当量比

学习文档仅供参考

实验二层流火焰传播速度的测定实验

一、预备知识

1、火焰传播和化学反应

燃烧发生了一系列化学反应，在这些反应中，燃料在一些自由基例如O、OH、

H碰撞下发生反应，产生更多的H或者是分解成更小的碎片。例如，CH

4

被连续

地转化成CH

3，CH

2，CH。最初形成的各种氧化的中间产物与燃料中的碳结合而

首先变为CO，并且燃料中的氢基变为H

2

，所有的中间产物将接着进一步氧化，

再一次通过自由基的作用，而变为CO

2

和H

2

O。总热量的一大部分释放都是发

生在第二阶段。这个次序使燃烧具有自持性，且只能够发生在高温下〔如1500K

以上〕。因为只有在高温下，才能是自由基产生的速率比消耗的速率快，而这对

燃料完全变形以及中间产物的氧化是有必要的。

当点燃预混燃料时，局部温度将提高到一个非常高的值，提高了反应速率，

从而也引起燃料的燃烧，并且释放出热量。通过热传导把热量引导到了未燃的相

邻区域，相邻区域的温度以及反应率都提高了，因此燃烧就在那里发生了。我们

知道，热量的扩散是火焰传播的原因，燃烧波传播的速度取决于燃烧后的温度以

及未燃混合物的热扩散性。为了把高温区域的自由基传递到与之接触的低温的未

燃混合物中，质量扩散也是很重要的；通常质量和热扩散率是相同的。

在本实验中，未燃混合物的压力和温度与环境大气一致。火焰传播速度只依

赖于混合物中的燃料/氧化剂的数量，它们反过来又控制着火焰的温度。贫油(Φ<1)

