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8.4 预混H2-O2火焰在接近可燃界限附近时的火焰结构 29
5 化学与物理参数对火焰速度的影响
5.1 化学参数
5.1.1 混合比的影响
在某一燃料-氧化剂比例下，层流火焰速度的变化主要受到该混合气混合比例下的温度变化的控制。对于碳氢化合物燃料，火焰速度的峰值出现在混合比接近化学计量比或者燃料稍稍过量时。根据Warnatz的测量数据，几种代表性的碳氢化合物与空气的混合气燃烧的层流火焰速度随燃料在空气中的体积分数的函数关系的结果如下图5.31所示。这些数据的趋势与Hartmann测得的数据的趋势相同。
图5.31 不同燃料/空气混合物的层流火焰速度与相应的混合气组分组成的关系（由Warnatz修正）
一般地，可以认为火焰温度最高的混合气，其火焰速度也是最高的。过稀或过浓的混合气是不能够维持火焰传播的，因为燃料或氧化剂量太少以至于不能维持稳定的缓燃波。因此混合气存在能够燃烧的浓度上限和下限。一些燃料与空气的混合气的缓燃浓度限值如表5.8所示（这一内容在后面的部分中将会讨论到）。
5.1.2 燃料分子结构的影响
在研究燃料分子结构与火焰速度之间的相互联系上，已经有了很多尝试。火焰速度的变化与取代了燃料分子碳链上氢原子的甲基数目之间的关系如图5.32所示。
Gerstein等人和Reynolds发现随着燃料分子重量的增加，对应的混合气可燃的浓度范围会变小（如图5.31）所示。图5.32则显示了三种类型的烃的最大火焰速度与烃分子中碳原
图5.32 火焰速度的变化与取代了燃料分子碳链上氢原子的甲基数目之间的关系
图5.33 碳链中碳原子的数量对最大火焰速度的影响
子的数目之间的函数关系。对于饱和烃（烷烃（也被称为石蜡），如C2H6（乙烷），C3H8（丙烷），C4H10（丁烷），C5H12（戊烷），和C6H14（己烷）），最大火焰速度（70m/s）与烃分子中碳原子的数目几乎不相关。对于非饱和烃（烯烃（也被称为链烯）如C2H4（乙烯）和C3H6（丙烯），或炔烃（也被称为乙炔系列）如C2H2（乙炔），C3H4（丙炔），C4H6（丁炔），和C5H8（戊炔）），碳原子数更少的烃分子具有更高的最大层流火焰速度。当非饱和烃分子的碳原子数在4以内时，随着碳原子数的增加，其层流火焰速度的数值大幅下降；碳原子数大于4后，火焰速度的下降幅度趋于平缓；当非饱和烃的碳原子数大于等于8时，层流火焰速度值与该碳原子数所对应的饱和烃的层流火焰速度值接近。
根据以上结果，看起来似乎代替了碳链上氢原子的甲基数目和燃料分子的结构对层流火焰速度SL有显著影响（图5.32和图5.33）。在Gerstein 等人的结论中，他认为与不同的甲基取代氢原子方式相关的火焰速度变化应当归结于火焰的温度而不是分子的结构。而各种不同燃料分子所含的碳原子数对层流火焰速度的影响因素则不是火焰的温度，因为大多数燃料的绝热火焰温度都在2200K左右；大多数燃料与氧气进行化学反应的活化能在一个约为40kcal/mol的狭小范围内。含碳原子数不同的各种燃料的SL值的不同主要是热扩散率的改变，其中，热扩散率是燃料分子重量的函数。
到目前为止，我们一直认为层流火焰速度SL正比于，即SL（alpha;为热扩散率，RR为反应速率）。但是这一点只有在相似的化学混合物中才是正确的。燃料的反应活性可能会剧烈地影响火焰速度。例如，C-Si键和Si-H键的反应活性就有显著的不同。这一点可以从表5.6看到。因此，对于不同的化学混合物，燃烧系统的反应活性应当加以考虑。
5.1.3 添质的影响
