二、部分預(yù)混層流火焰的穩(wěn)定

　　如前所述，火焰穩(wěn)定的必要條件就是火焰?zhèn)鞑ニ俣萻n與新鮮可燃混合氣的流速。的相對平衡。對于預(yù)混層流火焰，為了維持火焰穩(wěn)定，火焰錐面上各點的sn和v必須滿足“余弦定律”，而火焰錐根部必須具備有“點火環(huán)”作為一固定點火源。
　　然而，點火環(huán)存在是有條件的，只有燃燒器在一定范圍內(nèi)工作時才能產(chǎn)生。如果燃燒強度不斷加大，由于v=sn的點更加靠近管口，點火環(huán)就逐漸變窄。最后點火環(huán)消失，火焰脫離燃燒器出口，在一定距離以外燃燒，發(fā)生離焰。若氣流速度再度增大，火焰就被吹熄了，稱為脫火。
　　如果進(jìn)入燃燒器的燃?xì)饬髁坎粩鄿p少，即氣流速度不斷減小，藍(lán)色錐體越來越低，最后由于氣流速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鹧鎸⒖s進(jìn)燃燒器，出現(xiàn)回火。
　　脫火和回火現(xiàn)象都是不允許的，因為它們都會引起不完全燃燒，產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體。對爐膛來說，脫火和回火引起熄火后，形成爆炸性氣體，容易發(fā)生事故。因此，研究火焰的穩(wěn)定性，對防止脫火和回火具有十分重要的意義。
　　對于某一定組成的燃?xì)猓諝饣旌衔?，在燃燒時必定存在一個火焰穩(wěn)定的速度上限，氣流速度達(dá)到此上限值便產(chǎn)生脫火現(xiàn)象，該上限稱為脫火速度極限；另一方面，燃?xì)猓諝饣旌衔镞€存在一個火焰穩(wěn)定的速度下限，氣流速度低于下限值便產(chǎn)生回火現(xiàn)象，該下限稱為同火速度極限。只有當(dāng)燃?xì)猓諝饣旌衔锏乃俣仍诿摶饦O限和回火極限之間時，火焰才能穩(wěn)定。
　　在圖3—5—7是按試驗資料繪出的天然氣／空氣混合物燃燒時的穩(wěn)定范圍。從圖中可以看出混合物的組成對脫火和回火極限影響很大。隨著一次空氣系數(shù)的增加，混合物的脫火極限逐漸減小。這是因為燃?xì)鉂舛雀邥r，點火環(huán)處有較多的燃?xì)庀蛲鈹U(kuò)散，與大氣中擴(kuò)散而來的二次空氣混合而燃燒，能形成一個較有力的點火環(huán)。反之，若混合物中空氣較多，從火孔出來的燃?xì)廨^少，二次空氣將進(jìn)一步稀釋混合物，使點火環(huán)的能力削弱，所以脫火速度也下降。燃燒器出口直徑越大，氣流向周圍的相對散熱越少，火焰?zhèn)鞑ニ俣染驮酱?，脫火極限就越高。
　　回火極限隨混合物組成變化的情況與火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€相象。在其它條件相同時，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍酱螅鼗饦O限速度也越大。燃燒器出口直徑較小時，管壁相對散熱作用增大，回火可能性減小。為了防止回火，最好采用小直徑的火孔。當(dāng)火孔直徑小于極限孔徑時，便不會發(fā)生回火現(xiàn)象。
　　圖3—5—7還繪出了光焰區(qū)。當(dāng)一次空氣系數(shù)較小時，由于碳?xì)浠衔锏臒岱纸?，形成碳粒和煤煙，會引起不完全燃燒和污染。所以，部分預(yù)混式燃燒的一次空氣系數(shù)不宜太小。
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圖9—5—7 天然氣和空氣的燃燒穩(wěn)定范圍
1一火焰曲線；2—脫火曲線；3一回火曲線；
4—火焰區(qū)；5—脫火區(qū)；6一回火區(qū)

　　脫火和回火曲線的位置，取決于燃?xì)獾男再|(zhì)。燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仍酱?，此兩曲線的位置就越高。所以火焰?zhèn)鞑ニ俣容^大的焦?fàn)t煤氣容易回火，而火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小的天然氣則容易脫火。
　　火焰穩(wěn)定性還受到周圍空氣組成的影響。有時周圍大氣中氧化劑被惰性氣體污染，脫火和回火曲線的位置就會發(fā)生變化。由于空氣中含氧量較正常為少，使燃燒速度降低，從而增加了脫火的可能性。
　　此外，火焰周圍空氣的流動也會影響火焰的穩(wěn)定性，這種影響有時是很大的，它取決于周圍氣流的速度和氣流與火焰之間的角度。
　　鑒于燃燒穩(wěn)定性在燃燒理論和技術(shù)中的重大意義，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。國際上，對于燃?xì)馊紵€(wěn)定理論較為系統(tǒng)的研究始于19世紀(jì)40年代，劉易斯和馮·埃爾柏的邊界速度梯度理論代表了這一階段的主要成果。它第一次從理論上系統(tǒng)地分析了本生預(yù)混火焰回火和脫火等現(xiàn)象。在50年代，繼續(xù)進(jìn)行了大量的實驗研究來驗證和發(fā)展了邊界速度梯度理論。
　　圖3—5—8為靠近燃燒器火孔壁面的可燃混合氣速度和燃燒速度變化示意圖。決定火焰是否穩(wěn)定的區(qū)域是緊靠噴管(或火孔)邊緣的區(qū)域，該區(qū)域禰為火焰穩(wěn)定區(qū)，即使對于燃燒速度很慢的甲烷—空氣混合物來說，其寬度也只有l(wèi)mm左右。由于這個寬度比噴口管徑小得多，所以該區(qū)域內(nèi)的氣流速度變化可看成線性變化，即
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　　式中 X——離噴口內(nèi)壁的徑向距離；
　　　　g——氣流速度隨x的變化率，稱為邊界速度梯度，因假定空氣流速度為線性變化，故g為常數(shù)；
　　　　V——離噴口內(nèi)壁距離。處的氣流速度。
　　設(shè)在該氣流中，有一本生內(nèi)焰焰面存在，如圖3—5—9所示。實驗證明，在本生火焰中，除了火焰頂端和底部以外，在大部分焰面上的燃燒速度是相同的。在火焰頂端，由于溫度和活化中心對燃燒反應(yīng)的有利影響，燃燒速度較大。在火焰底部，由于管壁的冷卻作用，燃燒速度逐漸減小。當(dāng)離火孔內(nèi)壁的徑向距離小于某一極限距離，燃燒速度降低為零，這一距離稱為熄火距離。
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圖3-5-8 層流氣流中的火焰穩(wěn)定示意圖

