燃烧学课件_第五章 多组分反应流体守恒方程
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【安全课件】第5章可燃液体的燃烧
1.直径在什么范围时，燃烧速度随直径增加而减小？ 2.直径在什么范围时，燃烧速度和直径无关？ 3.直径在什么范围时，燃烧速度随直径增加而增大？
（三）影响燃烧速度的因素
1.液体的初温t1 2.容器直径 3.液体高度：液面距离容器上口边缘的距离 4.液体含水量 5.有机同系物液体密度（挥发性大小） 6.风的影响
第三节 液体的着火
一、可燃的液体的引燃、火焰传播速度的影响因素 二、可燃的液体的自燃、自燃点及影响因素 三、同系物自然点的变化规律
一、可燃的液体的引燃
可燃液体蒸气和空气的混合物在一定温度下，与火源接触发生连续燃烧的现象
（一）引燃的条件 （可燃液体的蒸发速率大小）
实如际果液引体燃蒸成发功速，度则：液体c液接G体l受 的f到蒸的Q发E总热热Ql量
G
Q ''
LV CP (t2 t1)
3.液体高度
4.液体含水量
5.有机同系物液体密度（挥发性大小）
6.风的影响
2.容器直径对燃烧速度的影响 G
Q ''
Q F qcond qconv qrad
LV CP (t2 t1)
qcond K1D(TF TL )
qconv
K2
D 2
4
(TF
三、混合液体闪点
1.两种完全互溶可燃液体的闪点低于平均值，且接近含量大组分的闪点
2. 不可燃液体的加入，使可燃液体的闪点升高
四、闪点计算
1.波道查公式 2.根据碳原子数 3.道尔顿---所需氧原子数 4.根据布里诺夫公式计算 5.利用爆炸下限计算闪点 6.根据克-克方程计算闪点
四、闪点计算
1.波道查公式 t f 0.6946tb 73.7(单位为OC)
燃烧理论基础ppt课件
微波燃烧
微波燃烧是一种新型的热工技术，利用微波电磁场与燃料 的相互作用产生热量，实现燃料的快速、高效燃烧。微波 燃烧具有低污染、高效率和节能等优点。
06
未来展望
清洁能源的发展
清洁能源
随着环境保护意识的提高，清洁能源的发展越来越受到重视。未来，化石燃料的使用将逐渐减少，取而代之的是 太阳能、风能、水能等可再生能源。
02
燃烧化学
燃烧反应方程
燃烧反应方程是表示燃烧过程中物质 变化和能量转换的数学表达式。它由 反应物和生成物的化学式及其相应的 反应系数组成，遵循质量守恒和能量 守恒定律。
燃烧反应方程可以用来表示燃料与氧 气或其他氧化剂反应生成二氧化碳、 水蒸气等产物的过程，如C + O2 → CO2 + H2O。
热工仪表
热工仪表用于监测和控制燃烧系统的运行状态，包括温度计、压力计、流量计、氧分析仪 等。这些仪表能够实时监测燃烧过程中的各种参数，如温度、压力、流量和含氧量等。
燃烧控制技术
01
空燃比控制
空燃比是燃料和空气的混合比例，合适的空燃比是保证燃烧效率和经济
性的关键。通过控制燃料和空气的流量，可以调节空燃比，使燃烧过程
燃烧温度
01
燃烧温度是指燃烧过程中火焰或 反应区的温度，它与燃料的种类 、空气的供给、燃烧方式等因素 有关。
02
燃烧温度的高低直接影响到燃烧 产物的组成和燃烧效率，过高或 过低的温度都不利于燃烧过程的 进行。
燃烧产物
燃烧产物是指燃料在燃烧过程中产生 的气体、烟尘和灰渣等物质，它们由 燃料中的可燃元素转化而来。
可持续发展的重要性
资源节约
可持续发展强调资源的合理利用和节约，通过提高能源利用效率和减少浪费，实现经济、 社会和环境的协调发展。
微波燃烧是一种新型的热工技术，利用微波电磁场与燃料 的相互作用产生热量，实现燃料的快速、高效燃烧。微波 燃烧具有低污染、高效率和节能等优点。
06
未来展望
清洁能源的发展
清洁能源
随着环境保护意识的提高，清洁能源的发展越来越受到重视。未来，化石燃料的使用将逐渐减少，取而代之的是 太阳能、风能、水能等可再生能源。
02
燃烧化学
燃烧反应方程
燃烧反应方程是表示燃烧过程中物质 变化和能量转换的数学表达式。它由 反应物和生成物的化学式及其相应的 反应系数组成，遵循质量守恒和能量 守恒定律。
燃烧反应方程可以用来表示燃料与氧 气或其他氧化剂反应生成二氧化碳、 水蒸气等产物的过程，如C + O2 → CO2 + H2O。
热工仪表
热工仪表用于监测和控制燃烧系统的运行状态，包括温度计、压力计、流量计、氧分析仪 等。这些仪表能够实时监测燃烧过程中的各种参数，如温度、压力、流量和含氧量等。
燃烧控制技术
01
空燃比控制
空燃比是燃料和空气的混合比例，合适的空燃比是保证燃烧效率和经济
性的关键。通过控制燃料和空气的流量，可以调节空燃比，使燃烧过程
燃烧温度
01
燃烧温度是指燃烧过程中火焰或 反应区的温度，它与燃料的种类 、空气的供给、燃烧方式等因素 有关。
02
燃烧温度的高低直接影响到燃烧 产物的组成和燃烧效率，过高或 过低的温度都不利于燃烧过程的 进行。
燃烧产物
燃烧产物是指燃料在燃烧过程中产生 的气体、烟尘和灰渣等物质，它们由 燃料中的可燃元素转化而来。
可持续发展的重要性
资源节约
可持续发展强调资源的合理利用和节约，通过提高能源利用效率和减少浪费，实现经济、 社会和环境的协调发展。