和富油(Φ>1)的火焰温度比化学恰当比(Φ=1)时更低因为偏离化学恰当比时多余

的物质吸收了由可燃燃料燃烧所产生的热量。实际上，温度最大值出现在当量比

比1稍大一些的地方，因为产物的比热容比化学恰当比时稍低。

如果混合物过贫，燃气温度将太低，而不能产生大量的自由基，因此火焰传

播变得不可能。如果混合物过富，大量的燃料将吸收自由基，因此使燃烧第二阶

段不能进行。因此，火焰传播只在某个当量比范围内才有可能，这被称为可燃极

限。对于甲烷—空气混合物，其贫燃极限是，其富燃极限是。

2、火焰稳定性

流动中存在钝体将在其后引起一个回流区的产生，这是由于在钝体边缘发生

了气流别离。如果流动的是可燃混合物，并且对其点火，那么火焰就将稳定在回

流区和自由流之间的剪切层中。这有两个原因，一是因为在回流区的湍流边界层

中有质量和热量的交换，它们将热的燃烧产物带入回流区，使之回流到火焰根部，

学习文档仅供参考

形成一个连续的点火源；二是因为回流产生了局部低速区，因此火焰可能在高的

自由流速下连续。回流区实际上在产生动力的每一个场合都有应用：在工业燃烧

器、燃气涡轮、煤发电站和加力燃烧室中。它可能是在高速流中稳定火焰的唯一

的实用的和低成本的方法。

最后，当速度过高时，火焰将可能会熄灭或吹熄。一个直接的解释就是，太

高的气流速度将会提高对流和紊流扩散的能力，将热从反应区转移，使温度下降，

因此易于发生熄火。另一种解释是，我们提供了太多的反应物，我们对火焰“要

求太多”。在燃烧理论中，这种情况经常被表达成两种时间尺度的比较：当完成

化学反应所需要的时间比流体力学情况所允许的时间〔例如，在反应区的滞留时

间〕要长时，就会发生熄火。

包含这些想法的理论是基于良搅拌反应器概念，它是实际回流区稳焰的一种

理想化模型。根据这个模型，如果火焰在回流区的滞留时间太短，使燃烧不能完

成，那么火焰将会熄灭。这个滞留时间尺度等于钝体的直径除以自由来流的速度

U，/

phys

DU，而化学时间尺度大约等于2/

chemL

S，其中S

L

是层流火焰传

播速度，α是热扩散系数〔等于k/ρc

p

,其中k为导热率，ρ为密度，c

p

为比热，

所有的值都取室温下的空气的相应值〕。比率τ

phys

/τ

chem

叫作Damköhler数，用

Da表示。因此，总的来说，在一个给定的燃烧室中，当Da值低于某临界值时火

焰将会熄灭，该临界值取决于燃烧器的外形参数。对于熄火还有其他一些更复

杂的理论，但是对于数据解释，这种理论已经足够了。

在本实验中，通过分别改变气流流率和当量比，连续改变着物理和化学的时

间尺度。考察一下对于钝体火焰，临界Damköhler数的概念是否有效。为了将相

应理论从值班火焰尺寸的试验台推广到真实尺寸的燃烧器，这个概念在工业上用

得非常广泛，因此学习如何应用这个概念是非常重要的。

二、实验目的

1、演示火焰传播过程和测定火焰传播速度。

2、掌握测量层流火焰传播速度的另一种方法。

三、实验设备

火焰传播速度装置〔图1〕由火焰传播实验台架一套，浮子流量计两个，空

气压力表、甲烷压力表各一个，双向开关一个，点火开关一个，甲烷流量调节开

关一个，单向电磁阀一个，混合器一个、双路直流稳压电源一台，数字计时器一

台，周围光源传感器两个，强化石英玻璃管一个，有机玻璃保护屏一个，以及支

架、点火火花塞、混气管等组成。

学习文档仅供参考

图1火焰传播速度装置

火焰速度传播实验：将调节好恰当的混合气经过混合管，输入到一根长m、

直径25mm的石英玻璃管的一端口上进行充气，经过约70秒管内充足混合气体，

便将混合管移至窗外。石英玻璃管的另一端口有一点火器装置将点燃，燃烧的火

焰此时在玻璃管内可观察到火球传播。沿着火球传播玻璃管外，放置了两个相距

米、用于感知火焰的周围光源传感器，并配以相应的数据采集系统。实验中将记

录火焰面先后通过这两个传感器的时间差∆，然后采用

x

u

t







计算出火焰通过这两个传感器间的平均传播速度

L

S。

四、实验原理

空气和燃气调节好当量比被分别输送进入一个混合管，该混合管连接一个内

径为25mm石英玻璃管，用于火焰传播速度演示实验。本实验观察火焰在一个石

英玻璃管中的传播，是属于层流火焰传播过程，它的传播速度是一个定值。通过

测量火焰传播的时间和距离就能算出传播的平均速度。在这个实验中，用于感知

火焰面的两传感器的距离是固定不变的，为一个定值，这里主要测量火焰通过这

段距离所用的时间，时间的测量是通过周围光源传感器感受到的火焰发光面信号

传给数字计时器，记录这两个信号间的时间差就能知道火焰通过两传感器的传播

时间。

五、实验步骤

1、图1所示。打开压缩空气阀门〔空气压力Mpa〕，调节减压阀出来的压缩

空气符合实验压力要求。

学习文档仅供参考

2、打开甲烷气罐阀门，调节减压阀〔甲烷压力MPa〕，符合实验要求。

3、打开控制总开关，接通电磁阀。

4、调节浮子流量计使得压缩空气和甲烷流量到达当量比为Φ=1的流量。

5、将甲烷气体和压缩空气送入混合器，混合器将已知配比适合点燃的混合

气体送石英玻璃管一端中。

6、大约经过70秒,关闭甲烷调节控制阀，〔迅速抽出混合管甩到窗外〕管的

两个端口保持堵塞状态3～5秒，以便混合气体继续混合，然后按点火器控制键，

在玻璃管的另一端用点火电嘴点火。此时可以看见一个火焰面从点火端向另一端

传播。观察火焰传播现象并记下火焰传播时间。

7、记录两个传感器之间的距离∆S和过数字计数器传过这段距离所用的时间

∆t。

8、重复实验几次，求平均值。

9、关闭甲烷气瓶阀，关闭压缩空气阀。

10、关闭电源和数字频率计数器。

11、实验结束。

六、实验数据处理

1、气体流量

由于本实验所用空气为压缩空气，则其空气压力必然会对流量造成一定影响，

浮子流量计的读数用m3/h表示的体积流量。那么，由公式PVnRT可知，压力

与体积成反比，用V

测

表示实测的流量，可用公式

0

/

air

VPVP

测

算出常压下的空

气体积流量V

air

。

2、当量比

对于空气中的甲烷，化学恰当燃料/空气体积比为。

3、误差分析

气流速度的误差大概为±5%，这是由于浮子高度的读数误差以及浮子流量计

标定和曲线拟合的误差。因此在估计计算当量比时的组合误差同时，还必须估计

在测量火焰速度和贫油熄火极限时的误差，这取决于操作者。

火焰传播速度余弦定律：

设气流与焰锋法线方向成一夹角φ，可把气流分解成两个分速，一个是与焰

锋外表垂直的法向分速u

n

，一个是与焰锋外表平行的切向分速u

T

。前者产生的

牵连运动将使焰锋沿a-b顺着焰锋外表移动。当火焰稳定时，这两个分速引起的

焰锋牵连运动将得到平衡和补偿，亦即焰锋相对于灯口的位置不变。显然，与法

学习文档仅供参考

向分速u

n

相平衡的正是当地的火焰传播速度u

l

，他们的大小相等而方向相反，

从数值上看u

n

=u

l

。

由于

cos

n

uu

所以

cos

l

uu

这就是说，在火焰稳定时，迎面气流速度在火焰前锋法向上的投影，即法向

分速，在数值上必等于混气的火焰传播速度，这就是余弦定律。

本生灯层流火焰传播速度计算公式：

令内锥外表积为A

f

，灯管的截面积为A

t

，管内的平均流速为V

t

，层流火焰传

播速度S

L

就可以用连续方程来确定。

(/)

Lttf

SVAA

由于锥体外表积A

f

大于A

r

，所以S

L

必小于V

f

。

表1当量比与甲烷、空气的流量对照表

Φ

V

air

(m3/h)

V

CH4

(m3/h)

表2理论的甲烷—空气混合物的层流火焰传播速度

Φ

S

L

(m/s)

七、实验注意事项

点火前一定要确认将混气管移出石英玻璃管，并移至到窗外。监控人员必须

有一名学生专人负责，向点火人员报告能否点火，接到监控人员的可以点火指示。

点火人员才能按点火按键。

火焰传播速度测量系统的调试：

1．将两只传感器分别安装在距石英玻璃管体两端口50毫米处支架上。

2．接上电源，通用计数器必须进行如下设置：

a、通道A〔左通道〕、B〔右通道〕的4盏指示灯均为上面3只灯亮；

b、按通道“CH”，“TOT”清零。设触发电平用功能键调至“600mv”；

c、重复(b)，设置另一通道触发电平；

学习文档仅供参考

d、按“TI”，即测“时间间隔”的意思；

e、按“TOT”清零，即可工作。

八、思考题

火焰传播速度的定义是什么？对于扩散火焰，是否存在火焰传播速度？