一切可燃混合氣的正常燃燒過(guò)程，都是由著(zhù)火和燃燒兩個(gè)階段所組成?？扇蓟旌蠚庠谀骋粋€(gè)區域點(diǎn)燃之后，為保持其連續燃燒，應使火焰從這個(gè)區域傳播開(kāi)去，所以研究燃氣燃燒的火焰傳播，實(shí)際上是討論火焰在可燃混合氣中不斷傳播的過(guò)程，討論火焰傳播現象的產(chǎn)生、發(fā)展和傳播條件以及影響火焰傳播的各種因素。
火焰傳播速度是燃氣燃燒最重要的特性之一，它不僅對火焰的穩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(shí)際意義。
1.火焰的傳播
在工程實(shí)際中，一般都用點(diǎn)火的方法使燃氣和空氣混合物著(zhù)火。因此當點(diǎn)火使可燃混合氣某一局部著(zhù)火時(shí)，在著(zhù)火處就形成一層極薄的火焰面。在這層火焰面內燃燒化學(xué)反應產(chǎn)生很高的溫度，并在其邊界上形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了強烈的熱量和質(zhì)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(zhù)火溫度時(shí)，就著(zhù)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(jīng)歷加熱、著(zhù)火和燃燒的過(guò)程，把燃燒擴展到整個(gè)混合氣體中去，這種現象稱(chēng)為火焰的傳播。
2．焰面
未燃氣體與燃燒產(chǎn)物的分界面稱(chēng)為焰面或燃燒前沿面、火焰前鋒面。實(shí)驗表明，化學(xué)反應不是在整個(gè)混合氣體內同時(shí)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(jìn)行。
3．火焰傳播方式
火焰傳播的方式有兩大類(lèi)，正?；鹧鎮鞑セ蚍钦；鹧鎮鞑?。
正?；鹧鎮鞑?，僅僅是由于傳熱和傳質(zhì)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(zhù)火燃燒，并一層層依次將火焰傳播到整個(gè)可燃混合氣。根據氣體流動(dòng)狀態(tài)，正?；鹧鎮鞑タ煞譃椋红o止狀態(tài)、層流狀態(tài)、紊流狀態(tài)下的正?；鹧鎮鞑?。它們均屬于等壓條件下的穩態(tài)燃燒，其火焰傳播速度，即火焰焰面向前移動(dòng)的速度S，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(lèi)型。
非正?；鹧鎮鞑?，發(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?；蛘呤怯捎谕饨缂訜?，使整個(gè)容積達到著(zhù)火溫度，使容器內的可燃混合物同時(shí)瞬間反應，伴隨著(zhù)系統壓力急速增加；或者是密閉容器內可燃混合物局部著(zhù)火時(shí)，由于燃燒反應傳熱和高溫燃燒產(chǎn)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(zhù)火溫度時(shí)，容器內的全部可燃混合物將在瞬間完全反應，伴隨著(zhù)容器內的壓力猛烈增大，也就發(fā)生了爆炸。
另外一種非正?；鹧鎮鞑楸?，發(fā)生在管狀容器中。當在短管中燃燒可燃混合氣時(shí)，從開(kāi)口端點(diǎn)火，燃燒過(guò)程在恒壓條件下進(jìn)行，屬于正?；鹧鎮鞑?；如果在長(cháng)管中燃燒，火焰傳播開(kāi)始是按與短管條件類(lèi)似的機理進(jìn)行，但很快，在長(cháng)度等于管徑的5～10倍以后，反應便明顯開(kāi)始加速。很快形成一種速度很大的壓力波，或爆震波，使火焰傳播速度變得很大(可達每秒數千米)，這就是爆震，或稱(chēng)爆燃。爆震波的產(chǎn)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(jiàn)燃氣同氧的混合物，在化學(xué)計量濃度時(shí)，爆震波的速度和壓力如表3—4—1。
表3-4-1 常見(jiàn)燃氣同氧的混合氣發(fā)生爆震波的速度和壓力(化學(xué)計量濃度時(shí))
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(guò)程，都屬于正?；鹧鎮鞑?，因此爆炸與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(shí)際燃燒過(guò)程是可燃混合氣連續流動(dòng)，并要求火焰的中心位置穩定在燃燒室中，這就要求燃燒前沿面注定而不移動(dòng)。這一狀態(tài)是依靠氣流速度與火焰傳播速度之間的相對平衡來(lái)實(shí)現的。
設有一平面火焰焰面，在一迎面而來(lái)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，火焰傳播速度為s，焰面正好與氣流速度方向垂直，則w與s之間的平衡關(guān)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(dòng)(往左)，則出現回火；圖(c)｜s]<｜w｜，燃燒前沿面向氣流下游燃燒產(chǎn)物方向移動(dòng)(往右)，則出現脫火或吹熄。
5．正?；鹧鎮鞑r(shí)的火焰傳播速度
對正?；鹧鎮鞑ミ^(guò)程，其火焰傳播速度根據混合氣流的狀態(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(xiàn)方向。這時(shí)的燃燒傳播速度稱(chēng)層流火焰傳播速度或法向火焰傳播速度sn，m/s。它的物理意義為，單位時(shí)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(shí)燃燒前沿的傳播速度，稱(chēng)為紊流火焰傳播速度st。