燃烧学-五-多组分反应流体守恒方程
vi vi ,diff v
组分总的质量通量等于对流通量和扩散通量之和，即
组分总的质量流量
q
'' m ,i
q m wi q
''
''
扩 散 通 量
m ,i ,diff
对流通量
wi v wi vi ,diff
将（c）式代入式（a），得
（ c）
代入分子输运的费克扩散定律，得
'' m
f
的守恒方程
同理，(a)-(b)/
q
'' m
，得
wo d d [ D ( w f )] 0 dx dx
d ( w f wo / )
可见，w f
wo /
dx
也是守恒量。
例【5.1】有一非预混的乙烷-空气火焰，其下列各组分的摩 尔分数是利用不同的方法测量的： C2 H6 , CO, CO2 , H 2 , H 2O, N2 , O2
Fick定律：质量流量
Fourier定律：热量流量
J i Di wi
q T
Newton定律：
v
三、动量守恒定律
控制体内动量的变化率等于作用在控制体的表 面力和体积力之和。 对于定常流，有
F q
m out
v
qmvin
对于一维流动，上式可写成
其中各组分质量分数的加权因子为 C 和 H 在组分中的质量 c i MWi 分数，将质量分数 Yi 用 代替得： MWmix MWC H 2MWC MWCO MWc MWCO MWC f C H CO CO .... MWmix MWC H MWmix MWCO MWmix MWCO
燃烧学课件第五章多组分反应流体守恒方程
输运现象： 扩散过程在组分 / 能量输运中的重要作用； 这些过程是在具有参数梯度的流动中分子运动的结； 梯度输运模型： Fick定律：质量流量 Fourier定律：热量流量 Newton定律：
三.动量守恒定律
控制体内动量的变化率等于作用在控制体的表 面力和体积力之和。
对于定常流，有
对于一维流动，上式可写成
可由火焰中各组分的质量分数加权求和而得到 ：Biblioteka 虽然燃料中的C原子有可能转化成
但是我们没有以显示方式考虑
这些。如果含有氢原子的组分扩散性不同，那么火焰中的H原子和C原子之比
不会处处相等，从而使得上述的结论只能是近似有效。在这个问题中，我们
没有考虑固态C（积碳），然而在大多数情况下，碳氢化合物与空气的非预混
5.1多组分反应流体一维流动的守恒方程
一.混合物质量守恒方程 考虑一长度为 ，截面积为A的一维控制体。
根据质量守恒原理 式中控制体内混合物质量 控制体体积 质量流量 代入式（5-1），得
两边同时除以 并取极限
，得
对于定长流， ，则有
——密流，质量速度单位面积质量流量 混合物质量守恒方程的通用形式
假设原料仅含有碳和氢元素，空气仅由
组成。在燃
气中，碳元素存在于组分
中，氢元素存在于
之中，将各组分中的碳和氢元素的质量分 数加起来就是f：
其中各组分质量分数的加权因子为C和H在组分中的质量分数，
将质量分数
代替得：
其中，
虽然在概念上混合物分数很简单，但是用实验确定f需要测定混合 物的组分，非常麻烦。通常在测量中忽略很难测量的微量组分。
（3）各组分比热相等。
则燃料，氧化剂以及燃烧产物的化学反应生成 率问题存在以下量的关系：
燃烧学ppt课件
.
传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
.
燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
.
湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
.
扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
.
几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
.
简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
混合物绝对焓（了解其前提）
.
层流预混燃烧
• 火焰、预混火焰概念 • 层流火焰传播速度、影响层流预混火焰传播速度
与火焰厚度的因素（温度、压力、当量比、燃料 类型） • 点火、可燃性与熄火
燃烧三阶段 热自燃理论及应用（着火熄火过程） 可燃极限（P、T、浓度范围） 最小点火能量 火焰稳定（两个必要条件）
燃烧学复习
.
本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力பைடு நூலகம் • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧
传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
.
燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
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湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
.
扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
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几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
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简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
混合物绝对焓（了解其前提）
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层流预混燃烧
• 火焰、预混火焰概念 • 层流火焰传播速度、影响层流预混火焰传播速度
与火焰厚度的因素（温度、压力、当量比、燃料 类型） • 点火、可燃性与熄火
燃烧三阶段 热自燃理论及应用（着火熄火过程） 可燃极限（P、T、浓度范围） 最小点火能量 火焰稳定（两个必要条件）
燃烧学复习
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本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力பைடு நூலகம் • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧
燃烧基本理论PPT课件
纯碳与氧反应的表观频率因子 Ko,c仅是碳粒温度与直径的函数，而煤焦反 应的频率因子 Ko,ch K ocf (s) , 表示煤焦比表面积f（s）影响 煤焦反应速率的某一函数，显然f（s）是 个物理因素，它的大小与煤质有关，因此煤焦反应的频率因子与煤质有 关。
第21页/共44页
4．实验室研究情况
分析挥发分含量，它是按我国标准规定，将干燥 的煤样放在有盖坩埚内，在900±10℃的马弗炉中 加热7min，煤样所失去的重量。
第5页/共44页
2． 煤粉的着火特性
以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评 判为主要内容
煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程， 其中一个主要的争论是,煤的着火是均相还是非均 相的。
Kd=2.3ФD/（d RTa）
其中，Ф为化学当量系数，与反应机理有关，在
C+O2→2CO时，Ф=2，在C+O2→CO2时Ф=1
第13页/共44页
其他影响因素
燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔 内的扩散有关。
孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。 煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。
第20页/共44页
傅维标的研究
原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的 影响都归入E、Ko,c 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时， 许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻 与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。
E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无 关；
第15页/共44页
三、 煤粒着火过程及着火动力学
1．着火的定义 任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个
阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即 燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。 Essenhigh指出 临界着火的情况下，有的点 dT dt 0, d 2T d 2t 0 出现
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4．实验室研究情况
分析挥发分含量，它是按我国标准规定，将干燥 的煤样放在有盖坩埚内，在900±10℃的马弗炉中 加热7min，煤样所失去的重量。
第5页/共44页
2． 煤粉的着火特性
以煤着火机理研究、煤粉的着火特性实验研究及评 判为主要内容
煤粉着火机理的研究已有长达一个多世纪的历程， 其中一个主要的争论是,煤的着火是均相还是非均 相的。
Kd=2.3ФD/（d RTa）
其中，Ф为化学当量系数，与反应机理有关，在
C+O2→2CO时，Ф=2，在C+O2→CO2时Ф=1
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其他影响因素
燃烧速度不仅与边界层扩散有关，而且与氧在孔 内的扩散有关。
孔内扩散系数与焦的孔隙结构密切相关。 煤中矿物组成及含量对煤焦燃烧反应也具有影响。
第20页/共44页
傅维标的研究
原因是：在前人处理数据中，将化学因素及物理因素引起对炭粒着火的 影响都归入E、Ko,c 中。其次，在用着火温度来确定反应动力学参数时， 许多研究者常以观察到火焰出现或者炭粒发光作为着火的标志，但此刻 与理论上定义的着火时刻相距较远，所以导致误差也较大。