添质的主要目的是为了提高着火温度以及减小早燃和爆震的趋势。它对火焰速度只有微小的影响。然而，对潮湿的CO研究表明在加入少量的氢气或含氢的燃料后，其火焰速度能够明显增加。已经公开发表的少量H2O对CO气体反应的影响研究结果引起了Tanford和Pease的注意并且已经在扩散理论当中被讨论过（见本章的2.3节）。抗爆剂被用来减慢低温下的氧化，也被用来作为稀释剂。添质对火焰速度并没有很强烈的影响，火焰速度主要是由高温反应来控制的。不同燃料的混合对SL通常没有明显的影响，但是如果添加进去的物质改变了燃料的热扩散率alpha;，则能够显著地影响火焰速度。
表5.6 燃料的反应活性对火焰速度的影响
|
燃料 |
层流火焰速度SL (cm/s) |
火焰温度TF (K) |
反应活性 |
|
(CH3)4C |
33 |
2254 |
|
|
(CH3)4Si |
60 |
2247 |
活性强于(CH3)4C |
|
(C2H5)2SiH2 |
111 |
2278 |
更高的活性 |
|
(C4H9)2SiH3 |
148 |
2290 |
darr; |
|
SiH4 |
自燃 |
极其活跃 |
5.2 物理参数
5.2.1 压力的影响
本章的4.5节给出了H2/O2/N2混合气的层流火焰速度随压力变化的非单调趋势。对于含有N2，Ar，He等气体的各种烃氧混合气，Lewis研究了压力对它们的层流火焰速度的影响。在此研究基础上发展出了关于SL的幂函数定律，即SL。这里的指数n指的是Lewis压力指数n。他观察到当SLlt;50cm/s时，指数n通常是负数，这表明压力降低时火焰速度SL将增大；当50lt;SLlt;100cm/s时，SL不受压力的影响；当SLgt;100cm/s时，SL随着压力的升高而增大。
基于本章第2节和第3节讨论的热理论和综合理论，我们已经知道了，这里的n是化学反应的反应级数。Lewis观察到的压力对火焰速度的影响表明SLlt;50cm/s时反应的总级数小于2；50lt;SLlt;100cm/s时，反应的总级数等于2；SLgt;100cm/s时，反应的总级数大于2。这一关系也得到了实验证据的支持。例如，环氧乙烷单元推进剂的一级分解反应被发现遵循。对于很多进行二级反应的烃类燃料，研究则发现其层
表5.7 计算定容腔内层流火焰速度的经验公式参数数据（基于Metghalchi和Keck的研究数据）
图5.34 初始温度对火焰速度的影响（来自Dugger，Heimei和Weast，在得到美国化学学会的允许后进行了修改）
流火焰速度不受压力的影响。表5.7列出了计算定容腔内层流火焰速度的拟合公式的经验参数数据，拟合公式可通过下式表达
(5- 141)
这四种类型的碳氢化合物类燃料在三种不同当量比下的压力指数均为负值。
5.2.2 初始温度的影响
初始温度对四种类型的碳氢化合物类燃料与空气在一定容腔室内燃烧的层流燃烧速度的影响已在表5.7和式(5-141)中表示出来。Dugger等人也对三种混合气进行了一系列定压状态下的试验来显示初始温度T0对SL的影响。从图5.34可以看出全部三种烃类与空气的混合气的层流燃烧速度都随着初始温度T0的升高而增大。这一结果可以用以下关系来表示：
(5- 42)
这里的指数m取值范围在1.5和2之间。SL随着T0升高而增大主要归因于预热效应。一般地，由预热初始混合物引起的火焰温度的变化并不显著。这是因为散热项a0Q/rho;0基本上是不变的，且这一项比CpT0项大得多。从式(5-23)我们可以看到火焰温度Tf不会因为预热效应发生很大的变化。但是，即使Tf的微小的变化都可能显著地改变火焰速度SL，如下文所示。
图5.35 火焰温度对最大火焰速度的影响（Bartholome和Sachsse修正）
5.2.3 火焰温度的影响
几种气体混合物的最大火焰速度与火焰温度的函数关系曲线如图5.35所示。显然火焰温度Tf对火焰速度SL的影响非常大。
从这些数据中我们可以得出结论，认为层流火焰速度SL基本上由Tf的值决定；这一点与Zeldovich的反应
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