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第四章 可燃气体的燃烧 王海燕 中国矿业大学（北京） 2011. 5 第一节 预混气体中火焰传播理论 第二节 预混可燃气的层流燃烧 第三节 可燃气体爆炸 第四节 可燃气体爆炸极限 第五节 爆轰 第六节 气体爆炸的预防 第七节 湍流燃烧和扩散燃烧 第一节 预混气体中火焰传播理论 一、物理模型及数学表达式：正常火焰传播和爆炸。 雨果尼特方程： 式中 ： ，比热容，空气K=1.4 q：单位质量混气的反应热。 P：单位体积混气的密度。 瑞利方程：　　　　　　　　　　　 式中：m为单位时间、单位截面积的质量流量。 判别方程 初始：P∞、ρ∞，最终状态 Pp、ρp须同时满足雨果尼特方程和瑞利方程。 （P156，图4－2）。雨果尼特曲线随Q向园点进。 二、正常火焰传播与爆轰 （一）燃烧的分区 初始点（P∞、1/ρ∞）和终态点（Pp、1/ρp） (A、C、F、H) （二）爆轰区（Ⅰ区） 特点：1、气体压力增大，A、C点压力Pp P∞。 2、气体密度增大，A、C点密度1/ρp 1/ρ∞，ρp ρ∞。 3、燃烧波传播速度u∞a∞，B：上C－J点,G：下C－J点。 由式（4－3），u∞a∞，AB强爆轰，BD弱爆轰，EG弱缓燃,GH强缓燃。 （三）正常火焰传播（Ⅲ区） (P157、表4－1) 第二节 预混可燃气的层流燃烧 一、火焰传播速度的定义 a)?火焰前沿（前峰、波前） 在充满混气的容器中，以电火花局部加热形成火焰，因导热使邻近冷混气体温升着火，使一层一层新鲜混合气依次着火、出现薄薄波的化学反应区、开始由引燃的地方向未燃混气传播。从而使已燃区和未燃区之间形成明显分界，这一层很薄的化学应发光区称为火焰前沿。 （燃烧学、火焰传播示意图，P201，图5-3） b) 火焰位移速度和法向传播速度（传递带） 火焰位移速度U：火焰前沿在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度。其前沿的法向指向未燃气体（合速度=火焰移动的速度±未燃混气移动速度Wa） 火焰法向传播速度Sl：是指火焰相对于远处未受扰动的未燃混合气在其法线方向上的速度，即相对于混气的移动速度。 Sl=U±Wa U与混气速度Wa方向一致，取负号；反之取正号。 当Wa=0，Sl=U，则火焰法向传播速度Sl=U （燃烧学P202，图5-4 ） C)火焰前沿特点 预热区和化学反应区 强烈的导热和物质扩散 （1）不仅存在对流、辐射、 还存在导热； （2）燃烧不仅在因强迫对流 还因物质扩散引起分子迁移。 二．层流火焰传播机理 （一）热理论： 火焰传播：火焰中化学反应放热→加热相邻冷混气→温度升高→化学反应加速→火焰传播。 （二）链式反应理论 火焰中自由基扩散→传至冷混气→链锁反应→火焰传播 三、层流火焰传播速度的简化分析法 　 　　　　　　 层流火焰传播速度Sl与导温系统a及化学反应速度WS的平方根成正比。 说明：火焰传播过程与热扩散过程和化学反应动力因素控制有关。 经转换 ∵P∝ρ ∴　 　　　　　　　　 式中：n为反应级数，n=2时，与P无关。 大多数碳氢化合物与氧的反应，反应级数接近2所以，Sl与P关系不大。 原因：P ↗，Sl 有↗趋势，上游ρ↗加热混气到火焰温度所需能量也增加，从而抑制了燃烧速率的增加。 该理论也存在问题：当未燃混气T∞=着火温度Ti时， Sl→∞，这是不对的。 四．物理化学参数对层流火焰传播速度Sl的 影响。 （一）可燃气与空气比值（浓度）的影响。 最佳比值→化学当量比。 浓度上下限：火焰只能在一定浓度范围内才能传播。 （二）可燃气分子结构影响饱和烃→Sl与分子中碳原子数目无关。不饱和烃→m↗，Sl↘，m≥4，Sl缓降；m≥8，Sl不降。（燃烧学原理，P259） （三）初始压力的影响↘n=2 　　Sl与P无关，n2 Ｐ↗，Sl ↘n2 　Ｐ↗，Sl ↗ （四）初温的影响 T∞↗，火焰温度Tm↗，反应速度ws↗，Sl↗ 　　　　　　 其中m=1.5～２ （五）火焰温度的影响 Tm↗离解反应越容易，释放自由原子越多，经扩散，Sl↗ （燃烧学原理，P262） （六）惰气（氧浓度）的影响 加入惰气，代替氧，降低氧浓度，SL ↘ （七）混气性质 热容CP ↗，SL↘ 吸热↗； 导热系数K↗，SL ↗ 　 ∴灭火剂应具备K低，延缓热传递CP高的特征。 五、火焰传播速度的测定 气体理想预混火焰面的几何性质——余弦定律 理想火焰传播速度的测定-本生灯法 实际火焰传播速度的测定 第三