[西安交大燃烧学]燃烧学习题答案

《燃烧学》复习题参考答案集
2009 / 1 / 9
第一章化学热力学与化学反应动力学基础
1、我国目前能源与环境的现状怎样？电力市场的现状如何？如何看待燃烧科学的发展前景？
我国目前的能源环境现状：
一、能源丰富而人均消费量少
我国能源虽然丰富，但分布很不均匀，煤炭资源60%以上在华北，水力资源70%以上在西南，而工业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。

虽然在生产方面，自解放后，能源开发的增长速度也是比较快，但由于我国人口众多，且人口增长快，造成我国人均能源消费量水平低下，仅为每人每年0.9吨标准煤，而1 吨标准煤的能量大概可以把400吨水从常温加热至沸腾。

二、能源构成以煤为主，燃煤严重污染环境
从目前状况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上，成为我国主要的能源，煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。

以煤为主的能源构成以及62％的燃煤在陈旧的设备和炉灶中沿用落后的技术被直接燃烧使用，成为我国大气污染严重的主要根源。

据历年的资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一硫化碳等，对我国城市的大气污染的危害已十分突出：污染严重、尤其是降尘量大；污染冬天比夏天严重；我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨；能源的利用率低增加了煤的消耗量。

三、农村能源供应短缺
我国农村的能源消耗，主要包括两方面，即农民生活和农业生产的耗能。

我国农村人口多，能源需求量大，但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。

而作为农村主要燃料的农作物桔杆，除去饲料和工业原料的消耗，剩下供农民作燃料的就不多了。

即使加上供应农民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴，拣拾干畜粪等，也还不能满足对能源的需求。

电力市场现状：
2008年10月份，中国电力工业出现4.65％的负增长，为十年来首次出现单月负增长。

11月，部分省市用电增幅同比下降超过30％。

在煤价大幅上涨和需求下滑的影响下，目前火电企业亏损面超过90％，预计全年火电全行业亏损将超过700亿元。

走势分析
2009年，走过今年“寒冬”的电力行业将机遇与挑战并存，挑战大于机遇。

受整个经济下滑的影响，“过剩”的尴尬将继续显现。

电价矛盾将更加突出。

今年以来，国家制定的煤电价格联动政策迟迟无法实施，导致发电企业亏损不断累积，电价矛盾日益尖锐。

面对明年经济形势的复杂情况，电力销售价格能否适时调整，具有很大的不确定性。

结构调整有望借势“提速”。

明年宽松的用电环境正好为中国电力结构调整腾出了时间和空间。

面对今年的大变局，国内发电企业将从跑马圈地式的快速扩张，转向注重效益的发展模式。

燃烧科学的发展前景
燃烧学是一门正在发展中的学科。

能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧，渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。

我国的能源现状也决定了必须大力的发展燃烧学科。

燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透、相互促进。

2、什么叫燃烧？
答：燃烧标准化学定义：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应．
燃烧的广义定义：燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应，不一定要有氧气参加
3、什么是简单反应、复杂反应？
答：简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。

（也叫基元反应）
复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应，其中每一步反应也称为基元反应。

4、浓度和化学反应速度正确的表达方法？
答：浓度：单位体积内所含某种物质的量
1.分子浓度ni =Ni /V Ni为分子数 1 /m3
2.摩尔浓度Ci =Mi /V Mi 为摩尔数mol / m3
3.质量浓度ρi=Gi /V kg / m3
4.相对浓度摩尔相对浓度：x i =N i /NΣ=n i /NΣ=C i /CΣ=p i /p
质量相对浓度：f=G i /GΣ=ρi /ρ
化学反应速度：通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。

化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示，也可以用生成物浓度的增加来表示。

但均取正值。

W=±d C / dτ
5、质量作用定律的适用范围？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。

答：①反应应为简单反应
②严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。

③对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液相物质蒸汽分压不考虑。

按质量作用定律，如果反应方程式是aA+bB
（简单反应）则反应速度和反应物浓度[A][B]成如下关系：
W =k[A]a[B]b
即：当温度不变时，某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。

