浙大高等燃烧学导论和基础 [兼容模式]
高等燃烧学01
5、化学平衡判据
封闭系统的化学平衡
由热力学第一定律： δQ=dU+ δW=dU+pdV 由热力学第二定律： dS ≥ δQ/T 于是有：TdS ≥ δQ= dU+δW 即：δW ≤-(dU-TdS) 在等温条件下： δW ≤-d(U-TS) 令A=U-TS A称为亥姆霍兹自由能（Helmholtz free energy)，亦称亥姆霍兹函数，又 称为功函（work function或work content），它显然是体系的状态函数。 由此可得： δW ≤-dA 或ΔW ≤-ΔA 意义：在等温过程中，一个封闭系统所能做的最大功等于其亥姆霍兹自 由能的减少。 因此，亥姆霍兹自由能可以理解为等温条件下系统做功的本领，这就是 把A叫做功函的原因。
9
2、有关概念的回顾
反应焓
定义：在几种化合物（或元素）相互反应形成生成物
时放出或吸收的能量 反应焓的数值等于生成物与反应物生成焓之差 即： ΔH0RT= Σ Ms• Δh0f.Ts—Σ Mj • Δh0f.Tj
s=R j=P
式中： ΔH0RT——1个大气压，T温度下的反应焓 （标准摩尔反应焓）； Ms——生成物的mol数； Mj ——反应物的mol数。
碳氢化合物反应，无离解时，理想产物构成是 CO2 、
H2O、O2和N2 有离解时，还会产生H2、OH、CO、H、O、N、NO， 以及其他可能的组分
解决这一问题的思路是：确定化学平衡条件，根 据平衡条件下可能形成的组分确定产物组分 计算平衡组分的方法
平衡常数法 最小吉布斯自由能法
3
物理化学研究的平衡规律指的是：当系统 的一个平衡态由于条件改动而变为另一个 平衡态时，能量、体积和各物质的数量变 化的规律。 物理化学研究的速率规律指的是：热量、 动量和物质的传递以及化学反应中各物质 的数量随时间变化的规律。 前者决定理论的产率，后者决定实际的产 量。
燃烧理论基础-燃烧热力学
u=u(T,v)
h=h(T,P)
微分方程
du=
( u T
)v dT
(u v
)T
dv
dh=
h
h
( T
)P dT
( P
)T
dP
9
定容比热Constant-volume specific heats
du
( u T
)v
dT
热力学定义：du/dT=cv
(
u v
)T
d
v
cv
(
u T
)v
dh
(
h T
)P
dT
(
h P
燃烧学导论：概念与应用
主要围绕燃烧物理及相关的概 念，燃烧化学内容偏少。
CK Law，Combustion Physics Irvin Glassman，Combustion James House, Principle of Chemical Kinetics
第2讲 燃烧热力学
问题1：燃烧第一直接目的是获得什么？ 锅炉、发动机、煤气灶、热气球。。。
(A
/
F
) stoic
4.76(2.24) 28.85 1 8 .2 8 6
1 6 .8 2 ,
则从上述方程有
(A /F ) ( A / F ) sto ic 1 6 .8 2 5 8 .8
0 .2 8 6
46
由于 (A/F) 是空气流率与燃料流率之比，
m ma ir 1 5 .9 k g / s 0 .2 7 0 k g / s
温度升高有更多的转动和 振动模式变得活跃：温度 越高，分子平动速度越快， 分子碰撞频率越高，有更 多的动能转变为分子转动 能和振动能。
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。
浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9
率决定于末燃气团在湍流作用下破碎成更小气团的速
率，而破碎速率与湍流脉动动能的衰变速率成正比。
R fu ~ / k
湍流燃烧速率
对比用k - ε模型和混合长度模型计算湍流粘度的公式
t C k 1/ 2 C C D k 2 /
假定 k 1/ 2 正比于混合长度与均流速度梯度绝对值的乘
