高等燃烧学04章
高等燃烧学讲义第4章(郑洪涛5学时)
第四章 化学动力学——
4.3 多步反应机理的反应速率——②净生成率的简洁表达式 • 由于反应机理可能包括多个基元步骤和多个组分，有必要 开发一个同时表示机理和单个组分生成速率方程的简洁符 号表达方法。对于反应机理，表达式可以写为
• 式中， 和 是对应于j 组分在i 个反应中，方程两边反应 物和生成物的化学当量系数。例如，考虑上述4个反应，包 括8个组分O2、H2、H20、H02、O、H、OH和M。i 和j 定义如下:
第四章 化学动力学——
4.2 基元反应速率——双分子反应和碰撞理论 • 以温度来表示就有 • 其中， kB=玻耳兹曼常数=1.381×10-23J/K； • =折合质量， • mA和mB是组分A 和B 的质量，单位是kg； • T=热力学温度(K)。 • 注意到平均速度是将式 中 的单个分子质量用折合质量μ来代替求得的。将上述理论 与反应速率问题联系起来，可以写出
• 或 • 式中，NAV是阿伏加德罗常数(6.022×1026kmol-1)。
第四章 化学动力学——
4.2 基元反应速率——双分子反应和碰撞理论 • 碰撞是否发生反应的概率可以认为是两个因素影响的结果： • 一个是能量因子exp(-EA/RuT)，表示能量高于反应所需极限 值条件下发生碰撞的比例份额，这个极限值EA叫作活化能； • 另一个因素是几何因素，位阻因子p，它计入了A和B之间碰 撞的几何因素。 • 例如，在OH和H形成H2O的反应中，鉴于产物有H-O-H形式的 键，可以认为H原子在羟基的O一侧碰撞比H一侧更容易发生 反应。一般地，位阻因子应该远小于1，当然也有例外。 • 这样，上式就变为： • 式中，采用了nA/V=[A]NAV和nB/V=[B]NAV进行置换。
第四章 化学动力学——
4.2 基元反应速率——双分子反应和碰撞理论 • 式中 是平均速度，其值是温度的函数。 • 上式仅适用于性质相同的分子。我们把这一分析推广到两 种不同分子之间的碰撞过程。设这两种分子的硬球直径分 别为σA和σB。碰撞所扫过的体积的直径为σA + σB=2σAB。因此， 上式变为： • 上式表示单个A分子与所有B分子碰撞的频率。 • 我们感兴趣的则是所有的A和B分子的碰撞频率，即单位时 间单位体积内的总碰撞数。因此，可以用单个A分子碰撞频 率与单位体积内的A分子数乘积得到。采用合适的平均分子 速度，有
高等燃烧学复习题参考答案集
《高等燃烧学》习题集与解答第一章绪论1、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。
2、燃烧的本质是什么？它有哪些特征？举例说明这些特征。
答：燃烧的本质是一种氧化还原反应。
它的特征是：放热、发光、发烟并伴有火焰。
3、如何正确理解燃烧的条件？根据燃烧条件，可以提出哪些防火和灭火方法？答：可燃物、助燃物和点火原始燃烧的三要素，要发生燃烧，可燃物和助燃物要有一定的数量和浓度，点火源要有一定的温度和足够的热量。
根据燃烧的条件，可以提出一下防火和灭火的方法：防火方法：a、控制可燃物；b、隔绝空气；c、清除点火源灭火方法：a、隔离法；b、窒息法；c、冷却法；d、抑制法4、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？答：我国目前能源环境现状：一、能源丰富而人均消费量少我国能源虽然丰富，但是分布不均匀，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。
冉景煜版 工程燃烧学--第 04 章
T2
如果已知标准反应热Δh0r，298，则可利用此式计算出任何
温度下的反应热Δhr。
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重庆大学能源与环境研究所
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单位为：kJ/mol。
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生成物为液态、气态时标准燃烧热是不同的， 其值相差气化潜热。
书中表4-2列出了某些燃料在等温等压条件下的标准燃
烧热，完全燃烧产物为H2O(l)、CO2 (g)和N2(g)。
注意标准生成热：稳定的单质物质 化合成 标准状态下 1摩尔物质
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CO (g) + 1/2 O2 (g) = CO2 (g) ；Δh0f,298 = -282.84 kJ/mol
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二、热化学定律
在工程实际中常常会遇到有些难于控制和难于测定其 热效应的反应；
[西安交大燃烧学课件]燃烧学讲义2009-第四章液体