E应是颗粒表面温度的函数，由煤焦与氧的化学特性决定，而与煤质无 关；
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三、 煤粒着火过程及着火动力学
1．着火的定义 任何燃料的燃烧过程，都有“着火”及“燃烧”两个
阶段，由缓慢的氧化反应转变为剧烈的氧化反应（即 燃烧）的瞬间叫着火，转变时的最低温度叫着火温度。 Essenhigh指出 临界着火的情况下，有的点 dT dt 0, d 2T d 2t 0 出现
燃烧学课件第五章多组分反应流体守恒方程
VS
解析过程中，需要注意数值计算的稳 定性和精度，以及边界条件和初始条 件的设定。同时，还需考虑反应流体 的非线性特性和多尺度问题，以提高 计算结果的准确性和可靠性。
05
守恒方程的数值解法
有限差分法
有限差分法是一种将偏微分方程转化为差分方程的方法，通过在离散点上 设置差分方程来逼近原方程的解。
有限差分法适用于规则的网格系统，通过在网格点上设置离散变量，利用 差分近似代替微分，将微分方程转化为离散的差分方程组。
解析方法
常用的解析方法包括分离变量法、特征线法、有限差 分法等。
解析过程
解析过程包括将方程化为标准形式、选择合适的变量 、求解方程等步骤。
解析结果
解析结果可以用于指导实验设计、优化工艺参数等实 际应用。
03
多组分反应流体的动量守恒方程
动量守恒方程的推导
推导基于牛顿第二定律
动量守恒方程的推导基于牛顿第二定律，即作用力等于反作用力。对于多组分反应流体，动量守恒方程描述了流体中 各组分动量的变化规律。
能量守恒方程的应用
能量守恒方程在多组分反应流体的研究中具有广泛的应用，它可以用于描述反应流体的温度场、压力 场和浓度场的变化。
通过求解能量守恒方程，可以预测反应流体的热力学性质，如温度、压力和组分浓度等，以及反应过 程中的热量传递和能量转化。
能量守恒方程的解析
解析能量守恒方程需要采用数值计算 方法，如有限差分法、有限元法等。 这些方法可以将连续的偏微分方程离 散化为一系列的代数方程，以便于求 解。
动态平衡
多组分反应流体中的化学组分在 不断变化的条件下达到动态平衡 ，维持一定的化学组成和性质。
守恒方程的概述
01
质量守恒
守恒方程是描述系统中质量守恒 的方程，表示质量在化学反应过 程中保持不变。
《燃烧理论基础》PPT课件
• 与着火时的热焰比较，温度较低，辉光较弱，产生 的热量很少，这种现象是烃类气相氧化的特征之一 ，称为焰前反应
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19
射流特性及其混合过程
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20
➢实际意义
①射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：除固 体燃料有时以块状进行燃烧外，其它燃料和氧化 剂都是以射流形式送入燃烧空间的。
②物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用 例如有焰燃烧。
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32
实际中常见的交叉射流形式
• 为了混合良好，需保持二次风以较高的速度射入 燃料气流，否则二次风很快被主气流“同化”， 二次风穿透深度不足，导致混合不充分
• 二次风的温度升高， 穿透深度变小
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33
5、环形射流和同轴射流
• 流场结构
– 完全发展区 • 距离喷口约8~10倍 喷口直径的区域 • 与圆形自由射流类 似
相反混合减缓射流张角速度及浓度沿轴向的变化率随之减小势核长度越大当速度梯28射流特性的影响因素1流速比当由0或213趋向1时射流核越来越大轴心速度衰减变慢当射流的密度小于周围气流的密度时射流的衰减速度将加快2密度293多股平行射流射流之间形成较为强烈的旋涡区使多股平行射流的湍流脉动比自由射流大而边界层的增厚主要与横向脉动速度成正比314交叉射流两股射流以某一角度交叉喷出形成的射流汇合点之前存在回流区大小与喷口间距和射流交角有关32速度衰减规律33实际中常见的交叉射流形式为了混合良好需保持二次风以较高的速度射入燃料气流否则二次风很快被主气流同化二次风穿透深度不足导致混合不充分二次风的温度升高穿透深度变小345环形射流和同轴射流距离喷口约810倍喷口直径的区域有回流区存在回流区一般用于改善火焰的稳定性
第四章 燃烧理论基础
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19
射流特性及其混合过程
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20
➢实际意义
①射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：除固 体燃料有时以块状进行燃烧外，其它燃料和氧化 剂都是以射流形式送入燃烧空间的。
②物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用 例如有焰燃烧。
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32
实际中常见的交叉射流形式
• 为了混合良好，需保持二次风以较高的速度射入 燃料气流，否则二次风很快被主气流“同化”， 二次风穿透深度不足，导致混合不充分
• 二次风的温度升高， 穿透深度变小
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33