对于层流火焰，在一定条件下，火焰传播速度与试验装 置无关。
在研究湍流燃烧时，针对湍流火焰，同样期望确定其传 播速度时，不要与装置本身有关，以带有共性，仅与料量比： λ、μ、D等量数有关。 事实证明这是不可能的。
在某些化学当量比下，湍流中有效热扩散系数要比层流 中分子的热扩散系数大 100倍，因此，湍流火焰的理论概念 不象层流火焰那样容易定义。
分析湍流火焰时，不仅要考虑湍流的 输运特性，还必须考虑湍流的脉动特性。 建立湍流燃烧模型中，要把混合过程 的控制作用和湍流脉动的影响有机地统一 起来。 基于此，Spalding提出了k-ε-g模型
几率分布函数
几率分布函数，即：一个用于描述湍流燃烧系 统中的因变量。 对于某个量我们关心的是它取某个值的几率。 无量纲混合分数的几率分布函数定义如下： P(f)df=f(t)处于(f,f+df)范围内的那段时间间隔t的 时间分数，即几率。 式中，P(f)称为瞬态混合分数f的几率分布密度 PDF。
F Sl w0 FL
F ST w0 FT
湍流火焰锥外 表面面积
研究湍流火焰过程中发展起来的方法
一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的 表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。 另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为 目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率 分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。
浙大高等燃烧学火焰传播与稳定_程乐鸣_2013_9
第三节 火焰正常传播
• 主要内容
–影响火焰正常传播速度的主要因素。 –火焰传播界限。 –火焰正常传播速度的测量。
影响火焰正常传播速度的主要因素
• • • • • • • • 过量空气系数 燃料化学结构 添加剂 混合可燃物初始温度T0 火焰温度 压力 惰性物质含量 热扩散系数和比热
基于理论公式分析，关注推导 过程中的假设等条件变化
Tr
T0
wdT
分区近似解是精确求解 法的一个一次逼近值
Tanford等的扩散理论
• 原理： 认为凡是燃烧均属于链式反应，在链式反应中借 助于活性分子的作用，使混气变为燃烧产物。 • 对于层流火焰中的某些反应，活性物质向未燃气体的扩散 速度，能决定火焰速度的大小。 • 在对潮湿一氧化碳火焰中原子和自由基浓度的平衡态进行 计算结果表明，氢原子的平衡浓度是确定火焰速度的一个 重要因素，并确定了质扩散和导热对火焰中产生氢原子的 相对重要性，且证明扩散过程是控制过程，他们在此基础 上提出了火焰速度方程。
化学反应速度与组分相关
结 果
2 T 2 sl wqdT 2 T 0 c p (Tb T0 ) 02 c 2 ( T T ) p b 0
r b
Tr
Tb
wqdT
uH
2 wqdT
T0 2 02 c 2 ( T T ) p r 0
Tr
uH
ws 0 q T0 n 2n! E 1 1 ( ) exp[ ( )] n 1 B 0 c p (Tr T0 ) Tr R Tr T0
• 捷尔道维奇分区近似解法 • 火焰传播精确解法
• Tanford等的扩散理论
• 层流火焰数值求解
《燃烧学讲义》课件
未来燃烧技术的发展趋势与挑战
发展趋势
未来燃烧技术的发展趋势包括进一步提高燃烧效率、 降低污染物排放、实现可再生能源的利用和智能化控 制等。
挑战
未来燃烧技术的发展面临诸多挑战，如技术瓶颈、经 济成本、政策法规和环保要求等。需要加强科技创新 和政策引导，推动燃烧技术的可持续发展。
感谢您的观看
THANKS
03
燃料电池可应用于汽车、船舶、航空航天、电力系统和备用电
源等领域。
生物质能燃烧技术及应用
生物质燃烧技术