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第四章液体燃料的燃烧4.1 油燃烧特点4.2 油的雾化4.3 油滴燃烧过程4.4 油雾炬燃烧4.5 油燃烧的组织及调风器4.1 油燃烧特点雾化燃烧油燃烧是一个复杂的物理化学过程，由于油沸点低于其燃点，因此油滴总是先蒸发成气体，并以气态的方式进行燃烧。
包含：雾化、受热蒸发、扩散混合、着火燃烧雾化：燃料→细滴→油雾炬，雾滴粒径↓，表面积↑有利于油滴的气化过程，同时也有利于与空气的混合，保证燃烧质量。
蒸发：油滴受热后表面开始蒸发→油蒸汽 扩散混合：燃油蒸汽与周围空气互相扩散与混合燃烧：油蒸汽与空气混合物达到着火温度后，开始燃烧。
在燃烧过程中，油滴内部继续受热蒸发→扩散混合→新油气空气混合物取代已散逸燃烧产物→继续燃烧→油滴燃尽1.油滴2.油蒸汽区3.燃烧区4.外部5.油蒸汽浓度6.氧气浓度7.温度1234567限制油滴燃烧的主要因素是与空气的混合速度，即取决于空气向油滴表面扩散所需的时间，属扩散燃烧。
物理化学过程：雾化→三传→受热蒸发→着火→燃尽4.2 油的雾化雾化效果影响了油燃烧的快慢及燃烧质量，因此油的雾化是其燃烧过程中一个重要因素。
1、雾化评价指标2、雾化器4.2.1 雾化评价指标①雾化粒度：表示油滴颗粒大小的指标( <100μm )表示油滴颗粒大小的指标，有平均直径，最大直径，中值直径等，常用平均直径法（又包含算术平均法，表面积平均法，体积平均法，质量平均法径等）索太尔平均直径（S.M.D）32 i i i i n d n d=∑∑（体面积平均直径）粒度分布的表达形式表格形式（离散） 直方图（离散）函数形式（连续）微分型（频率分布）积分型（累积分布）2468100.000.050.100.150.200.25f (d p )d p()()()p p p d d d dF d f =()()()∫=dpp p p d d d f d F 02468100.00.20.40.60.81.0D(d p )R(d p )F (d p )d p累积分布又分为筛上分布和筛下分布筛上分布筛下分布R (d p )+D (d p )=1工程破碎过程常使用Rosin-Rammler 分布积分分布微分分布()n p d d p e d F ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=()()()∫=maxdp dp p p p d d d f d R ()()()∫=dpdp p p p d d d f d D min ()np d d n n p p ed d n d f ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=1②雾化油滴均匀性粒度均匀性指标100exp ()%n d d R d ⎡⎤=−⎢⎥⎣⎦R d ：液滴群中，颗粒直径大于d 的质量分数n ：均匀系数，一般数值2~4。
燃烧学—第四章3
安全工程学院：齐黎明
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《燃烧学》--第四章
表4-10
混合物 2H2＋O2
化学计量比的氢-氧混合物的爆轰波速表
安全工程学院：齐黎明
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《燃烧学》--第四章
4.5.2激波的性质
激波运动的速度与激波强度
设某时刻t，激波前进到2截面处， 波前参数为p1，ρ1，T1， 波后参数为p2，ρ2，T2。 激波前进的速度为V激，波后气体运动的速度为ΔV。 设dt时间后，激波由2截面前进到1截面，于是1-2截面间的距离为
安全工程学院：齐黎明
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《燃烧学》--第四章
微弱压缩波可以叠加在一起，成为一道强的压缩波—激波 但是，膨胀波则不再叠加在一起，变成一道“强的”膨胀波。 越靠后的膨胀波运动速度越小，后面的膨胀波永远也赶不上 前面的膨胀波。各膨胀波之间的距离将越来越大，故膨胀波 不能像压缩波那样集中或叠加在一起，形成一道强的膨胀波。
安全工程学院：齐黎明
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《燃烧学》--第四章
当管子足够长时，后面的压缩波就有可能一 个赶上一个，最后重叠在一起，形成激波。激波 一定在开始形成的正常火焰前面产生。 一旦激波形成，由于激波后面压力非常高， 使未燃混气着火。经过一段时间以后，正常火焰 传播与激波引起的燃烧合二为一。于是激波传播 到哪里，哪里的混气就着火，火焰传播速度与激 波速度相同。 激波后的已燃气体又连续向前传递一系列的 压缩波，并不断提供能量以阻止激波强度的衰减， 从而得到一稳定的爆轰波。
安全工程学院：齐黎明
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《燃烧学》--第四章