6、什么是反应级数？反应级数与反应物初始浓度（以及半衰期）之间的关系如何？
答：化学反应速度表达式中浓度指数之和n=α+β就是反应级数。

反应级数与反应物初始浓度无关。

由于w =-dC/dτ=k[C]n,可推得：
零级反应：
一级反应：
二级反应：
7、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？
燃料反应级数
煤气轻油重油煤粉
2 1.5~2 1 1
8、试用反应级数的概念，讨论化学反应是速度、燃尽时间与压力之间的关系。

答：对于理想气体，[]A p
∝
，而化学反应速度
[][]
a b
m
w k A B
=
，故
n
m
w p p
αβ
+
∝=
；单位
时间的反应（整个燃烧体积内的）
1
1
n n
m
w V p p
p
-
⋅∝⋅=
，所以燃尽时间
1
11
rj n
m
w V p
τ
-
∝∝
⋅。

（n为反应级数）
9、涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？
答：涡轮增压装置能提高压强，因而不仅能提高发动机内的燃料气体的化学反应速度，而且能减少气体的燃尽时间，综合提高发动机的功率。

（汽油的反应级数一般为2）
10、A rrhenius定律的内容是什么？适用范围？
答：温度对化学反应速度的巨大影响反映在反应常数上，这个关系称为阿累尼乌斯定律，表达为
，其中k0是频率因子，E是活化能，与反应物温度及浓度无关。

适用范围为：
A简单化学反应（基元反应），或复杂化学反应中的每一步基元反应
B有明确反应级数n和速度常数k的复杂反
11、什么是活化能，其计算的方法是什么？
答：活化能：使普通分子（平均能量）变为活化分子所需能量。

可以测定反应级数根据图解法和计算法来见解求得。

（详见课本P3）
12、图解吸热反应和放热反应的活化能和反应放热（吸热）之间的关系。

能
量
水
平
反应进程
吸热反应同理
13、什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？
答：链式反应是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式（如光照射等)将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。

链式反应分为不分支链反应（或直链反应）和分支链反应两类。

链式反应一般分为链的激发（引发）、链的传递和链的断裂（中断）三个阶段。

14、试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。

分
支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？
答：.在课本第五页下边至六页上边中,(1)-----(3)中分析.
分支链反应中反应活化中心繁殖速度f比较大,极大的加快了化学反应的速度.
15、烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？
答：烷烃—同原子的醛—低一个原子的烷烃直至甲醛,甲醛分解为一氧化碳和氢气燃烧或直接燃烧.
析炭反应是烃类热裂解过称中的二次反应，二次反应是一次反应产生产生足够的一次反应产生足够的中间产物才显著起来。

裂解的过程包括脱氢反应和断链反应，具体反应过程见课本第八页下面至第九页上面的过程。

16、图解催化剂对化学反应的作用。

对反应的作用有改变的只有两点：活化能E下降，反应途径的变化
17、什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？解释：碳燃烧的时
候，在低温下发生氧化反应，而在温度很高的情况下，气化反应将变得显著。

答：化学平衡的，可逆反应此时系统内各组成成分不变，计算公式为课本10、11页的1-27和1-28. 。

系统变化遵循吕·查德里反抗规则：当化学平衡由于某一外因（T,p或成分含量）而被破坏时平衡将向反抗这一外因的方向移动。

温度升高，平衡将向吸热方向移动，抵抗温度升高的影响；温度降低，平衡将向放热方向移动，抵抗温度降低的影响
18、标准生成焓、生成焓的定义？反应焓的定义及计算方法？燃料发热量（热值）与燃烧焓、反
应焓的关系？
答：生成焓定义：化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。

kJ/mol，标准生成焓：是化合物的构成元素在标准状态下（298K,0.1MPa），经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。

在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓
如果化合物不是由元素直接反应的生成物，则反应后生成物与反应物间的焓差值，不是生成焓，而是反应焓。

发热量与反应焓、燃烧焓大小相等，符号相反。

19、过量空气系数（α）与当量比（β）的概念？
答：过量空气系数是反应供应空气（氧气）与反应恰好完全反应所需空气（氧气）之比
当量比是两种参加反应的反应物的质量之比
第二章混合与传质
1．什么是传质？传质的两种基本形式是什么？
答：物质由高浓度向低浓度方向的转移过程叫做传质，也叫质量传递。