生物质燃烧技术是将生物质转化为热能和电能的一种方式，具有高 效、环保、可再生的特点。
生物质燃烧设备
生物质燃烧设备包括生物质锅炉、生物质焚烧炉和生物质热电机组 等。
生物质燃烧应用
生物质燃烧可用于供热、发电和工业生产等领域，是实现可再生能源 利用的重要途径之一。
02
燃烧的基本原理
燃烧化学反应机理
01
燃烧化学反应机理是研究燃烧过 程中化学反应如何进行的机制。 它涉及到反应物分子间的相互作 用以及反应过程中的能量变化。
02
燃烧化学反应机理对于理解燃烧 过程、优化燃烧效率和减少污染 物排放具有重要意义。
燃烧反应动力学
燃烧反应动力学是研究燃烧过程中化 学反应速率以及影响反应速率的各种 因素的科学。
通过燃烧反应动力学的研究，可以了 解燃烧反应的快慢程度，进而优化燃 烧条件，提高燃烧效率。
燃烧热力学
燃烧热力学主要研究燃烧过程中能量的转化和物质的变化。 它涉及到燃烧过程中能量的释放、转移和利用。
燃烧热力学对于能源利用、环境保护和可持续发展具有重要 意义。
燃烧过程中的物质传递与热力学
燃烧过程中的物质传递与热力学涉及 到燃烧过程中物质和能量的传递与转 化过程。
燃烧学基础知识培训PPT课件
1.爆炸浓度极限：可燃的气体、蒸气或粉尘与空气 混合后，遇火会产生爆炸的最高或最低的浓度。
遇火会产生爆炸 的最低浓度，称为爆炸下限；遇 火会产生爆炸 的最高浓度，称为爆炸上限。
爆炸极限是评定可燃气体、蒸气或粉尘爆炸危险 性大小的主要依据。爆炸上、下限值之间的范围越大， 爆炸下限越低、爆炸上限越高，爆炸危险性就越大。
二、 不同物质的燃烧产物
1.单质的燃烧产物 一般单质在空气中的燃烧产物为该单质元素的氧 化物。
2.化合物的燃烧产物 一些化合物在空气中燃烧除生成完全燃烧产物外， 还会生成不完全燃烧产物。最典型的不完全燃烧产物 是一氧化碳（CO2），它能进一步燃烧生成二氧化碳。
3.合成高分子材料的燃烧产物 合成高分子材料在燃烧过程中伴有热裂解，会分 解产生许多有毒或有刺激性的气体，如氯化氢、光气、 氰化氢等。
第二节 燃烧类型
燃烧按其发生的瞬间的特点不同，分为闪燃、着 火、自燃、爆炸。
一、 闪燃
（一）闪燃的含义
定义:液体表面上能产生足够的可燃整齐，遇明火 产生一闪即灭的燃烧现象。
可燃液体之所以会发生一闪即灭的闪燃现象，是 因为液体在闪燃温度下蒸发速度较慢，蒸发出来的蒸 气仅能维持短时间的燃烧，而来不及提供足够的蒸气 补充维持稳定燃烧，故闪燃一下就熄灭。
4.木材的燃烧产物 木材是一种化合物，主要由碳、氢、氧元素组成， 主要以纤维素分子形式存在。木材燃烧主要生成二氧 化碳、水蒸气、甲酸、乙酸、一氧化碳等产物，也会 申城可燃蒸气及颗粒。
三、 燃烧产物的毒性
燃烧产物有不少是毒害气体，往往会通过呼吸道 侵入或刺激眼结膜、皮肤黏膜使人中毒甚至死亡。
据统计，在火灾中死亡的人约80%是由于吸入毒 性气体中毒而致死的。一氧化碳是火灾中最危险的气 体。
高等燃烧学导论
27.3 38.6 25.3 38.2 20.8 47.2 24.1 40.5 33.7 21.2
燃烧科学的应用
我国一次能源的消费结构(%) 我国一次能源的消费结构
年份 1953 1980 1993 2000 2020 2050 煤炭 94.33 72.2 75.80 70.06 67.75 60 石油 3.81 20.7 20.3 19.07 14.95 3.19 天然气 0.02 3.1 2.1 3.53 5.54 5.15 矿物燃 料总量 98.16 96 98.2 92.66 88.24 68.34 水电 1.84 4 1.8 6.67 8.75 6.15 核能及 新能源 0 0 0 0.067 3.05 25.51
燃烧科学的发展简史
关于火的神话传说：古希腊的普米修斯， 关于火的神话传说：古希腊的普米修斯，中国的 燧人氏等 17世纪末，德国人斯塔尔(G.E.Stahl)提出燃素论 世纪末，德国人斯塔尔 世纪末 提出燃素论
