
【機】 flame speed
火焰速度(Flame Speed)是燃燒學中描述可燃混合物中火焰鋒面傳播速率的物理量,其英文釋義為"the rate at which a flame front propagates through a combustible mixture"。根據燃燒狀态可分為兩類:
層流火焰速度(Laminar Flame Speed) 指可燃預混氣在層流狀态下,火焰鋒面相對于未燃氣體沿法線方向的傳播速度。該參數是燃料的基礎燃燒特性,中國科學技術大學燃燒科學實驗室通過實驗測定甲烷/空氣混合物的典型值為0.38-0.45 m/s。
湍流火焰速度(Turbulent Flame Speed) 在湍流條件下,受渦旋作用增強的火焰傳播速率。劍橋大學燃燒研究所的研究表明,湍流強度每增加1 m/s,丙烷火焰速度可提升15-20%。
主要影響因素包括:
該參數在内燃機設計(清華大學熱能工程系《燃燒學基礎》教材)、航天推進系統(美國航空航天局技術報告NASA/CR-2019-219991)和化工安全評估(美國化學工程師協會指南)領域具有關鍵應用價值。美國國家标準與技術研究院(NIST)建立的火焰速度數據庫已被ISO 8178标準采納為認證依據。
火焰速度是燃燒流體力學中的核心概念,通常指火焰鋒面在可燃混合物中傳播的速度。以下是詳細解釋:
基本定義
火焰速度指火焰鋒面沿其法線方向相對于未燃混合氣的推進速度,常用單位是米/秒(m/s)。它反映了燃燒反應的傳播效率,可通過實驗或數值模拟測量。
分類
燃料特性
燃料種類、分子結構(如碳氫化合物中碳原子數)及熱導率直接影響火焰速度。例如,氫氣因熱導率高,火焰速度遠超甲烷。
混合比例
接近化學計量比時,火焰速度最大。例如,燃氣與空氣混合物中燃氣含量過高或過低均會降低傳播效率。
溫度與壓力
初始溫度升高會加快反應速率,從而提高火焰速度;壓力變化則通過影響反應物濃度改變傳播速度。
層流火焰速度
公式為:
$$
v_n = sqrt{frac{lambda cdot R}{rho cdot c_p}}
$$
其中,$lambda$為熱導率,$R$為反應速率,$rho$為密度,$c_p$為定壓比熱。
湍流火焰速度經驗公式
$$
u_t = A cdot u_n + B cdot u'^m cdot l^n
$$
$u'$為氣流脈動速度,$l$為湍流微團尺寸,$A$、$B$為實驗常數。
火焰分層
火焰分為焰心(低溫紅外區)、内焰(可見光區)和外焰(高溫紫外區),能量向外遞增。
工業應用
火焰速度的穩定性對燃燒設備(如噴氣發動機)至關重要,需通過穩燃器或回流區設計維持火焰鋒面位置。
如需進一步了解具體燃料的火焰速度參數(如氫氣、甲烷等),可參考的表格數據。
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