5、环形射流和同轴射流
• 流场结构
– 完全发展区 • 距离喷口约8~10倍 喷口直径的区域 • 与圆形自由射流类 似
相反混合减缓射流张角速度及浓度沿轴向的变化率随之减小势核长度越大当速度梯28射流特性的影响因素1流速比当由0或213趋向1时射流核越来越大轴心速度衰减变慢当射流的密度小于周围气流的密度时射流的衰减速度将加快2密度293多股平行射流射流之间形成较为强烈的旋涡区使多股平行射流的湍流脉动比自由射流大而边界层的增厚主要与横向脉动速度成正比314交叉射流两股射流以某一角度交叉喷出形成的射流汇合点之前存在回流区大小与喷口间距和射流交角有关32速度衰减规律33实际中常见的交叉射流形式为了混合良好需保持二次风以较高的速度射入燃料气流否则二次风很快被主气流同化二次风穿透深度不足导致混合不充分二次风的温度升高穿透深度变小345环形射流和同轴射流距离喷口约810倍喷口直径的区域有回流区存在回流区一般用于改善火焰的稳定性
第四章 燃烧理论基础
燃烧理论PPT课件
（8）燃烧测试技术（20世纪60年代）：燃烧测量技术进展主要反 映在喷雾测量、流场测量、火焰测量和燃烧过程产物测量等方面。
采用粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)技术和激光多普勒 (LDV)技术准确测量缸内气体运动规律。
相位多普勒粒径PDA(PDPA)技术和激光散射粒径(LDSA)测量技术能 测量出喷雾粒径大小和分布规律。
laser induced fluorescence (PLIF)平面激光诱导荧光成像
2019/6/27
19
（9） 20世纪90年代以来：大型商用模拟计 算程序：Star－CD、KIVA、 Fluent等的出 现， 推动了燃烧理论、排放控制理论的进 一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞 跃的发展。
出用连续介质力学方法研究燃烧基本现象。
2019/6/27
15
（7）计算燃烧学（20世纪70年代）：斯波尔丁(Spalding)系统地 把计算流体力学的方法用于有燃烧现象的边界层流动、回流流动及 旋流流动，建立了燃烧问题的数值计算方法，并逐渐形成了计算燃 烧学。斯波尔丁和哈洛:继承普朗特，雷诺和周培源等的工作，将 “湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了湍流燃烧模型。
为相关专业学习提供基础知工程性强涉及面广内容丰富注意理论与实际结合202112738燃烧理论燃烧理论课程内容课程内容燃烧物理学基础燃料多组分气体基本参量分子疏运定律及三传比拟多组分反应流体的守恒方程新型燃烧技术与节能减排设计2021127391717参考书目参考书目3高等燃烧学岑可法等浙江大学出版社2002124燃烧学第2版严传俊范玮等西北工业大学出版社20087
1.1能源的概念与分类
燃烧：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应。燃烧是一种重要的 能源转化形式。
采用粒子图像测速(PIV)、粒子跟踪测速(PTV)技术和激光多普勒 (LDV)技术准确测量缸内气体运动规律。
相位多普勒粒径PDA(PDPA)技术和激光散射粒径(LDSA)测量技术能 测量出喷雾粒径大小和分布规律。
laser induced fluorescence (PLIF)平面激光诱导荧光成像
2019/6/27
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（9） 20世纪90年代以来：大型商用模拟计 算程序：Star－CD、KIVA、 Fluent等的出 现， 推动了燃烧理论、排放控制理论的进 一步发展。燃烧学在深度和广度上都有了飞 跃的发展。
出用连续介质力学方法研究燃烧基本现象。
2019/6/27
15
（7）计算燃烧学（20世纪70年代）：斯波尔丁(Spalding)系统地 把计算流体力学的方法用于有燃烧现象的边界层流动、回流流动及 旋流流动，建立了燃烧问题的数值计算方法，并逐渐形成了计算燃 烧学。斯波尔丁和哈洛:继承普朗特，雷诺和周培源等的工作，将 “湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了湍流燃烧模型。
为相关专业学习提供基础知工程性强涉及面广内容丰富注意理论与实际结合202112738燃烧理论燃烧理论课程内容课程内容燃烧物理学基础燃料多组分气体基本参量分子疏运定律及三传比拟多组分反应流体的守恒方程新型燃烧技术与节能减排设计2021127391717参考书目参考书目3高等燃烧学岑可法等浙江大学出版社2002124燃烧学第2版严传俊范玮等西北工业大学出版社20087
1.1能源的概念与分类
燃烧：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应。燃烧是一种重要的 能源转化形式。
燃烧学第5章 可燃气体预混燃烧
1.按照火焰的传播形式分类 2.按照燃烧中可燃物与氧化剂混合模式分类 3.按照流动状态分类
1.按照火焰的传播形式分类
按照火焰的传播形式，气体燃烧可分为缓燃和 爆轰两种形式。火焰的缓慢燃烧是依靠导热与 分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应 区引起化学反应，进而使燃烧波不断向未燃混 合气中推进，其传播速度一般不大于1～3m/s， 该过程中火焰传播是稳定的。在一定的物理、 化学条件下(如温度、浓度、压力、混合比等)， 其传播速度是一个不变的常数。
(1)褶皱层流火焰模式 (2)分布反应模式 (3)漩涡内小火焰模式