传质的两种基本方式是分子扩散传质和对流传质。

2．什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）什么是“三传”的比拟？
答：动量传递、质量传递、热量传递。

分子传输定律即牛顿内摩擦定律，傅里叶导热定律和fick扩散定律。

描述动量、热量和质量的规律有相似的数学表达式（傅里叶定律型）和相似的准则数（普朗特数和施密特数、努赛尔数和舍伍德数）叫三传的比拟。

3．湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？
怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？
答：决定三传的因素为脉动和漩涡（仅供参考）
热量交换与质量交换的强烈程度相当，动量交换的强烈程度不如热量和质量交换强烈。

实验发现普朗特数约为0.75，小于1，即动量交换不如热量交换强烈。

施密特数在0.7到0.75之间也小于1，即动量交换不如质量交换强烈。

Le 数约为1到0.9，说明热量交换和动量交换强度相当。

4． 试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu 数。

答： 完全根据复习ppt 上例题将传质换成传热，求出Nu=2.
5． 如图所示：
两股射流在大空间中交汇。

射流的初始温度T 1=60℃，T 2=室温20℃，实测xy 点的T xy =50℃。

气流中的初始浓度为C 1=3mol/m 3，C 2=2mol/m 3，求点的xy 点的浓度C xy 。

答：该题复习为ppt 上原题。

6． 自由射流积分（动量守恒）条件、热焓差和浓度差守恒条件的物理意义是什么，数学表达式是什
么？
答：（1）自由射流动量守恒是指沿射流的轴线方向，在任意断面上，以射流的速度w 与速度w2只差(w-w2)计算的动量是一个不变的常数。

其值恒等于出口断面上的以出口速度w1与射流的速度w2只差计算的射流初始动量。

（2）同动量守恒条件相似可以得出，沿轴线方向上，任意断面上的热焓差和浓度差都是不变的常数，且恒等于出口断面上的射流与伴随流之间的热焓差和浓度差。

注：相应公式见PPT2.4.2
7． 图解射流断面上的速度分布相似性。

答：见PPT2.4.3 (2)
8． 把热射流射入冷空间中，和把冷射流射入热空间中，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减的情
况有何区别？这对工程燃烧的二次风参数的选取有何指导意义？
答：（1）把热射流射入冷空间中时，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很快，因为θ（含
1 2
xy
义见PPT ）的值较大。

而且随θ值增大，三者衰减速度均明显加快。

（2）把冷射流射入热空间时，很明显θ值相对（1）中要小，所以此时射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很慢，而且随θ值减小，衰减更慢。

（3）从这个方面讲，组织锅炉内气流流动时，应用θ值低一些的一次风，从而保证较慢的衰减速度，有足够的扰动范围，以保证气流流动。

而从燃烧供氧的角度讲应用θ值高一些的一次风，以加强湍流混合和传质，有利于燃烧。

9． 根据以下物理模型，推导旋转射流中心线上负压的值。

1.5 2.0
常数假定旋转射流的横截面如图所示，流体是无粘性流体，流动区域可以划分为两个区域：外围的自由旋转区（可以按势流处理）和中心的刚体旋转区（不能按势流处理）答：中心线上负压即刚体运动区中心线上的负压值，具体推倒见什么是旋流强度，其物理意义是什么？旋流强度的计算公式？：工程上用于反映旋转射流强弱程度的指标。

φ是角动量的轴向通量（旋转动量矩）， Gx 是轴向动量，
12． 两股平行射流湍流混合的强弱取决于哪些空气动力学参数条件？
答：① 两者的动压比
，它是湍流扩散（三传）的动力（能量）来源，它的增加会导
致流体微团可在更大尺度范围内湍流相关，且混合边界层愈偏于动压小的一侧。

当动压比趋近于1时，由于动压差引起的湍流扩散已经十分微弱，只能靠射流自身原始扰动度来维持。

② 决定于射流自身动压 ，它是射流内部进行三传的动力（能量）源。

一般自身湍动度总是
维持射流内部的小尺度湍动。

211222w w ρρ222w ρ
③ 系数k ，决定于射流喷口的结构特征和速度分布特征
13． 两股相交射流湍流混合的强弱取决于哪些空气动力学参数条件？
答：相交射流混合传质的动力学条件是两射流的动量（流率）比M=1时混合最强烈。

