分析解决火焰稳定性的有效尝试

　　对于家用燃气灶来说，更多的还是采用大气式燃烧，也就是预混燃烧，产生预混(部分)火焰，正常的燃烧应该是火孔上方的火焰驻定在某个位置上，形成稳定火焰。任何形式的回火、回火倾向、离焰、脱火、黄焰等都属于火焰不稳定的状况，属火焰不稳定范畴。

　　火焰不稳定性在燃具上的表现

　　在燃气具设计开发过程中，会经常出现：

　　1、回火倾向容易出现在以下几种情况：

　　• 预混燃烧中燃气的火焰传播速度越快，越容易回火，如人工燃气，CP值较高，容易回火。

　　• 同比条件下，燃具的热态容易回火，即燃气-空气混合物喷出火孔前温度越高，越容易回火。

　　• 火孔孔径越大，越容易发生回火。

　　• 火孔材料导热性能越差，越容易发生回火。

　　• 火孔出口流速分布不均匀，特别是出现逆向涡流时，只要有一处流速小于该处的火焰传播速度，就会发生回火。

　　• 一次空气系数越大，越容易发生回火。(和气源有关)

　　2、离焰则和回火的表现因素刚好相反

　　• 火焰传播速度越慢，越容易离焰，如：天然气更容易离焰

　　• 燃烧器冷态时，火孔壁越冷，越容易离焰、脱火。

　　• 火孔材料导热性能越好，越容易离焰、脱火。

　　• 火孔孔径越小，越容易离焰、脱火。

　　• 一次空气系数越大，越容易离焰、脱火。(和气源有关)

　　• 贫氧燃烧时，吸入燃烧器的空气含氧量不降，一些惰性气体如氮气，二氧化碳含量增加，会助长离焰，脱火趋势。

　　通过实验研究得出的印证

　　实验条件：液化石油气，一款普通燃烧器，无内环火。火盖火孔向上(便于实验测量)，共30个火孔，火孔直径2.6mm,喷嘴直径0.85，热负荷经测量为2.52kW。

　　实验方法：压力调整到额定压力，不座锅，并调整风门开度，使火焰稳定燃烧。根据离开火孔内壁的不同距离测试火焰传播速度。火焰传播速度按本生灯高度法测得，并连接绘制平滑曲线(至少四点)。用热线风速仪测定内外焰面边界气流速度U，气流速度U1=Uxsina,a为法线夹角。(很多初学者容易犯此错误，把实际测得的火焰气流速度当作了法线气流速度，此情况只存在火焰焰尖)。

　　图一：气流速度在靠近火孔内壁，按照速度梯度理论，该处气流速度近似为0。

　　本生灯火焰高度法：

　　利用高度尺测得火焰内锥高度h，喷管出口半径r为已知管直径的一半。燃气流量Lg通过湿式流量计获得，一次空气系数ą则需要通过头部取样，通过色谱分析计算后获得，利用一次空气系数可以算得空气流量La。

　　火焰传播速度S1如下式：

　　按以上方法分别在不同压力状态下测试火焰传播速度和气流速度，注意在此过程中风门开度维持不动。分别在压力2kpa/3.2kpa/5.7kpa时定气流速度和火焰传播速度。

　　图二：U1为气流速度，S1为火焰传播速度。根据离开孔壁的距离不同，分别测定两个速度。

　　单从上图可以看出，火焰在2kpa和3.2kpa时,有一个共同点，在离开火孔壁的某处，存在两个曲线近似相切。但在5.7kpa时，离开孔壁的任何一处，气流速度均大于火焰传播速度。

　　从实际燃烧效果来看，在2kpa时，火焰燃烧稳定，燃烧噪音也不大。在压力从2～3.2kpa调节过程中，火焰明显拉长，燃烧噪音变大，火焰又重新稳定在离火孔壁更远点的上方。

　　但从3.2kpa到5.7kpa压力调节的过程中，火焰继续拉长，并随着压力的增大，火焰开始出现了部分离焰——脱火，到5.7kpa时，已经出现了完全脱火。(在5.7kpa时，为了测试火焰传播速度，需要在单个火孔处用打火机持续稳焰)。

　　为了得出实验本质，维持此时的状态，并用一根短细铁丝(0.6mm)用镊子固定，放置在火孔壁的表面，此时出乎意料的发现，这个被细铁丝阻挡的火孔，原本脱火的状态竟然被生生的拉回来，火焰燃烧比较稳定。此时再测试速度参数。(如图三)

　　图三：根据图三曲线发现，无论两种速度曲线如何变化，但总会出现某处，该处的气流速度和火焰传播速度几乎相同。

　　此外，在4.3kpa时火焰若即若离,保持其它状态不变,燃烧半小时和燃烧1分钟后座锅，两种不同情况也能得到类似结论——离焰边界的火焰变得稳定，总会存在一处，该处气流速度和火焰传播速度近似相同。

