若假設(shè)L₁和L₂為火焰長度，該處的燃燒必在射流軸線上進行，燃氣與空氣的混合比符合化學當量比。
　　燃氣和空氣之間的擴散率，即單位時間從空氣中擴散到燃氣中去的氧量，應與濃度梯度成正比；

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　　式中 D——層流分子擴散系數(shù)；
　　　　F——垂直于擴散方向的兩股氣流的接觸面積，它正比于Ld；
　　　　dC／dr——徑向濃度梯度，正比于1／d，即在給定的燃氣和空氣的初始濃度下，直徑越小，濃度變化越劇烈。
　　這樣，對于上述兩種相似情況，擴散率之比

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　　此外，擴散到可燃氣中的氧使燃氣燃燒，若在L₁，L₂距離內(nèi)正好燃燒完畢，則在這段距離內(nèi)的擴散率應當和燃氣的流量相適應，即兩者應成正比，即

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　　由此可見，層流擴散火焰的長度與燃氣噴嘴直徑平方和燃氣的流速成正比，與燃氣的分子擴散系數(shù)成反比。對同一種燃氣和同一燃氣噴嘴而言，燃氣速度越大，火焰就越長。由于vd²反映了燃氣的體積流量，故當燃氣流量不變時，火焰長度與燃氣流速和噴嘴口徑無關(guān)，而與燃氣的分子擴散系數(shù)成反比，擴散系數(shù)越小，分子擴散越緩慢，則火焰越長。
　　煉焦爐立火道內(nèi)加熱煤氣的燃燒，屬于強制條件下的同軸流層流擴散燃燒，其火焰高度也符合式(5—1)，從燃燒方法出發(fā)，改善焦餅高向加熱均勻性的主要措施為：廢氣循環(huán)、焦爐煤氣貧化、改變煤氣和空氣出口的中心距以及氣流夾角、選取恰當?shù)目諝膺^剩系數(shù)等。

　　二、紊流擴散火焰

　　在工業(yè)上，廣泛采用的擴散燃燒是紊流擴散燃燒。
　　圖3—5—4表示出擴散火焰由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯陌l(fā)展過程。如圖，層流擴散火焰的焰面邊緣光滑、輪廓清晰、形狀穩(wěn)定，隨著燃氣流速的增加，火焰高度幾乎呈線性增高，一直達到最大值。此后，流速增加使火焰頂端開始變得不穩(wěn)定，并開始顫動。隨著流速進一步提高，這種不穩(wěn)定現(xiàn)象將逐步發(fā)展為帶有噪音的紊流刷狀火焰，它從火焰頂端的某一確定點開始發(fā)生層流破裂，并轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪魃淞鳌?br /> 　　由于紊流擴散，燃燒加快，迅速地使火焰的高度縮短，同時使由層流火焰破裂轉(zhuǎn)為紊流刷焰的那個破裂點向噴燃器方向移動。當射流速度達到使破裂點十分靠近噴口，即達到充分發(fā)展的紊流火焰條件后，速度若進一步提高，火焰的高度以及破裂點高度都不再改變而保持一個定值，但火焰的噪音卻會繼續(xù)增大，火焰的亮度也會繼續(xù)減弱。最后在某一速度下(該速度取決于可燃氣的種類和噴燃器尺寸)，火焰會吹離噴管。擴散火焰由層流狀態(tài)過渡為紊流狀態(tài)，一般發(fā)生在Re數(shù)為2000～10000的臨界值范圍內(nèi)。

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圖3-5-4 火焰的形狀及高度隨射流速度增加的連續(xù)變化
　　在紊流擴散火焰中，無法區(qū)分焰面和其它部分，在整個火焰內(nèi)都進行著燃氣和空氣的混合、預熱和化學反應。這種火焰的形狀和長度完全取決于燃氣與空氣流向的交角和流動特性。例如，空氣沿軸向進入爐膛時，形成一股瘦長的圓錐形火炬；當空氣流強烈旋轉(zhuǎn)時，混合加強，形成一股短而寬的火矩。在工程上可以采用各種方法來調(diào)節(jié)和強化紊流擴散燃燒過程。如前所述，紊流擴散火焰的長度較層流擴散火焰為短，其長度L亦可按式(3—5—1)確定，不過此時擴散系數(shù)D要采用紊流擴散系數(shù)D_t。
　　因為D_t∝ε×L′其中，紊流強度ε∝平均流速v，紊流尺度L′∝管子直徑d，所以有L′∝d，就是說，紊流火焰長度i與噴燃器的直徑d成正比，而與流速無關(guān)。這一結(jié)論已為實驗所證實。
　　按氣流混合規(guī)律，在燃氣紊流自由射流中，軸線上的燃氣濃度C_g與射流出口處的原始濃度C₁之比為

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　　式中 s——距出口的軸向距離；
　　　　a——紊流結(jié)構(gòu)系數(shù)，可取0．07-0．08；
　　　　r——射流噴口半徑。
　　射流中各點的燃氣濃度與空氣濃度之和各處應是一樣的，它等于出口處的濃度和C₁+O=C₁。
　　因此，燃氣濃度和空氣濃度之比為　　　

。在火焰鋒面上，這個濃度比應近似地等于化學計量濃度比1：n，故：

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　　三、擴散火焰的穩(wěn)定

　　使燃氣著火并使其在氣流中進行傳播，固然是研究燃燒過程的一個很重要的課題，但是如何使火焰在氣流中維持穩(wěn)定的傳播，對燃燒過程的研究尤為重要。這不僅具有理論意義，而且還具有實際意義。設(shè)想一個燃燒裝置，燃氣著火以后，不具有穩(wěn)定的燃燒過程，燃燒火焰時續(xù)、時熄，顯然這種燃燒裝置是沒有任何實用價值的。
　　所謂火焰的穩(wěn)定性，就是指在規(guī)定的燃燒條件下，火焰這個高溫混合物區(qū)域能保持一定的位置和體積，既不回火，也不脫火，能夠穩(wěn)定燃燒的一種性能。導致回火或脫火的根本原因，是火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c可燃混合氣流噴出速度之間的平衡遭到破壞，如第四章第一節(jié)所討論。
　　對于擴散火焰，燃氣和空氣是分別送入燃燒室的，不會出現(xiàn)回火，但燃氣或空氣的噴出速度過大或噴口直徑過小，都可能產(chǎn)生脫火或熄滅。為了提高火焰的穩(wěn)定性，電必須有穩(wěn)定火焰的措施，尤其在提高擴散火焰燃燒強度的同時，更應注意保證火焰的穩(wěn)定。
　　射流擴散火焰的穩(wěn)焰措施，可以有以下幾種方法：
　　(1)使射流界面上的燃燒速度與氣流速度和平衡；
　　(2)利用噴燃氣的噴口邊緣后面所形成的氣流環(huán)流區(qū)和回流區(qū)；
　　(3)利用氣流的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的環(huán)流與回流區(qū)；
　　(4)依靠射流出口處的短圓管與射流之間形成的環(huán)流等。