在AA与BB之间，是从时刻0起到时刻t1这段时间内
活塞连续做加速运动, 形成的无穷多道微弱压缩波 每一道压缩波经过气体，气体的压强、密度和温度就有一 个微小的提高，并获得一个微小的向前运动的速度增量
哈工大能源学院高等燃烧学课件-燃烧理论-4-1
波前和波后的参数值反映了波内的物理过程。
爆震波和缓燃波参数的比较（C1=音速） 参数 爆震波 缓燃波
u1/ C1
u2/ u1 P2/ P1 T2/ T1 ρ2/ρ1
5~10
0.4~0.7(减速) 13~55（压缩） 8~21（加热） 1.7~2.6 （压缩）
0.0001~0.03
4~16（加速） ~0.98（略膨胀） 4~6（加热） 0.06~0.25（膨胀）
在一端或两端都开口的管中充满预混气：
在开口点燃：一个燃烧波产生并向另一端传播，燃烧波可以达 到一个稳定的速度，不会加速形成爆震波。 在封闭端点燃：反应后的炽热气体像一个活塞，把反应前沿推 向未燃气，这类波可以加速变成爆震波。
二、Hugoniot 曲线
假设：1）定常一维流动； 2）忽略体积力； 3）没有外部加热或向外散热； 4）忽略成分的相互扩散。
n ATg exp( E / RTg )
当
Nu * 2,
Nu * ~ (u d p )1 / 2 u ~ dp
d p ~ Tg n exp(E / RTg )
对不变的Tg 对不变的u
液滴着火和灭火的简化分析（续）
• 用类似方法可导出灭火条件 • 也有既不能着火，但燃烧时也不灭火的参数条件 • Tg比Yox对着火影响强， Yox比Tg 对灭火影响强
定义对同样的燃料若环境温度和氧浓度不变忽略nu的变化则滴径平方的线性递减率成立s200微米液滴寿命004秒液滴生存时间蒸发常数无论有无燃烧液滴蒸发率均与反应动力学无关只有对不变的环境氧浓度温度和nu数滴径平方的线性递减率成立液滴蒸发和燃烧有四种状态
第四章液体燃料滴的燃烧
第一节 引言 • 基本现象1: 液体燃料燃烧有液面燃烧, 液雾燃烧, 预蒸发燃烧 • 基本现象2: 液体燃料燃烧经常发生于气 相, 经常是扩散燃烧, 燃烧速率和液体密 度成反比 • 液雾燃烧本身又有预蒸发燃烧, 液滴扩 散燃烧以及二者的混合 • 对液雾燃烧而言, 研究液滴的蒸发和燃 烧是重要的
燃烧学讲义-第4章燃烧物理基础
〔3〕除壁面附近的流动外，出现湍流切应 力最大值的地方，速度梯度 d w x 也最大。
dy
〔4〕切应力的正负符号与 d w x 的一样。
dy
等效湍流粘性力假设
Bossinesq假定湍流附加切应力也正比于平 均的横向速度梯度，并引进等效湍流粘性系 数 t和 t
wywx
t
dwx dy
t
dwx dy
是流体的物性，一般为常数，虽流体种 类和温度T而改变.
t 不是流体物性，而是湍流的特性。 ∴ t = f(Re, x, y, z, 粗糙度)
一般t通过实验求得。
引入一个实验确定的量l或t，使得方程组变
为：
连续方程与动量方程，方程数为3+1=4
4个未知量
3个时均速度 1个时均压力
w x w y wz
等效湍流粘性力假设〔0方程模 型〕
普朗特假定
湍流切应力的大小是由流体微团速度脉动wy´引起的在 l 范围内横向动量转移来确定的。
y+l
wx ( y l) 通过单位横向面积 df dxdz 的
w2
y
wx ( y)
流体质量应为 wy
y-l
w1
wx ( y l)
x
横向转移的动量为 (wy )wx 经时均化处理后 wywx
认为：在混合长度范围内wx´≈wy´≈wz´是同一个数量级， 那么 w w1x'w 12x((|y)w 1w |x(|yw12)| ) ddw yxl w x1 2(d d w yxld d w yxl)d d w yxlw yw z
w2wx(yl)wx(y)ddw yxl
普朗特假定
湍流切应力
wywxl2ddw yx2l2
高等燃烧学
教学目的1掌握多元混合反应系统条件下，在全混流以及柱塞流反应器中构造燃烧模型的方法2逐步学会在多元混合系统条件下构造复杂燃烧反应模型的方法3掌握进行着火、火焰传播和火焰稳定性研究的经典燃烧学理论和研究方法4逐步学会自己搭建实验系统或设计反应模型进行燃烧过程研究的方法燃烧学的背景知识化学热力学；化学反应动力学；物理学；流体力学；传热学；传质学燃烧过程的理论模化目的：1模拟燃烧过程并发展对各种条件下燃烧行为的预测模型2解释和理解所观察到的燃烧现象3取代困难或昂贵的试验4指导燃烧试验的设计5有助于确定各独立参数对燃烧过程的影响燃烧模型的基本组成围绕【控制方程1、守恒方程2、输运方程】的条件：1初始条件；2状态方程；3动力学参数；4材料性质和结构特性；5经验知识；6热力学和输运特性；7边界条件。
湍流问题的另外考虑1湍流流体微团的输运——湍流力学课程讲授：湍流动能的输运；湍流动能和耗散率的输运；雷诺应力的输运；概率密度函数的输运；瞬时脉动量的输运。
随着湍流模型的发展还会有其它物理量输运。
