均質混合氣火焰傳播

在均質混合氣中通過火花點火（或其他強迫著火方式）形成火核，順序點燃周圍的混合氣，隨著燃燒進行和熱量釋放，未燃混合氣的溫度和壓力不斷升高，燃燒逐漸加速。由於各處混合氣的濃度、溫度和壓力是一致的，因而火焰在各方向的擴展速度基本相等。燃燒主要在一層很薄的火焰面上進行，稱為火焰前鋒面。火焰前鋒面的界面明顯，以火核為中心呈球面波形式向周圍擴展，習慣上稱這種燃燒現象為火焰傳播。

基本介紹

• 中文名：均質混合氣火焰傳播
• 領域：汽車

簡介

汽油機在燃燒之前，可燃混合氣經過進氣道汽油噴射霧化（或化油器）及混合、缸內氣體運動等環節，其濃度分布已達到十分均勻的程度。對這種均質混合氣一般採取火花點火和火焰傳播的燃燒方式，在天然氣等氣體燃料發動機中也往往採用同樣的燃燒方式。根據混合氣運動狀態的不同，火焰傳播方式又可分為層流火焰傳播和湍流火焰傳播。

層流火焰傳播

火焰前鋒面結構

可燃混合氣在靜止或層流（laminar）狀態下，火焰前鋒面厚度一般在1mm以下，在這樣簿的火焰面上進行著劇烈的傳熱傳質和化學反應現象，有著極大的溫度梯度和濃度梯度，90%~95%的化學能在火焰前鋒面上釋放。如圖2-1所示，假設在一個充滿可燃均質混合氣的長管中，在封閉的右端點火後，火焰沿長管向開放的左端傳播，將很薄的火焰前鋒面放大後可以仔細分析燃燒反應過程。厚度為的火焰前鋒面中很大一部分是化學反應速度很低的預熱區（以δp表示），而化學反應主要集中在厚度很窄的化學反應區（以δc表示）。

圖2-1火焰前鋒面的構造

火焰傳播速度

火焰前鋒面在法線方向上相對於未燃混合氣的移動速度稱為火焰傳播速度。層流火焰傳播速度很低，一般v_L<1 m/s。主要受混合氣溫度、濃度（ϕ_a）以及燃料特性等因素影響，實際發動機中還應考慮殘餘廢氣係數的影響。

未燃混合氣溫T0度越高，火焰傳播速度υ_L越快。對多種烴類燃料的試驗結果表明，υ_L與T0存在如下關係：υ_L∝T_0^m

式中，指數m為1. 5～2.0。

圖2-2給出了一些常見燃料在不同燃空當量比ϕ時的v_L變化規律，可以看出，不同燃料的有明顯差別。一般，v_L越大則火焰前鋒面δ越薄。例如，H_2的層流火焰傳播速度可超過250 cm/s，，明顯高於烴類燃料，因而烴類燃料的δ約為l mm，而H_2燃料的僅有0.1mm 。由圖2-2還可以出，v_L的最大值一般出現在化學計量比附近，更準確地說，大約出現在ϕ=1.05（或ϕ_a=0. 95）的略濃混合氣中。對此現象尚未能完全解釋，一般認為可能的原因是，混合氣略偏濃時火焰中H、OH等自由基濃度較高，鏈反應時的斷鏈率較低，因而反應速率較快。與此相對應的現象是，烴類燃料的最高燃燒溫度也是出現在ϕ=1.05附近。

圖2-2層流火焰傳播速度與當量比的關係

放熱速率的粗略計算

由於絕大部分燃料化學能在火焰前鋒面上釋放，因而可根據v_L粗略計算均質層流混合氣的燃燒速度和放熱速率。

記燃燒放熱量為Q_B，混合氣質量為m，混合氣密度為ρ_m，火焰前鋒面的表面積為F_L，混合氣熱值為H_um，則燃燒速率dm/dt和放熱速率dQ_B/dt分別為

dm/dt=v_L·F_L·ρ_m

(dQ_B)/dt=v_L·F_L·ρ_m·H_um

式中，F_L和ρ_m都是時間的函式。

用火焰傳播速度v_L，來計算放熱速率時，一般要用可視化發動機（或定容燃燒彈）和高速攝影的試驗方法來獲取v_L和F_L，因此不適合於普通發動機的試驗研究，而用示功圖來計算放熱速率的方法在一般發動機試驗中更多地被使用。

實際上，層流火焰傳播速度遠遠不能滿足實際發動機燃燒的要求。例如，對於一火花塞距燃燒室邊緣最遠距離為80 mm的汽油機（考慮到活塞下行），當轉速n=5000r/min ，燃燒持續期為45°曲軸轉角時，則要求火焰傳播速度在53m/s以上，因此，實際發動機中的火焰傳播是以湍流火焰方式進行的。

湍流火焰傳播

湍流對火焰傳播可以產生兩方面的效果：一是由於微元氣體的無規則脈動運動，加速了火焰前鋒面內的傳熱傳質過程和化學反應速度，使沿前鋒面法向的火焰傳播速度加大；二是微元氣體脈動使火焰前鋒面出現皺褶，表面積明顯增大，按整個皺褶面積算出的混合氣燃燒質量比層流時大為增加。

圖3-1給出了湍流強度與火焰前鋒面形狀的關係。在雷諾數Re<2300時為層流火焰，如前所述，層流火焰傳播速度為v_L，其前鋒面薄且圓滑。當Re=2300～6000時為湍流火焰，火焰前鋒面變厚並出現皺褶。如果記湍流時的火焰傳播速度為v_T，這時v_T與√Re成正比，較層流時有明顯增長。但由於氣體脈動速度u_T尚小於火焰傳播速度v_T，因Re>2300而火焰前鋒面還未被分裂。當6000時為強湍流火焰，前鋒面的皺褶發展成明顯的凹凸不平和扭曲，由於u_T>v_T導致前鋒面分裂，出現許多小的未燃混合氣區域，這種劇烈的傳熱傳質和化學反應現象使v_T進一步加速，這時v_T與Re成正比。因此，隨雷諾數Re的變化，火焰傳播速度呈現出圖3-2所示的變化規律。顯然，v_T明顯大於v_L，由此說明，提高混合氣的湍流程度是改善汽油機燃燒的有效手段。

由於試驗測試有很大難度，目前尚沒有烴燃料湍流火焰傳播速度的可靠數據。根據湍流火焰傳播的表面燃燒模型，可給出粗略的計算方法如下式所示：

v_T/v_L =F_T/F_L

式中，F_T和F_L分別為湍流和層流時的火焰前鋒面表面積。

圖3-1湍流對火焰前鋒面形狀的影響圖

圖3-2Re與火焰傳播速度的關係

同時，前述關於層流火焰傳播速度的規律以及放熱速率估算方法也基本適用於湍流火焰的情況。例如，混合氣溫度越高則火焰傳播越快的基本規律，以及放熱速率的粗略計算方法等。