• 一切物质之所以能燃烧，是由于其中含有被称为燃素的 物质 • 燃素的本质是什么？ • 当燃素逸出到空气中就引起燃烧现象 • 为什么物质燃烧后重量反而增加？ • 逸出的程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰 • 为什么燃烧使空气体积减少？ • 物质易燃与不易燃的区别在于其中含有燃素量的多寡
燃烧科学的应用
在喷气、火箭技术高速发展的今天， 在喷气、火箭技术高速发展的今天，正在要求制 造出热强度高，运行范围广的燃烧装置， 造出热强度高，运行范围广的燃烧装置，并越来 越趋向于在高温、高压、高速下进行燃烧 越趋向于在高温、高压、 以上这些领域，均对燃烧过程的研究提出了更高 以上这些领域， 的要求，因此，如何高效、经济地控制燃烧过程， 的要求，因此，如何高效、经济地控制燃烧过程， 是燃烧学研究的一个重要方向
燃烧学的讲义第四章燃烧物理基础
的量m及流体的温度T总是在一个平均值上下不断的脉
动。
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脉动
瞬时速度w或
者瞬时压力p
Vww或Vpp
速度时均值w 压力时均值p
V l b
• w ( p ) 是瞬时真实速度w（或者压力p）对时间的
积分中值：
即 w 1 2 wd
V 1
及 w'ww
p 1 2 pd 及 p' p p
流流动—湍流。
• 湍流的特征：流体质点的速度w大小、方向和压力p都 随时间τ不断地变化，有时流体微团还会绕其瞬时轴无
规则、且经常受扰动的有旋运动，所以在流体中明显 出现很多集中的漩涡，不断地产生—消灭—再产生— 再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。
• 实验还发现湍流状态下，速度w、压力p、某组分物质
N A k CC A ,w C A , C A ,1 w / k C C A , 推 阻 动 力 力 速 率
• 与传热中的牛顿冷却公式形式相同。
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浓度边界层
• 在对流传质中，在界面上也象热边界层一样 会形成浓度边界层。扩散介质的浓度变化主 要发生在浓度边界层之内。
• 同理：第三项时均化后： y(wxwy)y(wx' w'y) • 第四项时均化后： z(wxwz)z(wx'wz' )
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时均化处理 :
• 重力项 • 压力项
1
V
2 1
gxd
gx
1 1 2 pd 1 p
V 1 x x
3
费克（Fick）第一定律
• 质量基准
高等燃烧学08煤的燃烧基础
Badzioch认为
V Q (1 VC )V P
参数Q、VC VP 由试验确定，并与加热速率有关。而 E、k0 是温度的函数。 应用情况： 1）不适合非等温解； 2）中温热解较合适，不适用高温状态
Stickler 的两个平行反应方程模型
模型认为：两类热解反应平行的进行，其中一个在较低的温度 下占优势，另一个在较高的温度下占优势。 daf 煤 k1↗ (1 - α1) R1 + α1 V1 k2↘ (1 – α2) R2 + α2 V2 式中： k1、 k2 热解反应速率系数； (1)
（8）
（9）
如果能由试验测出不同煤种，不同温度范围，不同加热速 率下 daf 煤质量损失过程 mc = mc(t) ，则可由试验来确定α1、 α2 ， Bv1，Bv2，E1，E2。由式（3）积分可得：
t mc exp k1 k 2 dt mc , 0 0 (10)
挥发分的组分有很多种，如： CO2 ， CO ， H2 ， H2O， HCN等等。但一般认为主要是甲烷、乙炔、 乙烯、乙烷的氧化反应。 Thurgood 和Smoot （1976）给出了氢气、甲烷、 乙炔、乙烯、乙烷氧化的基本反应速率常数。在 甲烷氧化中包含了41种基本的自由基反应。 Engleman （ 1976 ）提供了一个更广泛的基本气态 反应机理的评述，其中甲烷氧化中包含了332个反 应。