2湍流反应流的处理：统计矩方法——统计求解平均化学反应速率；概率密度函数法——应用联合PDF方程封闭方程组。
教学内容1化学热力学2化学动力学和反应器理论3多组分反应系统的守恒方程4预混气体的缓燃波和爆震波5气体的层流火焰6湍流火焰7两相流燃烧理论基础8点火理论9实际火焰中煤的燃烧理论学时安排1.化学热力学4学时2.化学动力学和反应器理论7学时（含1学时讨论课）3.多组分反应系统的守恒方程7学时（含1学时讨论课）4.预混气体的缓燃波和爆震波4学时5.气体的层流火焰5学时（含1学时讨论课）6.湍流火焰2学时7.两相流燃烧理论基础7学时（含1学时讨论课）8.点火理论4学时9.实际火焰中煤的燃烧理论5学时（含1学时讨论课）参考资料课程内容主参考书：《燃烧原理》，陈义良等，航空工业出版社；《粉煤燃烧与气化》，J.G.斯穆特，科学出版社；《燃烧物理学基础》，付维彪等，机械工业出版社辅助参考书：《燃烧理论与化学流体力学》，周力行，科学出版社；《高等燃烧学》，岑可法等，浙江大学出版社；《化工热力学》；《化学反应工程学》第一章 化学热力学1、本章学习提示（1）燃烧过程的特点：1反应中放出大量热能2具有较高的反应速率3高温下存在反应离解和平衡（2）能量的变化机理：1旧化学键的分裂——吸收一定的能量；2新化学键的建立——放出一定的能量；3键能的差额——反应中的能量变化（3）在燃烧学中，化学热力学解决燃烧过程中能量变化的数量、方向和化学平衡问题（4）在研究生阶段，重点解决存在化学平衡的高温反应条件下能量变化的数量、方向和化学平衡问题需要同学们学习的内容1如何定量描述化学反应的放热量？2在反应物和产物确定的情况下如何求解燃烧反应放热？3如何确定燃烧的反应产物组成及反应进行的程度？4如何求解绝热燃烧温度？5如何提出实际气体的状态方程？专题一 如何定量描述反应放热2、有关概念的回顾化合物的生成焓定义：当化学元素在化学反应中构成一种化合物时生成或吸收的能量。
高等燃烧学
即
q g ql C P
dT d
15
Tc——着火温度
图3-5 非绝热条件下的热量平衡
16
a点—稳定点；b点—平衡点，不稳定点；c点—不稳定点，着火临界点
二、非绝热条件下的自燃过程
自燃的临界条件：
(q g ) C (ql ) C
dql ( )C ( )C dT dT dqg
17
氧化的极限状态，即为点燃的临界状态。
dT ( )w 0 dx
（4 ）
（1）（3）（4）联立，可求解。 但分析解很难，只能求近似解。
28
温度不同的热物体点燃时的温度分布
二、点燃热力理论
◆
双区理论：
反应区 —— 反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。 导热区 —— 不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。
图3-4 绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化
二、非绝热条件下的自燃过程
非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热 和放热综合作用的结果。 散热
即各组分扩散速度的总和不为 0 。 q S (T T ) / V
l 0
能量平衡 Vq g [ C PV dT S (T T0 )] 0
三、自燃界限
T0c——自燃温度，一般 T0c≈TC ⑴ 维持着火的燃料浓度限 ⑵ 一定p，T↓或一定T，p↓→着火范围变窄 ⑶ 一定p，T↓↓或一定T，p↓↓→任意浓度下 不会着火
⑷ 容器散热程度↑→着火范围变窄
18
三、自燃界限
19
图3-12 一定压力下着火温度与成分的关系
三、自燃界限
9
dC dT ) C pV 0 d d
南京工业大学燃烧与爆炸理论第四章 预混气体的着火理论
活化中心形成的速度
初始条件
? 求解，得
整个分枝链锁反应的速度
图4-7 分枝链锁反应速度在等温下随时间的变化规律
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
? 在低温时，由于链的分枝速度很缓慢， 而链的中断速度却很快，f ? g ， 则 ??0 。
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
? 这时，活化中心浓度和反应速度却随着 时间而急剧地增长。
? 当时间趋于无限长时，两者都趋向于无 限大，故反应就会由于活化中心不断积 累而自行加速产生所谓“链锁自燃”现 象。
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
? 因为W1值很小，故感应期内反应很缓慢， 甚至观察不出；
? 而后由于活化中心迅速增殖导致速度猛 烈地增长形成爆燃；
? 它认为燃烧的着火过程中既有出于热量积 累产生升温而使反应加速的现象，也有在 温度变化很小的每一瞬间由于链锁分枝而 使反应加速的现象。
? 当时间趋于无限长时，活化中心浓度和 反应速度都将趋于一个定值，即当? ? ?