(1)褶皱层流火焰模式
图5 - 20 褶皱层流小火焰的结构
(1)褶皱层流火焰模式
(5-69) (5-70)
(2)分布反应模式
在分布反应模式下，火焰积分尺度(ℓ0/δL)和丹 姆克尔数(Da)都小于1时，在这种模式下有以下 几个特征：流道小而速度大；装置中的压力损 失大；火焰维持较困难。所以分布反应模式一 般在现实中很难实现。但是由于许多污染物的 生成反应速度很慢，因此，也可能存在该模式， 为此，对此模式下的化学反应与湍流的相互作 用进行研究也是有必要的。
(2)存在强烈的导热和物质扩散。
根据图5-3给出的火焰前沿内反应物的浓度、温 度以及反应速率的变化情况，可以看出，在火 焰前沿宽度内，温度急剧上升(T0→Tf)，可燃气 体浓度迅速降低(c0→0)。
(3)着火延迟时间(即感应期)很短。
着火延迟时间(感应期)极短，是火焰前沿中化学 反应的另外一个特点，这个特点与自燃过程中 化学反应的特点不同。由于加速化学反应都需 要一定的热量和活化中心，在自燃过程中，依 靠化学反应可自行累积热量和活化中心，但这 个过程需要一定的准备时间，即着火感应期。
1.按照火焰的传播形式分类
按照火焰的传播形式，气体燃烧可分为缓燃和 爆轰两种形式。火焰的缓慢燃烧是依靠导热与 分子扩散使未燃混合气温度升高，并进入反应 区引起化学反应，进而使燃烧波不断向未燃混 合气中推进，其传播速度一般不大于1～3m/s， 该过程中火焰传播是稳定的。在一定的物理、 化学条件下(如温度、浓度、压力、混合比等)， 其传播速度是一个不变的常数。
(1)褶皱层流火焰模式 (2)分布反应模式 (3)漩涡内小火焰模式
(1)褶皱层流火焰模式
图5 - 20 褶皱层流小火焰的结构
(1)褶皱层流火焰模式
(5-69) (5-70)
(2)分布反应模式
在分布反应模式下，火焰积分尺度(ℓ0/δL)和丹 姆克尔数(Da)都小于1时，在这种模式下有以下 几个特征：流道小而速度大；装置中的压力损 失大；火焰维持较困难。所以分布反应模式一 般在现实中很难实现。但是由于许多污染物的 生成反应速度很慢，因此，也可能存在该模式， 为此，对此模式下的化学反应与湍流的相互作 用进行研究也是有必要的。
(2)存在强烈的导热和物质扩散。
根据图5-3给出的火焰前沿内反应物的浓度、温 度以及反应速率的变化情况，可以看出，在火 焰前沿宽度内，温度急剧上升(T0→Tf)，可燃气 体浓度迅速降低(c0→0)。
(3)着火延迟时间(即感应期)很短。
着火延迟时间(感应期)极短，是火焰前沿中化学 反应的另外一个特点，这个特点与自燃过程中 化学反应的特点不同。由于加速化学反应都需 要一定的热量和活化中心，在自燃过程中，依 靠化学反应可自行累积热量和活化中心，但这 个过程需要一定的准备时间，即着火感应期。
燃烧学讲义-第5章气体燃料燃烧幻灯片PPT
之内。 以上讨论是在说明指数曲
线转化成折线的合理性
28
d d x 2 T 2 k 0e x p ( R E T )C nQ 0
2(d d T x)2 w k 0 C n Q T q r T q r T e x p ( R E T )d T 0
d d T xw2k0C nQ T qrT qr Texp(R E T)dT
燃烧学讲义-第5章气体燃 料燃烧幻灯片PPT
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燃烧过程是包括发光放热的化学反应， 故存在两个最基本的阶段：着火阶段、 着火后燃烧阶段。
着火定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反 应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状 态的过渡过程。
热着火
链式着火
2
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。
7
Q
Q1
Q2Ⅰ
产热：Q 1k0ex p (R E T)C nV Q
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
A T0Ⅰ
T0Ⅱ
B Tlj T0Ⅲ
散热： Q 2 S(T T 0)
T
8
① 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄 灭状态; C点，不稳定，脉动→燃烧 or 熄灭
② 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火 ③ 线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点
高温火源
向可燃混合物加热 在高物物体边界层中着火
线转化成折线的合理性
28
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燃烧学讲义-第5章气体燃 料燃烧幻灯片PPT
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燃烧过程是包括发光放热的化学反应， 故存在两个最基本的阶段：着火阶段、 着火后燃烧阶段。
着火定义：燃料和氧化剂混合后，由无化学反 应（从缓慢的氧化反应）向稳定的强烈放热状 态的过渡过程。
热着火
链式着火
2
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。
7
Q
Q1
Q2Ⅰ
产热：Q 1k0ex p (R E T)C nV Q
C
Q2Ⅱ
Q2Ⅲ
A T0Ⅰ
T0Ⅱ
B Tlj T0Ⅲ
散热： Q 2 S(T T 0)
T
8
① 两个交点：A点，稳定，但其温度绝对值太低，熄 灭状态; C点，不稳定，脉动→燃烧 or 熄灭
