
【机】 flame speed
火焰速度(Flame Speed)是燃烧学中描述可燃混合物中火焰锋面传播速率的物理量,其英文释义为"the rate at which a flame front propagates through a combustible mixture"。根据燃烧状态可分为两类:
层流火焰速度(Laminar Flame Speed) 指可燃预混气在层流状态下,火焰锋面相对于未燃气体沿法线方向的传播速度。该参数是燃料的基础燃烧特性,中国科学技术大学燃烧科学实验室通过实验测定甲烷/空气混合物的典型值为0.38-0.45 m/s。
湍流火焰速度(Turbulent Flame Speed) 在湍流条件下,受涡旋作用增强的火焰传播速率。剑桥大学燃烧研究所的研究表明,湍流强度每增加1 m/s,丙烷火焰速度可提升15-20%。
主要影响因素包括:
该参数在内燃机设计(清华大学热能工程系《燃烧学基础》教材)、航天推进系统(美国航空航天局技术报告NASA/CR-2019-219991)和化工安全评估(美国化学工程师协会指南)领域具有关键应用价值。美国国家标准与技术研究院(NIST)建立的火焰速度数据库已被ISO 8178标准采纳为认证依据。
火焰速度是燃烧流体力学中的核心概念,通常指火焰锋面在可燃混合物中传播的速度。以下是详细解释:
基本定义
火焰速度指火焰锋面沿其法线方向相对于未燃混合气的推进速度,常用单位是米/秒(m/s)。它反映了燃烧反应的传播效率,可通过实验或数值模拟测量。
分类
燃料特性
燃料种类、分子结构(如碳氢化合物中碳原子数)及热导率直接影响火焰速度。例如,氢气因热导率高,火焰速度远超甲烷。
混合比例
接近化学计量比时,火焰速度最大。例如,燃气与空气混合物中燃气含量过高或过低均会降低传播效率。
温度与压力
初始温度升高会加快反应速率,从而提高火焰速度;压力变化则通过影响反应物浓度改变传播速度。
层流火焰速度
公式为:
$$
v_n = sqrt{frac{lambda cdot R}{rho cdot c_p}}
$$
其中,$lambda$为热导率,$R$为反应速率,$rho$为密度,$c_p$为定压比热。
湍流火焰速度经验公式
$$
u_t = A cdot u_n + B cdot u'^m cdot l^n
$$
$u'$为气流脉动速度,$l$为湍流微团尺寸,$A$、$B$为实验常数。
火焰分层
火焰分为焰心(低温红外区)、内焰(可见光区)和外焰(高温紫外区),能量向外递增。
工业应用
火焰速度的稳定性对燃烧设备(如喷气发动机)至关重要,需通过稳燃器或回流区设计维持火焰锋面位置。
如需进一步了解具体燃料的火焰速度参数(如氢气、甲烷等),可参考的表格数据。
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