圖3-4-1 在等速流動(dòng)可燃混合氣中的火焰傳播
火焰傳播速度是燃氣燃燒最重要的特性之一，它不僅對火焰的穩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(shí)際意義。
1.火焰的傳播
在工程實(shí)際中，一般都用點(diǎn)火的方法使燃氣和空氣混合物著(zhù)火。因此當點(diǎn)火使可燃混合氣某一局部著(zhù)火時(shí)，在著(zhù)火處就形成一層極薄的火焰面。在這層火焰面內燃燒化學(xué)反應產(chǎn)生很高的溫度，并在其邊界上形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了強烈的熱量和質(zhì)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(zhù)火溫度時(shí)，就著(zhù)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(jīng)歷加熱、著(zhù)火和燃燒的過(guò)程，把燃燒擴展到整個(gè)混合氣體中去，這種現象稱(chēng)為火焰的傳播。
2．焰面
未燃氣體與燃燒產(chǎn)物的分界面稱(chēng)為焰面或燃燒前沿面、火焰前鋒面。實(shí)驗表明，化學(xué)反應不是在整個(gè)混合氣體內同時(shí)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(jìn)行。
3．火焰傳播方式
火焰傳播的方式有兩大類(lèi)，正?；鹧鎮鞑セ蚍钦；鹧鎮鞑?。
正?；鹧鎮鞑?，僅僅是由于傳熱和傳質(zhì)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(zhù)火燃燒，并一層層依次將火焰傳播到整個(gè)可燃混合氣。根據氣體流動(dòng)狀態(tài)，正?；鹧鎮鞑タ煞譃椋红o止狀態(tài)、層流狀態(tài)、紊流狀態(tài)下的正?；鹧鎮鞑?。它們均屬于等壓條件下的穩態(tài)燃燒，其火焰傳播速度，即火焰焰面向前移動(dòng)的速度S，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(lèi)型。
非正?；鹧鎮鞑?，發(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?；蛘呤怯捎谕饨缂訜?，使整個(gè)容積達到著(zhù)火溫度，使容器內的可燃混合物同時(shí)瞬間反應，伴隨著(zhù)系統壓力急速增加；或者是密閉容器內可燃混合物局部著(zhù)火時(shí)，由于燃燒反應傳熱和高溫燃燒產(chǎn)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(zhù)火溫度時(shí)，容器內的全部可燃混合物將在瞬間完全反應，伴隨著(zhù)容器內的壓力猛烈增大，也就發(fā)生了爆炸。
另外一種非正?；鹧鎮鞑楸?，發(fā)生在管狀容器中。當在短管中燃燒可燃混合氣時(shí)，從開(kāi)口端點(diǎn)火，燃燒過(guò)程在恒壓條件下進(jìn)行，屬于正?；鹧鎮鞑?；如果在長(cháng)管中燃燒，火焰傳播開(kāi)始是按與短管條件類(lèi)似的機理進(jìn)行，但很快，在長(cháng)度等于管徑的5～10倍以后，反應便明顯開(kāi)始加速。很快形成一種速度很大的壓力波，或爆震波，使火焰傳播速度變得很大(可達每秒數千米)，這就是爆震，或稱(chēng)爆燃。爆震波的產(chǎn)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(jiàn)燃氣同氧的混合物，在化學(xué)計量濃度時(shí)，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(guò)程，都屬于正?；鹧鎮鞑?，因此爆炸與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(shí)際燃燒過(guò)程是可燃混合氣連續流動(dòng)，并要求火焰的中心位置穩定在燃燒室中，這就要求燃燒前沿面注定而不移動(dòng)。這一狀態(tài)是依靠氣流速度與火焰傳播速度之間的相對平衡來(lái)實(shí)現的。
設有一平面火焰焰面，在一迎面而來(lái)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，火焰傳播速度為s，焰面正好與氣流速度方向垂直，則w與s之間的平衡關(guān)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(dòng)(往左)，則出現回火；圖(c)｜s]<｜w｜，燃燒前沿面向氣流下游燃燒產(chǎn)物方向移動(dòng)(往右)，則出現脫火或吹熄。
5．正?；鹧鎮鞑r(shí)的火焰傳播速度
對正?；鹧鎮鞑ミ^(guò)程，其火焰傳播速度根據混合氣流的狀態(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(xiàn)方向。這時(shí)的燃燒傳播速度稱(chēng)層流火焰傳播速度或法向火焰傳播速度sn，m/s。它的物理意義為，單位時(shí)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(shí)燃燒前沿的傳播速度，稱(chēng)為紊流火焰傳播速度st。
圖3-4-1 在等速流動(dòng)可燃混合氣中的火焰傳播
環(huán)保知識
消防類(lèi)