第三章 气体燃料燃烧
1. 什么是热着火？什么是链式着火？其区别是什么？热着火需要满足的条件是什么？化学链着火需
要满足的条件是什么？
答：什么是热着火？什么是链式着火？其区别是什么？热着火需要满足的条件是什么？化学链着火需要满足的条件是什么？
热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致着火。

——大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。

链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。

——某些低压下着火实验（如 H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象符合链式着火的特征。

热着火过程与链式着火过程区别——热着火通常比链式着火过程强烈得多。

条件：
热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。

导致 燃烧反应自动加速。

链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。

但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。

2. 自发着火与强迫着火的区别是什么？
答：自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。

强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、火花塞），使其局部着火，然后火焰传播到整个可燃混合物中。

3. 自燃必要条件有两个判据，他们的表达式怎样，物理意义是什么？燃料的活化能、系统初始温度、
散热系数对自燃温度的影响如何？请图示。

试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些？
答：自燃必要条件有两个判据，他们的表达式怎样，物理意义是什么？燃料的活化能、系统初始温度、散热系数对自燃温度的影响如何？请图示。

试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些？ 两个判据:产热散热相等，产热散热变化率相等即：
影响因素：图见PPT
η(散热系数)↓有利着火
2112Q Q dQ dQ dT
dT =⎧⎪⎨=⎪⎩
燃料活性强（E小或k0大）易着火
T0(系统初始温度)↑容易着火
4.什么是着火的孕育时间？请图示。

并解释：为何堆放在煤场上的煤在常温下也经常会发生自燃，
而直吹式煤粉锅炉一次风管道中的煤粉在高于150℃的条件下也不发生自燃？
答：自然过程中，系统温度达到拐点温度（即临界温度）时对应的时间为孕育时间。

图见PPT
原因需从自燃的临界条件来找煤场上的煤发生化学反应时产热不易散去，即Q1≥Q2，在常温下随产热蓄积温度不断升高，孕育时间不会很长，故而易着火自燃。

相应地，直吹式煤粉锅炉一次风管道中的煤粉流动快，散热也快，尽管当温度高于150℃，仍无法蓄热以进一步提高温度，故孕育时间无限长，最终也不会自然。

5.图示着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数）的关系。

并解释：1）为什么在点燃气体
燃料的时候必须“火等气”？2）煤矿巷道中发生瓦斯爆炸的原理是什么，如何防范瓦斯爆炸？
答：图示着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数α）的关系。

并解释：1）为什么在点燃气体燃料的时候必须“火等气”？2）煤矿巷道中发生瓦斯爆炸的原理是什么，如何防范瓦斯爆炸？
着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通常用过量空气系数α来表示
（2）参照上图不要让（α，T）进入U型虚线区
6.什么叫强迫着火？请图示强迫着火的过程。

热壁面强迫点燃的临界条件是什么，其物理意义是什
么？
答：强迫点燃：用炽热物体使可燃混合物着火
炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度不断升高而着火。

再加热
高温火源向可燃混合物加热
在高物物体边界层中着火反应热量
强燃的临界条件应为：
7. 试根据强迫点燃温度的方程201202exp()()n qr qr qr T k C QR Nu E L E T T RT ηλλ
=⋅-=-讨论：1）炽热平板的长度；2）对流换热Nu 数；3）气流的压力；4）气流的导热系数；5）燃料的活化能；6）燃料的发热量；对强迫点燃难易程度的影响。

答：试根据强迫点燃温度的方程201202exp()()n qr qr qr T k C QR Nu E L E T T RT ηλλ=⋅-=-讨论：1）炽热平板的
长度；2）对流换热Nu 数；3）气流的压力；4）气流的导热系数；5）燃料的活化能；6）燃料的发热量；对强迫点燃难易程度的影响。

8. 燃用高活性的褐煤的锅炉中，常出现以下现象：一次温度大约150℃，风管道中漏出的煤粉在地面堆积，有时能呈现暗红色燃烧的状态（温度大约700℃），而一次风管内的煤粉却不燃烧或爆炸。

