擴散火焰

燃料與空氣的混合是靠它們之間的質量擴散作用來實現的，所以擴散火焰可分為層流擴散火焰和湍流擴散火焰。流動介質中的質量擴散過程與流動狀態有關，在層流狀態，質量擴散以分子擴散的方式實現稱為層流擴散；但在湍流狀態下由於大量氣團的無規則運動，使燃料與空氣之間的質量擴散速度明顯增加，因此被稱為湍流擴散。 ^[1] 

如圖1所示。

氣體燃料由直徑為d₀的管口流出，與周圍空氣進行分子間擴散，以此來完成兩者間的混合。這種燃燒所形成的火焰面必然處於燃料空氣按化學恰當比混合的位置，只有這樣，生成的火焰面才是穩定的。實際上，如果空氣量過多，則燃燒後剩餘的空氣必然要繼續向火焰面內側擴散井與內側的燃料混合燃燒，使火焰面向射流軸心移動；

相反地，如果空氣量過少，則未燃盡的燃料要繼續向外側擴散，與外側的空氣混合和燃燒，使火焰面向外移動。因此，只有按理論空氣需要量混合時，焰面才穩定。由此可以斷定，焰面的內側只有燃料和燃燒產物，沒有空氣而焰面的外側只有空氣和燃燒產物，沒有燃料。

在火焰面上，燃料和氧氣的濃度最小(理論上為零)，而燃燒產物的濃度則最大；

自火焰面向射流軸心，燃料濃度增高，產物濃度減小；

自火焰面向外，則氧氣濃度增高，而產物濃度減小；

沿着燃料流動方向，燃料逐漸燃燒，其濃度最大的核心區直徑逐漸縮小，而沿射流軸心線流動的燃料要穿過整個火焰長度達到火焰頂端，才能最終燃盡。

因此整個火焰呈錐形，而錐頂與孔口之間的軸向距離稱為火焰長度或火焰高度。

2、湍流擴散火焰結構

右圖2表示火焰高度和火焰狀態隨管口流出速度(管徑不變時)的變化。

在層流區，火焰面清晰、光滑和穩定，火焰高度幾乎同流速(或雷諾數)成正比。

在過渡區，火焰末端出現局部湍流，焰面明顯起皺，並隨着流出速度的增加，火焰端部的湍流區長度增加，或由層流轉變為湍流的“轉變點”逐漸向管門移動，而火焰的總高度則明顯降低口到達湍流區之後，火焰總高度幾乎與流出速度無關，而“轉變點”與管口間的距離則隨流速增加略有縮短。

這時幾乎整個火焰面嚴重褶皺，火焰亮度明顯降低，並出現明顯的燃燒噪聲。 ^[1] 

根據對射流的動量方程和能量方程的近似求解，可得層流擴散火焰高度為：

式中：

——管口直徑；

——流出速度；

——射流的粘性係數，m^2/s；

——周圍空氣的氧濃度；

——為燃料與空氣的化學恰當比。

當管口直徑

時，層流擴散火焰高度也可按如下近似公式確定：

其中

為單個管口(或火孔)的熱負荷，KJ/h。

為與燃料種類及相鄰兩火孔問距有關的係數，其值可由下表確定：

2、湍流擴散火焰高度

確定擴散火焰的高度，實質上是要尋找火焰鋒面與軸心線相交的位置，擴散火焰鋒面應建立在燃料和空氣按化學恰當比混合的地方，並可以近似地當作未燃燒情況下燃料和空氣濃度符合化學恰當比處。

湍流自由射流擴散火焰高度為：

式中：

——管口直徑；

——為燃料與空氣的化學恰當比；

——理論空氣量。 ^[2] 

1、擴散火焰的穩定性

穩定性是指火焰既不被吹跑(或叫脱火，吹熄)，也不產生回火，而始終“懸掛”在管口的情況。

擴散燃燒時由於燃料在管內不與空氣預先混合，因此不可能產生回火，這是擴散燃燒的最大優點。但管口流出速度超過某一極限值時，火焰可能脱離管口並最終熄滅。此外，擴散火焰的温度較低，對有效利用熱能是不利的。

湍流擴散燃燒是當前工業上廣泛採用的燃燒方法之一，並常用一些人工穩焰方法來改善火焰的穩定性。

2、碳氫化合物的熱分解

碳氫化合物在高温和缺氧的環境中會分解成低分子化合物，併產生遊離的碳粒。如果這些碳粒來不及完全燃燒而被燃燒產物帶走，就會造成環境污染，並導致能量損失。擴散燃燒時，火焰的根部及火焰的內側容易析碳，因此，如何控制碳粒生成及防止冒煙乃是擴散燃燒中值得注意的問題。

3、實驗表明，氣態燃料中的一氧化碳分子的熱穩定性較好，在2500~3000℃的高温下也能保持穩定。而各種碳氫化合物的熱穩定性卻較差，它們的分解温度較低，如甲烷為683℃，乙烷為485 ℃，丙烷為400℃，丁烷為435 ℃。一般而言，碳氫化合物的分子量越大，熱穩定性就越差，而且温度越高，分解反應越弧烈，如甲烷在950℃時只分解26%，但在1150℃時將分解90%。 ^[2] 

層流擴散火焰與湍流擴散火焰區別

與層流射流擴散火焰相比，湍流射流擴散火焰有如下區別：

1、湍流射流擴散火焰前沿為顫動的、皺摺的、破裂的。因此測定火焰高度很不容易。

2、湍流射流擴散火焰前沿厚度較寬，並處於激烈脈動中。

3、湍流射流擴散火焰的高度與射流速度無關，僅僅與噴嘴直徑成正比。因此，如果要設計一個短的燃燒室，根據這個預測，只能減小噴嘴直徑。如果熱負荷很大，為了獲得短的火焰，只有用若干個小直徑噴嘴。相反，有些工業窯爐，為了沿爐長方向能均勻傳熱，常要求很長的火焰，因此，燃料通常由單個噴嘴送入。 ^[1]