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
? 随着温度的增高，链的分枝速度不断增
加而中断速度却几乎没有改变， ? ? f ? g 值就逐渐增大，且成为正值，并随着温
度升高愈大愈大。
2. 不同温度时，分枝链锁 反应速度随时间的变化
? 所谓感应期就是指反应速度由几乎为零 增大到可以察觉到的一定数值时所需的 时间。
感应期
? 当 W ? W?i
时
? 因在感应期内 ? 较大，故 e??i ? 1 ，同 时可认为 ? ? f ，则上式就可写成
?
或
感应期
? 事实上，在一定组成、温度和压力下ln W?i
消防燃烧学第四章
免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。
本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。
并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。
由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。
西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞 2012、5、28第四章1第四章 可燃气体的燃烧在石油化工企业生产中，会产生各种可燃气体，或使用可燃气体作原料。
可燃气体燃烧会引起爆炸，在特定条件下还会引起爆轰，对设备等造成严重破坏。
因此研究气体燃烧规律，对消防安全工作具有重要意义。
第一节预混气中火焰的传播理论火焰(即燃烧波)在预混气中传播，从气体动力学理论可以证明存在两种传播方式：正常火焰传播和爆轰。
一、物理模型与雨果尼特方程设有一圆管，管中充满静止可燃混气。
若管中某处有一火源，使混气着火，火焰就会在混气中传播。
假定火焰从右向左传播，如果混气不是静止的，而是自左向右流动，流速为∞u ，它刚好与火焰传播速度大小相等，方向相反，那么火焰相对于管壁就会驻定下来，为分析简单，只研究驻定情况，其物理模型见图4—1。
图中P 、ρ、T 、u 分别表示混气压力、密度、温度和速度。
下标“∞。
”表示是未燃混气参数；下标“P ”表示是已燃气体参数。
上述物理模型中气体各参数，在一定近似假定条件下，根据气体动力学理论，它们应满足以下方程式：q P P P P K K PP P P =----⨯-∞∞∞∞)11)((21)(1ρρρρ (4—1) 2222211P P P P u u m P P ρρρρ-=-=-=--∞∞∞∞ (4—2) 方程式(4—1)称雨果尼特方程，式中K 是热容比，它的物理意义是等压热容与等容热容之比，即VP C C K =，对于空气，K=1.4。
燃烧学 第四章 燃烧物理学基础-PPT精品文档
四、扩散方程
• 对于定常情况
fs fs fs u x y z
f f f s s s D D D s s s s x x y y z z
其中：
T q fsV h s s y s
h h T s os , ps ,d C
0
T
包括显焓和生成焓（即化学焓）两部分
三、三个重要的无量纲数
普朗特数 斯密特数 刘易斯数
P r va / C p/
S c vD / / D
L eP r / S c D / a
fs D xyzt s y y
fs D xyz t s z z
四、扩散方程
• 在同一时间内，微元体内由于化学反应使得s组分的生成或
•
消耗为w， 同一时间内微元体内s组分的质量随时间的变化
fs xyzt t
四、扩散方程
f u f f f s s s s t x y z
f f f s s s D D D s s s s x x y y z z
二、扩散定律
• 在多组分混合物中，通过一个微元表面，各组分
扩散的物质流之和为零
s s s s s s
J g f g f g g 0
s s
V
s s
s
0
二、扩散定律
• 多组分气体的导热问题不同于单组分气体的导热定律所描
述的那样，它除了由于温度梯度所造成的热流之外，还应 当有扩散的物质流所携带的焓值。即对普通的傅立叶导热 定律应进行修正，而成为修正的傅立叶导热定律
燃烧学导论第四章习题答案