圖3-5-9 本生火焰內(nèi)焰的燃燒速度變化曲線

　　發(fā)生回火和脫火的機(jī)理可用圖3—5—10所示曲線來闡述。圖中(a)直線1、2、3分別表示邊界速度梯度g不同時，氣流速度隨離孔壁距離變化的曲線。s表示火孔邊緣燃燒速度的變化曲線。如前所述，火焰穩(wěn)定區(qū)是在離孔壁很近的火孔邊緣地帶。
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圖3-5-10 闡明回火的脫火機(jī)理的示意圖
(a)回火機(jī)理；(b)脫火機(jī)理；(c)火焰狀況

　　當(dāng)速度曲線為直線1時，曲線s與直線1相割，這說明在火焰底部的某些部位燃燒速度大于氣流速度，發(fā)生回火。
　　當(dāng)提高邊界速度梯度，使速度曲線變?yōu)橹本€2時，曲線s與直線2相切。在切點處的氣流速度等于燃燒速度，因此焰面底部可以在這點穩(wěn)定。這時的邊界速度梯度就是防止回火所需的最低邊界速度梯度，也即回火極限邊界速度梯度gf。
　　當(dāng)繼續(xù)提高邊界速度梯度，使速度曲線為直線3時，曲線s與直線3不再有交點，這說明火焰任何一點的氣流速度均大于燃燒速度。這時火焰就被氣流推離火孔。圖(b)中直線2和曲線sA相當(dāng)于圖(a)中的直線2和曲線s，也即回火極限工況。這時火焰底部的位置為圖(c)中的位置A。
　　當(dāng)提高邊界速度梯度而使速度曲線為3時，由于3上每一點都v>s_A,所以火焰底部被推離到位置B。在位置B，火焰底部離開火孔的距離增大，火孔壁面對火焰底部的冷卻作用減弱。同時，在氣流邊界層可燃混合物與空氣的相互擴(kuò)散增強，使邊界層附近可燃混個物的—次空氣系數(shù)增加，燃燒速度增大。因此，圖(b)中的sA向氣流邊界移動到sR。因為sB與直線3相切，所以焰面底部能夠在位置B重新穩(wěn)定。
　　同樣，當(dāng)速度梯度繼續(xù)增大，使速度成為4線時，焰面繼續(xù)被推離到位置C，由于壁面冷卻作用進(jìn)一步減弱和稀釋作用的影響，燃燒速度繼續(xù)增大，曲線由s_R移動到s_C。當(dāng)曲線s_C與直線4相切時，火焰底部就能夠在位置C重新穩(wěn)定。
　　當(dāng)邊界速度梯度再繼續(xù)增大，使速度曲線變?yōu)橹本€5時，火焰又進(jìn)一步被推離火孔。這時由于可燃混合物與空氣的相互擴(kuò)散過程，使得氣流邊界層附近的可燃混合物被空氣過分稀釋，導(dǎo)致該處的燃燒速度下降，使燃燒速度曲線sc不是繼續(xù)向左推移，而是反過來向右推移到s_D。這時直線5與曲線s_D再也找不到切點，即在火焰底部任何一點上的氣流速度都大于燃燒速度，于是火焰就被無限制推離火孔，產(chǎn)生脫火。
　　顯然，直線4和曲線s_C所代表的工況，即為防止脫火的極限工況，這時的邊界速度梯度g_b即為脫火極限邊界速度梯度。
　　當(dāng)可燃混合物在空氣中燃燒時，可燃混合物中的燃?xì)鉂舛仍酱螅摶饦O限邊界速度梯度也越大。這是因為這種可燃混合物與空氣相互擴(kuò)散時，在開始階段能形成燃燒速度增大的氣流邊界層。然而，當(dāng)燃?xì)鉂舛却蟮目扇蓟旌衔锊皇窃诳諝庵卸窃诙栊詺怏w中燃燒時，脫火極限邊界速度梯度就比較小。
　　劉易斯和馮·埃爾柏認(rèn)為，回火與脫火邊界極限速度梯度gf、gb是可燃混合物本身的特性。因此他們認(rèn)為，只要提出邊界速度梯度理論時所作的幾條假設(shè)符合實際情況，那么gf、gb就應(yīng)與火孔孔徑、孔深和孔型無關(guān)。這樣，對于每一種可燃混合物就可以用一個gf和一個gb來表示在不同火孔中的燃燒穩(wěn)定性。
　　從以上分析可以認(rèn)為，脫火和回火的極限決定于靠近氣流周邊處的氣流速度線的斜率，或者說取決于周邊速度梯度。