② 线Ⅲ：Q1＞Q2，没交点，着火 ③ 线Ⅱ：Q1≥Q2，一个切点
高温火源
向可燃混合物加热 在高物物体边界层中着火
第五章 多组分反应流体守恒方程
A
的净生成率。组分质量守恒的更一般
85
的一维形式为：
dm& i'' dx
= m& i'''
i = 1,2,..., N
组分 i 的质量守恒方程的一般矢量形式为：
∂(ρYi ) ∂t
+ ∇ ⋅ m& i''
=
m& i'''
i = 1,2,..., N
（5-8） （5-9）
质量通量 m& i'' 可以用组分 i 的质量平均速度 vi 表示： m& i'' = ρYivi
∑ Q& '' = −λ∇T +
m& '' i , diff
hi
（5-24）
对于一维情况，热流通量可以表示为：
∑ Q& x''
=
−λ
dT dx
+
ρYi (vi − u)hi
∑ 由于 m& i'' = ρvixYi , ρvx = m& '' ,
Yi hi = h ，所以式（5-25）可以写成：
（5-25）
的质量分数加起来就是 f ：
89
f
=
YC2 H 6
2WM C MWC2H6
+
YCO
WM C MWCO
+
YCO2
WM C MWCO2
+
YC2 H 6
3WM H2 MWC2H6
+
YH2
+
燃烧学第五章 ppt课件
五、着火延滞期
• 实际的燃烧设备，不仅要求燃料能稳定地燃烧，而且 要求预混气体能及时地着火，因此了解பைடு நூலகம்燃混合物的 着火延滞期具有实际意义
•
着温v火度12T延ck所滞0 e经期xp历就的R是ET时c可C间燃0n 混合物从结气初论压始：力愠着和度火自T0延燃上迟温升期度到随的着混升火合高
i C0Ccv
32
几种可燃气体的着火范围
名称
着火温度℃
可燃物着火
着火范围相应
的浓度范围
的过量空气系数
低限 % 高限 % 高限 % 低限 %
氢 (H2)
571
一氧化碳 (CO)
609
4.0
74.2
12.4
73.8
2.94
0.184
甲烷 (CH4)
632
乙烷 (C2H6)
472
4.6
14.6
2.17
0.61
2.9
14
2
一、着火的概念
1、着火的方式与机理
–自然界中燃料的着火方式
自燃着火
（自燃）
把一定体积的混合气预热到某一温度，在该 温度下，混合气的反应速率即自动加速， 急剧增大直到着火。—— 整体加热。
强迫着火
（点燃或点火）
可燃混合气内的某一处用点火热源点着相 邻一层混合气，尔后燃烧波自动的传播到 混合气的其余部分。 ——局部加热。
Q
1
dC d
C p
dT d
Q
1
dC d
C p
dT d
Q 1 dC C p dT
dT Q 1 dC C p
2020/9/6
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
10
燃烧学完整版.ppt
11
液体燃料蒸发与燃烧
• D2定律
12
9
湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
10
扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
燃烧学复习
1
本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力学 • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧
2
绪论
• 燃烧概念 • 燃烧分类（按照流态、相态、传播方式等）
3
燃烧热力学
• 概念：当量比、绝对焓、生成焓、热值 • 绝热火焰温度概念与计算（定压、定容） • 化学平衡判定，Kp的计算 • 能够利用压力平衡常数计算平衡产物成分
6
几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
7
简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
4
传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
5
燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
液体燃料蒸发与燃烧
• D2定律
12
9
湍流预混火焰
• 湍流预混火焰比层流预混火焰传播快的原 因
• 三种湍流火焰模式（根据湍流强度、长度 尺度划分）、各模式传播速度影响因素
10
扩散火焰
• 扩散火焰 • 层流扩散火焰特征（火焰表面、火焰高度、
浮力影响、碳烟生成、火焰高度-流量关系） • 层流扩散火焰物理描述（T-f、Yi-f） • 火焰高度影响因素 • 层流扩散火焰向湍流扩散火焰的转变
燃烧学复习
1
本课程内容
• 绪论 • 燃烧热力学 • 传质基础 • 燃烧动力学 • 几个重要的反应机理 • 层流预混燃烧 • 湍流预混燃烧 • 扩散火焰 • 液滴蒸发与燃烧
2
绪论
• 燃烧概念 • 燃烧分类（按照流态、相态、传播方式等）
3
燃烧热力学
• 概念：当量比、绝对焓、生成焓、热值 • 绝热火焰温度概念与计算（定压、定容） • 化学平衡判定，Kp的计算 • 能够利用压力平衡常数计算平衡产物成分
6
几个重要的反应机理
• H2-O2系统 （几个爆炸极限） • CO氧化机理（区分干式、湿式机理） • 高链烷烃氧化机理（乙烷的8步氧化机理）
C-C断裂脱氢自由基产生染料分子 进一步断裂脱氢反应甲酸基、甲醛生 成氧化CO氧化机理
7
简化守恒方程
• 简单化学反应 • 守恒标量：混合物分数（概念与计算）、
4
传质基础
• Fick定律（形式、各参数意义） • Stephen问题 • 单个液滴蒸发时间（D2定律）