Gv1 Gv 2 dmv1 dmc c1 1 1m dt dt 1 dmv 2 dmc c2 2 2 m dt dt 2
(5)
因此，得到的煤挥发分生成率（kg/s）:
Gv1 1mc k1 1mc Bv1 exp( E1 / RT p ) Gv 2 2 mc k 2 2 mc Bv 2 exp( E2 / RT p ) Gv Gv1 Gv 2 ( 6)
第1章_燃烧化学反应动力学基础
35
六 基元反应的化学反应速率:
1 双分子反应:燃烧中发生的大多数基元反应
A B C D
2 H 2O 例 对H2与O2的燃烧,其总包反应: 2 H 2 O2
其双分子反应:
H 2 O2 HO2 H
H O2 OH O OH H 2 H 2O H
' ' a b
注意此式应是基元反应
w kcA cB k ：化学反应速率常数，也称 反映了进行燃烧化学反应难易 的性质（活性，反应能力）， 比反应速率。（反应物浓度均 该值仅与反应物的种类和温度 为单位1时的反应速率） 有关，与压力和浓度无关。
292、用分子碰ຫໍສະໝຸດ 理论论证2 A B C
mA A V
kg / m3
nA cA V
(mol / m3 )
nA p A V RT
p AV nA RT c A
R : 通用气体常数 8.314 J / mol K
24
3．摩尔分数
nA xA nA nB ...
摩尔分数与物质的量浓度之间的关系：
RT xA cA p
六 基元反应的化学反应速率:
3 三分子反应:
A B M C M
例:
瞬时速率
26
2 表达式： 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
dc A w d
示。但均取正值。
' ' '' '' A B G 例： a b g hH ' ' '' '' a , b , g , h 为各物质的化学计量系数
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
高等燃烧学03章
高等燃烧学第三章王辉2016-11第三章多组分反应系统的守恒方程1、本章学习提示⏹多组分系统的扩散系数、扩散方程⏹三维系统下多组分燃烧的方程组及其定解条件⏹典型一维多组分系统的守恒方程及其定解条件：一维沉降炉的燃烧模型及其定解条件。
⏹二维反应边界层的控制方程⏹泽尔多维奇变换、广义雷诺比拟、非均相燃烧的相界面无迁移假设及其误差分析需要同学们学习的内容⏹如何处理多组分系统的扩散系数及扩散方程？注意扩散方程和质量守恒方程的关系。
⏹如何确定三维系统下多组分燃烧的方程组及其定解条件？⏹如何对典型一维多组分反应系统进行求解？⏹如何确定二维反应边界层的控制方程？方程有哪些简化？⏹如何应用泽尔多维奇变换、广义雷诺比拟、非均相燃烧的相界面无迁移假设进行方程简化？如何处理多组分系统的扩散系数及扩散方程？2多组分系统中浓度速度和质量、多组分系统中浓度、速度和质量通量的定义⏹质量浓度（单位体积中所含i 组分的质量）i ρ⏹摩尔浓度（单位体积中i 组分的摩/i i i C M ρ=尔数）⏹质量分数（质量相对浓度）（i 组分/i i Y ρρ=的质量浓度除以混合物的总质量密度）⏹=摩尔分数（摩尔相对浓度）（i 组分的摩尔浓度除以混合物的总摩尔浓度）/i i X C C在流动系统中，我们更感兴趣的是给定组分相对⏹于和的速度，而不是相对于静止坐标系的v*v 速度。
扩散速度表示了i 组分相对于混合物流体当地运动的速度。
⏹质量扩散速度：i i V v v=- ⏹摩尔扩散速度：**i i V v v=-⏹i 组分的质量（或摩尔）通量定义为在单位时间内通过单位面积的i 组分质量（或摩尔数），它是一个向量。