习题4-6已知: 总包反应: C 4H 10+aO 2 Products反应级数: 丁烷 0.15, 氧气 1.6A=4.16×109(kmol/m 3)-0.75/sE A =125,500 kJ/kmol求: 丁烷消耗速度的表达式 d[C 4H 10]/dt解: 根据总包反应的速率定义(方程4.2) 和Ahrrenius 反应速率常数的定义 (方程4.18):nmO H C k dtH C d ][][][2104104-= or6.1215.0104104][]][/exp[][O H C T R E A dtH C d u A --=代入数据得到:6.1215.01049104][]][/500,125exp[1016.4][O H C T R dtH C d u -⋅-=习题4-10已知: ]/9835exp[1082.25T T K r -⨯= (针对反应: M H CHM CH ++⇔+34)平衡常数:003691.0)1500(=K K p求:正反应速率常数K f 的表达式和1500 K 时的值 解: 在平衡状态下,]][][[]][[34M H CH k M CHk r f =或者][]][[]][[]][][[4343CH H CH M CH M H CH k krf==由于 [x i ]=P i /R u T ,上式变换为, T R P K TR P P P k k u op u CH H CH rf /143==(根据2.63式K p 的定义)因此, T R P K k k u op r f /= 在 1500 K 下,563f 232.8210(1500)exp[9835/1500](0.003691)101,325mkmolmk 18.08315(1500)kmol s mkmol s?==习题 4-18530COu P [CO ] 6.710kmol /mR T c -==530OHu P [OH ] 2.2410kmol /mR T c -==25320O u P [O ] 3.910kmol /mR Tc -==1131k 410cm /mol s=732k 1.49610cm /mol s =根据书上4.74式(计算时，自然对数不能为负，因此，要根据情况来确定[A]0和[B]0对应的物质种类)可以51 4.2610s t -=21.29s t=。
消防燃烧学 第2版 第4章 可燃液体燃烧
汽化
液体
蒸气
液化
在密闭真空容器中，经过一段时间，气液转化会达到动态平衡 状态，即液体蒸发速率等于蒸气凝结速率。
一、蒸发热
使液体在恒温恒压下气化或蒸发所必须 吸收的热量，被称为液体的 气化热或蒸发热。
一定温度压力下1mol液体的蒸发热称为摩尔蒸发热，以△HV表示。 一般来说，液体分子间引力越大，其蒸发热越大，液体越难蒸发。
（1）液面温度接近但稍低于液体的沸点。
（2）液面加热层很薄。
二、可燃液体的燃烧形式
（三）沸溢式燃烧和喷溅式燃烧 3.原油燃烧时热量在液层的传播特点 原油等沸程较宽的可燃混合液体连续燃烧的过程中，其中沸点较低的轻质部 分首先被蒸发，离开液面进入燃烧区。而沸点较高的重质部分，则携带在表面接 受的热量向液体深层沉降，从而形成一个热的锋面向液体深层传播，逐渐深入并 加热冷的液层。这一现象称为液体的热波特性，热的锋面称为热波。 液体能形成热波的特性称为热波特性。
二、可燃液体的燃烧形式
（三）沸溢式燃烧和喷溅式燃烧 3.原油燃烧时热量在液层的传播特点 热波的初始温度等于液面的温度，等于该时刻原油中最轻组分的沸点。随着 原油的连续燃烧，液面蒸发组分的沸点越来越高，热波的温度会由150℃逐渐上 升到315℃。 热波在液层中向下移动的速率称为热波传播速率，它比液体的直线燃烧速率 （即液面下降速率）快。
蒸发 燃烧
2.可燃液体的喷流式燃烧 在压力作用下，从容器或管道内喷
射出来的可燃液体呈喷流式燃烧（如油 井井喷火灾、高压容器火灾等）。具有 冲击力大，燃烧速率快，火焰高等特点。
二、可燃液体的燃烧形式
（二）动力燃 烧 可燃液体的蒸气、低闪点液雾预先与空气（或氧气）混合，遇火源、煤油等挥发性较强的烃类在汽缸内的燃烧；煤油汽 灯的燃烧速率之所以大于一般煤油灯的燃烧速率，因为它是预混燃烧，氧 化充分，表现出火焰白亮、炽热的燃烧现象。
燃烧学—第4章2
❖ 比如：H2+N2, CO+CO2, CH4 ❖ 该组在混合气体中的体积百分含量为该组中惰性气体和可燃
气体体积百分含量之和。 ❖ 而该组气体的爆炸极限可先列出该组惰性气体与可燃气的组
合比值，再从图中查出该组气体的爆炸极限，然后代入莱— 夏特尔公式进行计算。
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
3
在爆炸极限时，β＝1
1 Q 1
E
《燃烧学》--第四章
设爆炸下限为L下（体积百分比）与反应概率α成正比，
即
KL下
1 ＝K1＋Q L下 E
当Q与E相比较大时，上式可近似写做
1 ＝K Q
L下
E
各可燃气体的活化能变化不大，可大体上得出 ：
4）设总的可燃混气的爆炸下限为x下。则有
x下＝
V V'
100%
V
100%
V1 100 V2 100 V3 100 Vi 100
x1下
x2下
x3下
xi下
（5）设
100
%