5
燃烧动力学
• 概念：基元反应、反应级数、链式反应 • 碰撞理论（理解） • 基元反应速率、Arrhenius定律 • Kc、kf、kr与kp的关系 • 链式反应过程 • 两种近似方法：稳态近似与局部平衡假设
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控制体体积
质量流量 代入式（5-1），得 两边同时除以 并取极限 ，得
对于定长流，
，则有
——密流，质量速度单位面积质量流量
混合物质量守恒方程的通用形式
二.组分的质量守恒方程
对于定长流，组分A的质量守恒方程可以写成
组分质量守恒方程更一般的一维形式为
组分
由
的质量守恒方程的一般矢量形式为
得
混合物质量平均速度 组分速度等于质量平均速度叠加上扩散（布朗运动 ）速度 组分总的质量通量等于对流通量和扩散通量之和， 即
从而可求解出
因此
要确定局部混合物分数，必须考虑到火焰中的碳原子不都是来自 原料 因为氧化剂中含有 但是要注意到H原子只来源于燃料
因而局部混合物分数必定和局部H元素质量分数成正比：
可由火焰中各组分的质量分数加权求和而得到 ：
虽然燃料中的C原子有可能转化成 但是我们没有以显示方式考虑 这些。如果含有氢原子的组分扩散性不同，那么火焰中的H原子和C原子之比 不会处处相等，从而使得上述的结论只能是近似有效。在这个问题中，我们 没有考虑固态C（积碳），然而在大多数情况下，碳氢化合物与空气的非预混 火焰常常会积碳，这就使得火焰组分的测量和混合物组分的确定变得复杂。
（3）各组分比热相等。
则燃料，氧化剂以及燃烧产物的化学反应生成 率问题存在以下量的关系：
假设流量为1kg/s的混合物由两种成分混合而成，燃料的流量为f kg/s，空气的 质量流量为（1-f）kg/s。
混合物分数f：燃料中所含元素的质量除以混合物的质 量。f是守衡量。
1 f wf 1
例5.2 实验测量例5.1中非预混火焰中某点各组分的摩尔分数分别如下：
假设混合物的剩下组分为 当量比。 解： 的摩尔分数为
试用所计算的混合物的分数值，决定混合物的
混合物的分子量为： 将本例中给定的各组分摩尔分数值代入例5.1中混合物分数f的表达式可得
根据混合物分数定义和空气比定义可知
又当量比的定义 ：
混合物质量守恒方程 组分守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 守恒标量的概念 一维流动守恒方程的通用形式 Shvab-Zeldovich公式
5.1多组分反应流体一维流动的守恒方程
一.混合物质量守恒方程
考虑一长度为 ，截面积为A的一维控制体。
根据质量守恒原理
式中控制体内混合物质量
第五章 多组分反应流 体守恒方程
燃烧现象包含流体运动，传热，传质和化学反 应以及它们之间的相互作用。燃烧过程是一种综 合的物理化学过程。 本章介绍控制燃烧过程的基本方程组：
混合物质量守恒方程
组分质量守恒方程
动量守恒方程
能量守恒方程
多组分反应流体一维流动守恒方程
对于定常流，有 对于一维流动，上式可写成四.能量守恒方程
控制体内能量变化率等于获得的外热的总和与 对外做功的总和。
对于定常流动，假设系统对外界不做功，进出 口势能不变，上式可写成
上式除以
并取极限
，得
如果不考虑辐射，热流通量的一半矢量表达式为 对于一维情况，热流通量表示为
将（b）式代入（a）式，得
即 或 因为 代入（c）式，得
五、多组分反应流体一维流动的守恒方程通用形式
在卡迪尔坐标系中的形式：
六.守恒标量的概念
1.简单化学反应模型 化学反应：燃料和氧化剂消失，产生二氧化碳和水蒸 气，燃气温度升高并发出热量。 假设：（1）燃料和氧化剂以化学恰当比进行单步不可逆反 应，生成单一的燃烧产物 （2）各组分的传输特性相同，但可以随空间位置而 变化（每处每参数相等，但可不均匀）；
混合物分数f 可以用流动中任一点的燃料、氧化剂和燃 烧产物的质量分数来表示。 “燃料原料”：组成燃料的元素。对碳氢化合物燃料，燃 料原料是碳和氢。
对于由一种燃料，一种氧化剂和一种反应物组成的三“组分 ”系统：
例5.1 有一非预混的乙烷-空气火焰，其下列各组分的 摩尔分数是利用不同的方法测量的：
假设其他组分可以忽略， 试根据所测量的上述各组分摩尔分数定义混合物分数f。
而
于是
从本例中可知混合物分数和当量比之间的关系，根据
的定义，可以推导他们之间的相互关系。
例5.3有一非预混射流火焰，其燃料为 氧化剂为等摩尔混合 的 的混合物。火焰中的组分有 假设 所有双元扩散系数相等，即各组分之间的扩散性相同，如果燃料和氧 化剂按化学恰当比混合，试计算该射流火焰的混合物分数，并用各组 分的质量分数表示火焰中任一点处的局部混合物分数。 解：要计算按化学恰当比混合的燃料和氧化剂的混合物分数，我们只 要计算反应物中燃料 的质量分数即可： 从 C,H,O原子守恒可得：
解：有混合物分数的原始定义，我们先用各组分的质量分 数来表示f： 假设原料仅含有碳和氢元素，空气仅由 组成。在燃 气中，碳元素存在于组分 中，氢元素存在于 之中，将各组分中的碳和氢元素的质量分 数加起来就是f：
其中各组分质量分数的加权因子为C和H在组分中的质量分数， 将质量分数 代替得：
其中， 虽然在概念上混合物分数很简单，但是用实验确定f需要测定混合 物的组分，非常麻烦。通常在测量中忽略很难测量的微量组分。
将（c）式代入式（a），得
代入分子输运的费克扩散定律，得
输运现象： 扩散过程在组分 / 能量输运中的重要作用； 这些过程是在具有参数梯度的流动中分子运动的结； 梯度输运模型：
Fick定律：质量流量
Fourier定律：热量流量 Newton定律：
三.动量守恒定律
控制体内动量的变化率等于作用在控制体的表 面力和体积力之和。