定火焰，旋转燃烧器是利用强烈的强烈的旋转气流产生强大的高温回流区，从而强化燃烧的着火和燃烧，同时加速燃料和空气的混合；（5）利用燃烧室壁凹槽稳定火焰， 在凹槽内行程一个分离回流流动，这回流区就是对流经的可燃混合气流由返回的高温烟气点燃而维持火焰的稳定。（6）利用带孔圆筒稳定火焰；（7）利用流线型物体稳定火焰，前面叙述稳定火焰的基本原则是采用较大阻力的物体使高速齐鲁滞止下来形成回流区，利用回流的高温燃气来点燃混合气以维持火焰的稳定，利用流线型物体的方法原理基本相同，以尽量减少稳定器所造成的流阻损失；（8）利用激波稳定火焰，利用超音速气流形成的激波来进行燃烧，一方面是藉激波的减速作用使气流滞停下来，使燃烧在亚音速气流内进行；另一方面是利用激波所造成的局部极高温度来协助火焰的传播，然而，由于激波后气流速度仍然很高，要形成固定的点火源就需要有火焰传播速度很高的高能燃料。