V1 /V 100 V2 /V 100 V3 /V 100 Vi /V 100
解： 乙烷：P1=40% 丁烷：P2=60%
x下＝
100 40 60
%
2.0%
3 1.6
x上＝
100 40 60
% 9.7%
12.5 8.5
混合气中可燃气浓度：1/（1+19）=5%
2.0% < 5% < 9.7%
故，该混合气体遇火爆炸。
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高等燃烧学王辉2016-11第四章预混气体燃烧中的爆震波和缓燃波1、本章学习提示⏹爆震波和缓燃波的概念及其产生机理定性分析⏹雨果尼奥曲线的导出及曲线的性质⏹C-J爆震波的速度⏹爆震波的结构⏹可燃气中缓燃波转变为爆震波的机理⏹爆震极限需要同学们学习的内容⏹什么是爆震波和缓燃波?⏹如何利用雨果尼奥曲线分析爆震波和缓燃波?⏹了解C-J爆震速度的计算⏹认识爆震波的结构⏹认识可燃气中缓燃波转变为爆震波的机理⏹什么是爆震极限？什么是爆震波和缓燃波?2、燃烧火焰的基本类型回顾⏹燃烧过程中的化学反应区通常被称为“火焰区域flamezone”、“火焰锋面flame front”、“反应波reaction wave”等⏹火焰一般分为两种类型预混火焰：反应前，反应物已经充分混合☐☐扩散火焰：反应中，反应物相互扩散依据燃烧波的存在及其在反应混合物中的传播速度，预混⏹气体的反应一般可分为三类☐爆炸：放热速率极快，在可燃介质中并不是以燃烧波形式推进D fl i☐缓燃：Deflagration,燃烧波以亚音速传播（火焰正常传播、正常燃烧）☐爆震：Detonation,燃烧波以超音速传播缓燃波和爆震波的区别缓燃：⏹火焰正常传播是依靠导热使未燃混气温度升高（或由于扩散使活化的中间产物输运到未燃混气中）而引起反应，从而使燃烧波不断向未燃混气中推进。
1~3m/s⏹这种传播形式的传播速度，一般不大于13m/s。
⏹传播是稳定的，在一定的物化条件下（例如浓度、温度、压力、混合比），其传播速度是一不变的常数。
爆震：⏹而爆震燃烧波的传播不是通过传热传质发生的，它是依靠激波的压缩作用使未燃混气的温度升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃混气中推进。
⏹这种形式的传播速度很高，常大于1000m/s ，这与正常火焰传播速度形成了明显的对照。
⏹其传播过程也是稳定的。
3、爆震波和缓燃波的定性区别以一维管流为例：无限长管道中的情况：p1ρ1p2ρ2 u1u2T1 h1T2h2波前波后燃烧波以u1向左运动，可以看作未燃气以u1向燃烧波运动，而波前是静止的（把坐标系固定在燃烧波上）。
在上图中：下标1表示未燃气参数（波前）下标2表示已燃气参数（波后）。
速度u1、u2是相对于固定在静止波上的坐标系定义的。
波前和波后的参数值反映了波内的物理过程。
=音速）爆震波和缓燃波参数的比较（c1参数爆震波缓燃波u/ c5~100.0001~0.0311u2/ u10.4~0.7(减速)4~16（加速）/ p113~55（压缩）~0.98（略膨胀）p2T/ T8~214~6（加热）（加热）21ρ2/ρ1 1.7~2.6 （压缩）0.06~0.25（膨胀）由表可见：（1）对于爆震波，从未燃气体到已燃气体，压力、密度都是增加的，速度是减小的，爆震波使已燃气体跟着燃烧波运动。
是压缩波。
（2）对于缓燃波，未燃气体到已燃气体，其压力、密度都是减少的，速度是增加的，缓燃波使已燃气体背向燃烧波运动。
是膨胀波。
4、实现爆震或者缓燃波的条件⏹在一端或两端都开口的管中充满预混气：⏹在开口点燃☐一个燃烧波产生并向另一端传播，燃烧波可以达到一个稳定的速度，不会加速形成爆震波。
⏹在封闭端点燃☐反应后的炽热气体像一个活塞，把反应前沿推向未燃气，这类波可以加速变成爆震波。
如何利用雨果尼奥曲线分析爆震波和缓燃波?5、雨果尼奥曲线雨果尼奥曲线考察一种最简单的情况，即一维定常运动⏹的平面波⏹假设☐混气的流动（或燃烧波的传播速度）是一维的稳定流动☐忽略体积力，没有外部加热或向外散热，且杜福效应和成分相互扩散的影响可忽略☐混气为完全气体；其燃烧前后的定压比热C p为常数；其分子量也保持不变；反应区相对于管子的特征尺寸（如管径）是很小的。
☐与管壁无摩擦，无热交换另外还有理想气体的状态方程：RT =22200p ρ=-12nq h h 0,i f ih Y h =∆∑1i =6、Hugoniot 曲线的性质H i t ⏹Hugoniot 曲线是在初始状态（1/ρ1，p 1）和q 值给定时，由所有可能的终了状态（1/ρ2，p 2）构成的一条曲线。
⏹点（1/，）称为曲线的原点。
ρ1p 1⏹曲线给出了Hugoniot 方程所有可能的解，但由于物理原因，并非所有的解在实际上都能成立。