　　按照此实验方法验证回火火焰机理，会发现，当气流速度曲线与火焰传播速度曲线相割时，会发生熄火噪音等回火倾向。

　　火焰基底平衡理论

　　空燃混合物从火孔喷出燃烧，只要预混的混合物在着火极限内，就会在火孔壁的上方形成内，外双圆锥的火焰结构，称之为外焰和内焰，内外焰面边界称之为火焰基底。

　　如图所示;在火焰基底处，必然存在两个速度。焰面法线方向的气流速度U1和此处的火焰传播速度S1，两个速度方向截然相反。

　　大量实验发现，要想使火焰稳定燃烧在某一空间位置，必须有稳定的火焰基底，如果要想有稳定的火焰基底，则必须使火焰基底处U1与该处的火焰传播速度S1相等。

　　当两个速度不匹配的时候，就会出现火焰的不稳定。当出口流速小于火焰的传播速度，就会出现回火倾向，甚至自然回火。

　　出口流速大于火焰的传播速度时，火焰则会离焰，甚至脱火。两个速度的匹配，就是我们追求的最佳效果。

　　在热力学上，这种速度不平衡的问题，归根到底是热平衡的问题，也就是说在火焰焰面上可燃混合物燃烧释热率对于整个火焰热焓变化率以及向火孔壁与周围环境之间的热平衡问题。

　　为保持两个速度的平衡，必须以一定量的燃气和空气混合物以固定的速率连续供应。以保持释热量，焓变化量，孔壁散热量之间的精确平衡，任何不平衡都会导致火焰的不稳定。如果靠近火孔口的火焰基底能持续自行着火燃烧，整个火焰锥就能持续燃烧，火焰基底热平衡的程度决定着火焰的稳定程度。

　　要使火焰基底的焰面稳定，就要满足：

　　Q1=Q2+Q3

　　Q1：火焰基底焰面上混合物燃烧所释放的热量

　　Q2：混合物通过焰面的焓变

　　Q3：火焰向周围环境和火孔壁散失的热量

　　用火焰基底热平衡可以解释图二的实验结果。

　　如图二a)，火焰处于稳定燃烧状态，随着燃气压力的增大，气流速度明显增大，气流速度曲线斜率增加，此瞬间，火焰热平衡状态被打破。只有火焰基底上升到b)处才能重新平衡。这是因为混合物从火孔喷出的速度增加，焰面上气流方向速度随之增加，由于喷出速度增加，火焰基底距离火孔口距离增大，孔壁散热量减小，又由于喷出速度增加，单位时间，单位面积焰面释热量增加，导致通过焰面的焓变增加。

　　后两种因素有利于火焰传播速度的增加，这样气流速度增加到b)时，就可在b)处重新找到U1=S1的平衡位置，火焰重新驻定。继续增大压力，找不到稳定的火焰基底，也就是说热平衡被打破的时候，脱火就产生了。

　　基底平衡理论也可以解释不同状态下的回火：

　　热态时，由于燃烧温度的增加，热焓增加，热平衡被打破。回火倾向增加。火孔孔径增大时，气流喷出距离缩短，火焰基底靠近火孔上表面，孔壁的散热增加，热平衡被打破，回火倾向增加。

　　火焰基底平衡理论在燃具研发过程中的指导意义

　　火焰基底平衡理论能很好的解释火焰燃烧不稳定现象。开发过程中一个很常见的误区就是，只考虑调整气流速度，而忽略甚至不清楚，在调整气流速度的同时，也改变到了燃烧速度。这两个速度必须通盘考虑。

　　当出现二者速度不均衡时，可利用流体力学和热力学去分析匹配。如果流速过高造成脱火时，同时不允许减少流量，可在流动方向放置金属环或细铁丝等，使局部气流速度减小，火焰在金属环或细铁丝处实现基底平衡，稳定燃烧。

　　为形成稳定的火焰基底，可使用明火稳焰，小孔稳焰。也可在主火孔的侧方，上方或者下方形成一些出口流速较小的稳定的辅助火焰，通常称之为稳焰槽稳焰。

　　除此种方法之外，也可采用钝体稳焰，燃烧器壁面设置凹槽或者沉孔稳焰，其工作原理都是形成热气回流，增加燃烧器壁面摩擦，形成局部的U1=V1的火焰基底。

　　基于以上介绍，可以得出两个结论：

　　第一，火焰稳定性取决于是否有稳定的火焰基底，稳定的火焰基底实质是气流速度和火焰传播速度的平衡，更是火焰基底热量，能量的平衡。

　　第二，利用火焰基底理论指导解决研发过程中的火焰不稳定现象，但需通盘考虑两个速度的变化。