相对于静止坐标系的质量通量和摩尔通量分别为："i i i m v ρ= "i i i nC v =⏹相对于混合物质心的质量通量和摩尔通量则定义为：()i i i i i i iJ v v V YV ρρρ=-== ***()i i i J C v v C V =-= i i*""N j nX n =- *N = 1i i i j J =∑1i i J =∑Fick 定律的一般的表达式的一维形式："""()"""A A AB AB Am Y m m D Y ρ=+-∇=-∇ 质量通量表达式()A A A B AB An X n n CD X +摩尔通量表达式所有组分扩散通量之和应该等于零：0AB A AB BD Y D Y ρρ-∇-∇= ,0i diff m ''=∑ 以上扩散过程是双组分的分子扩散，由浓度梯度引起，即普通扩散或常规扩散。
5章高等内燃机学中的燃烧学-2008(可编辑修改word版)
教材: 内燃机燃烧科学与技术，自编教材，2004 年 4 月。
涉及教材中的第 1、3、4、5、6、7、11、12 章李向荣发动机实验室202室T e l:5713li x r@b i t.e d u.c n参考文献：(1)蒋德明著。
内燃机燃烧与排放学。
西安交通大学出版社，2001.7(2)傅维镳等。
燃烧学。
高等教育出版社，1989.4(3)张平编著。
燃烧诊断学。
兵器工业出版社，1988.12(4)徐旭常等编。
燃烧理论与燃烧设备。
清华大学热能工程系，1988.10(5)何学良等编著。
内燃机燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
T K407.9/2(6)龚允怡编。
内燃机燃烧基础。
机械工业出版社，1989。
TK401/16(7)陈家骅等编。
内燃机燃烧。
哈尔滨船舶工程学院出版社，1986。
T K413.2/2(8)陈义良等编译。
燃烧原理。
航空工业出版社，1992。
TK16/17(9)常弘哲等编。
燃料与燃烧。
上海交通大学出版社，1993。
(10)魏道远主编。
内燃机燃烧与排放控制。
中国铁道出版社，1992。
TK401/19(11)魏象仪编。
内燃机燃烧学。
大连理工大学出版社，1992。
TK401/20(12)解茂昭著。
内燃机计算燃烧学，大连理工大学出版社，1995.12(13)岑可法著。
高等燃烧学，浙江大学出版社，2002.12(14)周校平等编著。
燃烧理论基础，上海交通大学出版社，2001.1(15)汪亮编著。
燃烧实验诊断学，国防工业出版社，2005.5(16)岑可法等编著。
燃烧理论与污染控制，机械工业出版社，2004.6北京理工大学图书馆馆藏参考文献：(1)许晋源等。
燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
T K16/4=2(2)(美)威廉斯著。
燃烧理论－化学反应流动系统的基础理论。
科学出版社，1990.6。
0643.2/2=2(3)何学良等编著。
内燃机燃烧学。
机械工业出版社，1990.5。
T K407.9/2(4)张斌全编著。
燃烧学导论知识点总结
燃烧学导论知识点总结燃烧学是研究燃烧现象和燃烧过程的一门学科，它是热力学和化学的交叉领域，对于我们的生活和生产具有非常重要的意义。
燃烧学导论是燃烧学这门学科的入门课程，主要介绍了燃烧现象、燃烧原理、燃料和氧化剂的选择以及燃烧过程中的热学和动力学问题。
本文将对燃烧学导论的主要知识点进行总结和分析。
一、燃烧现象1.燃烧的定义和基本特征燃烧是一种氧化反应，通常伴随着火焰、热量和光的释放。
燃烧过程具有三个基本特征：火焰、热量和光。
火焰是燃烧过程中产生的可见光和热辐射，是燃烧的主要特征之一。
热量是燃烧过程中产生的能量，它使燃料和氧化剂分子之间的化学键断裂，从而产生新的化合物。
光是燃烧过程中产生的可见光和紫外光，它是燃烧过程的一个重要特征。
2.燃烧的基本要素燃烧的基本要素包括燃料、氧化剂和点火源。
燃料是指能够在氧化剂的作用下发生化学变化的物质，通常包括固体、液体和气体三种状态。
氧化剂是指能够与燃料发生氧化反应的物质，最常用的氧化剂是空气中的氧气。
