[科普中国]-扩散火焰

分类

燃料与空气的混合是靠它们之间的质量扩散作用来实现的，所以扩散火焰可分为层流扩散火焰和湍流扩散火焰。流动介质中的质量扩散过程与流动状态有关，在层流状态，质量扩散以分子扩散的方式实现称为层流扩散；但在湍流状态下由于大量气团的无规则运动，使燃料与空气之问的质量扩散速度明显增加，因此被称为湍流扩散。1

火焰结构1、层流扩散火焰结构

气体燃料由直径为d0的管口流出，与周围空气进行分子间扩散，以此来完成两者间的混合。这种燃烧所形成的火焰面必然处于燃料空气按化学恰当比混合的位置，只有这样，生成的火焰面才是稳定的。实际上，如果空气量过多，则燃烧后剩余的空气必然要继续向火焰面内侧扩散井与内侧的燃料混合燃烧，使火焰面向射流轴心移动；

相反地，如果空气量过少，则未燃尽的嫩料要继续向外侧扩散，与外侧的空气混合和燃烧，使火焰面向外移动。因此，只有按理论空气需要量混合时，焰面才稳定。由此可以断定，焰面的内侧只有燃料和燃烧产物，没有空气而焰面的外侧只有空气和燃烧产物，没有燃料。

在火焰面上，燃料和氧气的浓度最小(理论上为零)，而燃烧产物的浓度则最大；

自火焰面向射流轴心，燃料浓度增高，产物浓度减小；

自火焰面向外，则氧气浓度增高，而产物浓度减小；

沿着燃料流动方向，燃料逐渐燃烧，其浓度最大的核心区直径逐渐缩小，而沿射流轴心线流动的燃料要穿过整个火焰长度达到火焰顶端，才能最终燃尽。

因此整个火焰呈锥形，而锥顶与孔口之间的轴向距离称为火焰长度或火焰高度。

2、湍流扩散火焰结构

右图表示火焰高度和火焰状态随管口流出速度(管径不变时)的变化。

在层流区，火焰面清晰、光滑和稳定，火焰高度几乎同流速(或雷诺数)成正比。

在过渡区，火焰末端出现局部湍流，焰面明显起皱，并随着流出速度的增加，火焰端部的湍流区长度增加，或由层流转变为湍流的“转变点”逐渐向管门移动，而火焰的总高度则明显降低口到达湍流区之后，火焰总高度几乎与流出速度无关，而“转变点”与管口间的距离则随流速增加略有缩短。

这时几乎整个火焰面严重褶皱，火焰亮度明显降低，并出现明显的燃烧噪声。1

火焰高度1、层流扩散火焰高度

根据对射流的动量方程和能量方程的近似求解，可得层流扩散火焰高度为：

式中：

——管口直径；

——流出速度；

——射流的粘性系数，m2/s；

——周围空气的氧浓度；

——为燃料与空气的化学恰当比。

当管口直径时，层流扩散火焰高度也可按如下近似公式确定：

其中为单个管口(或火孔)的热负荷，KJ/h。为与燃料种类及相邻两火孔问距有关的系数，其值可由下表确定：

|| ||

2、湍流扩散火焰高度

确定扩散火焰的高度，实质上是要寻找火焰锋面与轴心线相交的位置，扩散火焰锋面应建立在燃料和空气按化学恰当比混合的地方，并可以近似地当作未燃烧情况下燃料和空气浓度符合化学恰当比处。

湍流自由射流扩散火焰高度为：

式中：

——管口直径；

——为燃料与空气的化学恰当比；

——理论空气量。2

特点1、扩散火焰的稳定性

稳定性是指火焰既不被吹跑(或叫脱火，吹熄)，也不产生回火，而始终“悬挂”在管口的情况。

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。但管口流出速度超过某一极限值时，火焰可能脱离管口并最终熄灭。此外，扩散火焰的温度较低，对有效利用热能是不利的。

湍流扩散燃烧是当前工业上广泛采用的燃烧方法之一，并常用一些人工稳焰方法来改善火焰的稳定性。

2、碳氢化合物的热分解

碳氢化合物在高温和缺氧的环境中会分解成低分子化合物，并产生游离的碳粒。如果这些碳粒来不及完全燃烧而被燃烧产物带走，就会造成环境污染，并导致能量损失。扩散燃烧时，火焰的根部及火焰的内侧容易析碳，因此，如何控制碳粒生成及防止冒烟乃是扩散燃烧中值得注意的问题。

3、实验表明，气态燃料中的一氧化碳分子的热稳定性较好，在2500~3000℃的高温下也能保持稳定。而各种碳氢化合物的热稳定性却较差，它们的分解温度较低，如甲烷为683℃，乙烷为485 ℃，丙烷为400℃，丁烷为435 ℃。一般而言，碳氢化合物的分子量越大，热稳定性就越差，而且温度越高，分解反应越弧烈，如甲烷在950℃时只分解26%，但在1150℃时将分解90%。2

层流扩散火焰与湍流扩散火焰区别与层流射流扩散火焰相比，湍流射流扩散火焰有如下区别：

1、湍流射流扩散火焰前沿为颤动的、皱折的、破裂的。因此测定火焰高度很不容易。

2、湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽，并处于激烈脉动中。

3、湍流射流扩散火焰的高度与射流速度无关，仅仅与喷嘴直径成正比。因此，如果要设计一个短的燃烧室，根据这个预测，只能减小喷嘴直径。如果热负荷很大，为了获得短的火焰，只有用若干个小直径喷嘴。相反，有些工业窑炉，为了沿炉长方向能均匀传热，常要求很长的火焰，因此，燃料通常由单个喷嘴送入。1