⏹图中点（1/ρ1，p 1）是初始状态，过点（1/ρ1，p 1）分别作p 2轴和1/ρ2轴的平行线，即图中垂直和水平的两条虚线。
将坐标平面分成四个区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）。
⏹再过点（1/ρ1，p 1）作Hugoniot 曲线的两条切线，曲线上的两个切点称为查普曼-焦格特（Chapman-Jouguest ）点，简称C-J 点，即图中的B 、G 点。
⏹图中画出了点A ，B ，C ，D ，E ，F ，G ，H 作为可能的解。
分析⏹如混气的初始状态确定，则最终状态必须同时满足Rayleigh方程和Hugoniot方程的约束，即工作点应该在两条曲线的交点上⏹由Rayleigh方程分析可知，该直线的斜率为负值，通过（1/ 1，p1）点的两垂直直线是Rayleigh直线的极限情况，Hugoniot曲线中的DE段没有物理意义，整个II和IV区是没有物理意义的⏹I区是爆震区，III区是缓燃区分析⏹Rayleigh直线和Hugohiot曲线分别相切于B和G点。
C-J C-J⏹B点称为上C J点，具有终点B的波称为C J爆震波。
AB段称为强爆震，BD段称为弱爆震。
⏹绝大多数条件下，自发产程的爆震波多是C-J爆震波，但人工超音速燃烧可以造成强爆震波。
⏹G点称为下C-J点，具有终点为G的波称为C-J缓燃波。
EG段为弱缓燃波，GH段为强缓燃波。
⏹实验指出，大多数的火焰都接近于等压过程，因此强缓燃≈0。
波是不能发生的，有意义的将是弱缓燃波，此时Ma1⏹当q=0时，则Hugoniot曲线通过初始点，这就是普通的力学激波。
Ⅰ1/2<1/在区，ρ2 ρ1，因此有："2121(1/1/)0u u mρρ-=-< 或者：u 1 > u 2这里u 2和u 1分别是燃气和未燃气相对于爆震波的速度。
如果把坐标系固定在试验台上，在此坐标系中爆震波在静止管道内以相对速度V w 运动。
爆震波前后气体的绝对速度的方向w 如下图所示：绝对速度与相对速度的关系为：Vv 1= V w-u1v2= V w–u2u2和u1在图中所示的方向（向右）是正的，而v1和v2在图中向左是正的。
因为我们假定了未燃气的绝对速度v1 = 0，u1= V w，根据不等式有：v2= V w–u2= u1 -u2 > 0从物理上说，这个式子意味着爆震波后已燃气有随波运动的趋势下面看一下已燃气能否追得上波的运动由上面v2表达式，爆震波速Vw可表示成u2和v2之和。
而在C-J点上u2= c2，所以有：V w= v2+ c2> c2可见，C-J爆震波是以超音速向前运动另一方面，Vw >v2，虽然已燃气也在与爆震波以相同的方向运动，但它绝对追不上爆震波。
对于AB段：强爆震波区已燃气的压力比C-J爆震波的压力高当通过一强爆震波时，气体相对于波前沿的速度显著降低，超音速变成了亚音速但此时，压力和密度明显增高。
→∞的强爆震波在物理上是不可能的。
p2实际上，强爆震波也很少见，因为它需要强度非常大的装置产生超强度的激波。
对于BD段：弱爆震波区已燃气的压力比C-J爆震波的压力小当通过一弱爆震波时，气体相对于波前沿的速度降低，但已燃气的速度仍为超音速等容的弱爆震波对应于无穷大的波速，在物理上是不可能的实际上，弱爆震波也很少见，因为它需要非常大的化学反应速率绝大多数实验条件下，真实的爆震波都是查普曼-焦格特波在Ⅲ区，对于EG段：弱缓燃波区已燃气的压力比C-J缓燃波的压力大，但比容小当通过一弱缓燃波时，气体相对于波前沿的速度从低亚音速加速到高亚音速等压的弱缓燃波的波速等于零（由瑞利公式）绝大多数实验条件下，已燃区的压力比未燃区稍低。
对于GH段：强缓燃波区当通过一弱缓燃波时，气体相对于波前沿的速度从低亚音速加速到超音速从波的结构考虑，不可能在等截面管道中出现从亚音速到超音速的情况实验条件下从未观察到强缓燃波的存在。
爆震波汇总（1）强爆震波（可能）波前超音速，波后亚音速，需要一个强度非常大的装置用以产生一个超强度的激波。
很少看到。
（2）C-J爆震（发生），绝大多数爆震都是。
（3）弱爆震波（不可能）波前超音速，波后超音速。
违反热力学第二定律。
（4）弱缓燃波（发生）波前低亚音速，波后高亚音速。
（5）C-J缓燃（可能），从未观察到。
（6）强缓燃波（不可能）波前亚音速，波后超音速。
违反热力学第二定律。
——Chapman-Jouguet假说：只有（1）（2）（4）（5）是可能的。
爆震速度的确定爆震速度的定义⏹延续前面有关一维爆震波的讨论，加入一条假设：已燃气体的压力要远远大于未燃混合物的压力，也就是p 2>>p 1。
这里定义爆震速度⏹定义☐以爆震波为参考系下，未燃混合物进入爆震波的速度。
☐在一维爆震波前面的描述中，这一速度相当于u 1。
==⋅42.995/29.79 1.443/()kJ kg K。