请用自燃和强燃着火的模型给予解释。

① L ↓，T qr ↑
② Nu （气流速度上升，η↑，散
热增大）↑，T qr ↑
③ P ↑（C ↑）, T qr ↓
④ λ、E ↑，T qr ↑
⑤ Q ↑, T ↓
该问为开放性题，为不局限大家思维，请各位互相讨论啊 ^.^
9. 什么是缓燃？什么是爆燃？
答：缓燃（正常传播）：火焰锋面以导热和对流的方式下传热给可燃混合物引起的火焰传播，也可能有辐射（如煤粉燃烧时的火焰传播可能以辐射为主，也有可能为对流和辐射并重）。

传播速度较低（1～3m/s ，远小于声速），传播过程稳定。

一般的工程燃烧均为此类。

爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度升高而引起化学反
10. 层 11. 火根据
可燃气初温：
↑
↑⇒↑⇒ce lr u T T 0。

火焰锋面形状： 凹
↑
⇒ce u ； 凸 ⇒ 散热多 ↓
⇒ce u 。

12. 本生灯火焰稳定的机理是什么？如何使用本生灯测量层流火焰传播速度？试写出测量的过程和计算式。

答：本生灯的火焰稳定机理：本生灯出口处Re 较小，一般属层流，火焰锋面以
ce
u 传播，可燃混合气以w 速度前进，合成速度的结果就是形成了的圆锥面。

这也称为余弦定律：
ce
n u w w ==ϕcos 。

w n 的存在使得火焰锋面上质点沿a-b 方向移动，为使火焰稳定，当质点由a 移
至b 时，必须有另一质点补充上来。

因此在接近火炬根部的焰锋表面上，必须存在一固定的点火源（不断点燃火焰根部附近的可燃气体以补充被气流带走的质点）。

此即圆锥面火焰锋面的策源，底部四周一圈环形火焰锋面——点火环。

点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低，有一些地方射流速度正好等于u ce ，即形成了点火环。

如图所示，当火焰稳定时，混合气体在火焰锋面法向的分速度就等于气体火焰的传播速度。

测量空气与燃气流量，可得混合气体流量，根据已知的喷嘴直径，可计算出混合气体的流速；再测量火焰的高度，算出火焰圆锥投影的半角，即可得到混合气体在火焰锋面法向的分速度 —— 气体火焰传播速度。

测量过程：
① 分别测出空气与燃气的流量 Q kq 和 Q rq
（据流量计的不同可能需要修正），计算总的混合气体流量 Q = Q kq + Q rq ；
② 测出喷嘴内径 R ，计算出喷嘴截面积 A = πR 2，从而可算出混合气体流速 W=Q/A ；
③ 测量火焰高度 h ，可计算出火焰圆锥投影半角
22sin h R R +=
θ 。

综上可得，测得的层流火焰传播速度表达式为
22sin h R R Q Q W u rq
kq ce ++=
=πθ
13. 燃烧速度（化学反应速度）与火焰传播速度是什么关系？区别是什么？(火焰速度、燃烧速度、新混合气速度关系)
答：燃烧速度（化学反应速度）与火焰传播速度是什么关系？区别是什么？(火焰速度、燃烧速度、新混合气速度关系)
燃烧速度越大层流火焰传播速度越大。

燃烧速度的单位是摩尔每立方米每秒，表示单位时间单位体积内说消耗的燃料量，而火焰传播速度单位是米每秒，是化学反应燃烧区在空间的移动。

层流火焰传播速度定义：火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。

14. 燃料气的热扩散系数、燃料的发热量、化学反应速度、气体的密度、气体的压力、可燃气体初温、锋面形状等因素如何影响层流火焰传播速度？
答：燃料气的热扩散系数、燃料的发热量、化学反应速度、气体的密度、气体的压力、可燃气体初温、锋面形状等因素如何影响层流火焰传播速度？
燃料气的热扩散系数增大、燃料的发热量增大、化学反应速度增大、气体的密度减小、可燃气体初温越大，层流火焰传播速度都会增大。

层流火焰传播速度与压力的1/2*(n-2)次方成正比。

火焰锋面凹，层流火焰传播速度增大，火焰锋面凸散热增多，层流火焰传播速度减小。

15. 过量空气系数如何影响层流火焰传播速度？请图示。