燃烧反应动力学

燃烧反应动力学： 这一章主要从化学动力学的角度阐述燃烧反应的一些基本概念、原理和理论模型。

首先定义了反应速度：化学反应速度是在单位时间内由于化学反应而使反应物质（或燃烧产物）的浓度改变率。

dC

w d τ

=-

然后介绍了最基本的反应——基元反应，即反应物分子（或离子、官能团）在碰撞种一步转化为产物分子（或离子、官能团）的反应。

同时引入了反应级数的概念。并在此基础之上逐步讨论了一级反应和二级反应的一些结论和特点。其中又引入了半衰期的概念，其定义如下：经过一定时间r 后，反应物的浓度降为初始浓度的一半时所需要的时间即是该反应的半衰期。

在简单的基元反应基础之上，课程进一步研究了一些复杂反应，包括：可逆反应、平行反应、连续反应等。至此基本的反应类型介绍完毕。紧接着课程讨论了各种参数对化学反应速度的影响，包括温度、压力、浓度等。其后继续介绍了反应速度的碰撞理论模型。并提出了有效碰撞理论：

● 在相互反应的分子碰撞过程中，只有一部分的分子碰撞处于合适的方位上； ● 处于合适方位上的分子间的相互碰撞，只有一部分有能力足以使得化学键破裂； ● 反应速率常数可以表示成：

/E RT AB k Z e ϕ-=

有了碰撞理论模型的基础之后，课程开始介绍另外一种比较特殊的重要反应类型——链锁反应。主要介绍了不分支链锁反应（也叫直链反应）和分支链锁反应两个类型。本章的最后介绍了燃烧学中常用的一些概念和术语。现总结如下：

● 生成焓：当化合物是由不同元素组成时，化学能被转换成热能，这种转换的能量称

为化合物的生成焓。

● 过量空气系数：燃烧反应过程当中实际空气量和理论空气量的比值。

● 当量比：111φ=千克燃料

实际燃空比实际燃烧过程种供给的空气量＝千克燃料理论燃空比

千克燃料完全燃烧所需要的理论空气量

● 绝热燃烧温度：一个绝热、无外力做功、没有动能或势能变化的燃烧过程，燃烧产

生的热量全部用于加热燃烧产物，这样一个过程中燃烧产物的温度。

多组分反应流体力学基本方程组： 这章主要从流体力学的角度分析多组分燃烧反应过程的一些特点以及结论，并导出多组分燃烧反应的基本方程组。 首先，本章介绍了几类火焰：

● 扩散火焰：燃气和空气进入炉膛（或烧嘴）前不预先混合，燃烧过程当中空气、燃

气边混合边燃烧。特点：火焰明亮，有明显轮廓。

● 预混火焰、燃气和空气在烧嘴内已经混合均匀，在燃烧室内直接燃烧。特点：火焰

透明，也称为“无焰燃烧”。

● 部分预混火焰：燃料先和部分氧化剂混合，其余氧化剂通过扩散进入燃烧室。 随后，引入三个特征时间：

● 流动特征时间：0

f L

U τ=

。其中：L —燃烧装置特征尺寸，0U —流动特征速度。 ● 反应特征时间：()

P f C F F

C T T w Q ρτ∞-=

。其中：F w —特征反应速率，F Q —燃料燃

烧释放的热量。

● 扩散特征时间：2

d L D

τ=。其中：L —燃烧装置特征尺寸，D —扩散系数。

然后引入几个流动以及燃烧的概念：

● 平衡流动：1f

I C

D ττ=

。物理意义：流动速度缓慢，或化学反应速度很快。

● 冻结流动：1f I C

D ττ=

。物理意义：流动速度很快，或化学反应速度很慢。

● 扩散燃烧：1d II C D ττ=

。物理意义：扩散很慢而反应速率很快，燃烧由扩散过

程控制。 ● 动力燃烧：1d II C

D ττ=

。物理意义：扩散很快而反应速率很慢，燃烧由反应动

力学所控制。

在此基础上，本章继续介绍了分子输运基本定律——费克（Fick ）定律：

S S S J D Y ρ=-∇

最后导出多组分反应流体力学基本方程组如下： ● 连续方程：

0j

j

v t x ρρ∂∂+=∂∂ ● 组分方程：S S j

j DY Y

D w Dt x x ρρ⎛⎫∂∂

=- ⎪ ⎪∂∂⎝

⎭

● 动量方程：

1

23N

j j

i i S Si S i j

i j i j

v v Dv v

p F Dt x x x x x x ρμμρ=⎡⎤⎛⎫⎛⎫∂∂∂∂∂

∂=-++-+⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦∑ ● 能量方程：

011

N N T

rj S

p S Si Si PS Fuel F T S S j j j j

j

q Y DT Dp T C F V D C dT W Q Dt Dt x x x x x ρλρφρ==⎛⎫

∂∂∂∂∂-=-+++

+ ⎪ ⎪

∂∂∂∂∂⎝⎭

∑∑⎰

● 状态方程：R P T M

ρ

= 本章最后介绍了Stefan 流。所谓Stefan 流是指在多组分有反应流体的相交界面处，在扩散过程或反应过程的共同作用下，在交界面的法向会产生一个净质量流，这一质量流就称为Stefan 流。

着火和灭火： 本章首先介绍着火以及着火的几种方式：自燃（又包括化学自燃、热自燃、链锁自燃）和点燃。

接着讨论了密闭容器中的热着火，讨论了其着火临界条件和着火温度。着火发生时的临界条件为：

12q q =，

12

C

C

q q T

T ∂∂=

∂∂ 紧接着讨论了影响着火的一些因素，包括：临界压力—温度关系，临界温度—浓度关系，临界压力—浓度，散热等因素。 对于绝热密闭容器内的燃烧，首先本章给出了着火延迟的定义：在满足着火的初始条件下，可燃混气由初始反应到出现火焰所需要的时间，称为着火延迟。接着导出了绝热密闭容器着火延迟的计算公式：

1100.6321exp S

n n

V

i m S S S

P T C E k Y Q RT τ--∞∞⎛⎫= ⎪∏⎝⎭ 随后本章介绍了简单流动系统中的着火与灭火，导出了简单流动系统中的着火与灭火的

临界关系式。并对影响着火与灭火的因素进行了一个总结：

● 着火与灭火的发生具有相似的临界条件，均受进口温度、反应器几何尺寸、当量比

等参数的影响。

● 着火与灭火不是一个可逆过程，着火发生在更为有利的条件下。 ● 初始温度对着火的影响比对灭火的影响强，而初始浓度对灭火的影响比对着火的影

响强。

本章最后介绍了研究点燃预混燃烧的一个重要计算方法——点燃理论，也就是所谓的零值梯度分析法。零值梯度法将燃烧区分为反应区和导热区，在反应区中可以忽略对流项，而在导热区可以忽略化学反应项。这就是点燃的两区理论。利用零值梯度法和两区理论，可以很容易的得到点燃的条件以及着火距离、着火延迟等条件、参数。