点火源是指能够使燃烧反应开始的能量来源，通常包括火花、高温或者化学助燃剂。
3.燃烧过程的控制因素燃烧过程的控制因素主要包括燃料的种类、氧化剂的供应和点火源的质量。
燃料的种类是指不同类型的燃料对于燃烧过程的影响，不同种类的燃料具有不同的燃烧特性。
氧化剂的供应是指氧气对于燃烧过程的供应，如果氧气供应不足，燃烧反应将受到限制。
点火源的质量是指点火源对于燃烧过程的起始作用，质量好的点火源可以使燃烧反应更加迅速和充分。
二、燃烧原理1.燃烧反应的能量变化燃烧反应是一种放热反应，它会释放大量的热量。
热量的释放是由于燃料和氧化剂分子之间的化学键断裂而产生的。
燃烧反应的能量变化可以用燃烧热和生成热表示，燃烧热是指单位质量燃料完全燃烧释放的热量，生成热是指燃烧过程中产生的新化合物所释放的热量。
2.燃烧反应的化学方程式燃烧反应的化学方程式是燃料和氧化剂发生反应形成新化合物的化学方程式。
燃料和氧化剂之间的化学反应会产生新的化合物和释放能量。
燃烧理论PPT课件
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。
浙大高等燃烧学导论和基础 [兼容模式]
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煤燃烧火焰
1
燃烧科学的发展简史
对火的认识
燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，这种 现象又称为“火” “摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从 而最终把人和动物分开” 火的使用是人类出现的标志之一 第一次产业革命(18 世纪60 年代)在英国出现， 其标志就是蒸汽机的产生，这是人类在火(燃烧) 现象的长期知识和经验积累的结果
第七讲：液体燃烧的燃烧理论，除了介绍经典的油滴蒸 发燃烧的理论，如Stefan流等的影响等。
第八讲：讨论煤的热解和燃烧的理论，内容包括煤的热 解、煤的加热和着火、煤的着火模式理论、碳球的燃烧、 煤燃烧过程等理论；
燃素逸至空气中时就引起了燃烧现象，逸出的 程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰。 物质易燃和不易燃的区别，就在于其中含有燃 素量的多寡不同
这一学说对于许多燃烧现象无法说明：
燃素的本质是什么? 为什么物质燃烧重量反而增加? 为什么燃烧使空气体积减少?
燃烧学的不断发展
燃烧学的不断发展(续）
火是神的贡献，是普鲁米修斯为了拯 救人类的灭亡，从天上偷来的 在我国，燧人氏钻木取火的故事更为 切合实际和动人 但这些离火的本质相距甚远
燃素论
十七世纪末叶德国化学家贝歇尔(J.J.Becher) 和斯塔尔(G.E.Stahl,1660～1734)提出燃素论解 释燃烧现象 一切物质之所以能够燃烧，都是由于其中含有被 称为燃素的物质 一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸 收燃素与释放燃素的过程
3
激光诱导荧光仪（ PLIF ）
红外热重色谱联用仪
飞行时间质谱仪
浙大高等燃烧学燃料的着火理论_程乐鸣_2013_9
燃烧过程第一阶段：着火阶段 可燃混合物着火方式
※ 自燃着火（热力着火）
依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐积累热 量和活化分子， 自行加速反应，最后导致燃烧 [化学自燃：不需外界给入热量，在常温下依靠 自身的化学反应发生的着火]
※ 点燃（强迫着火）
用电火花、电弧、热板等高温源使混合气局部地 区受到强烈地加热而首先着火、燃烧，随后这部分 已燃的火焰传播到整个反应体系的空间
符号问题：查阅原文，推进条件，符号意义
第3节自主作业：
1. 查阅文献资料，讨论目前燃烧理论研究主要方向，各方向 的热点及其研究原因，目前世界上主要研究小组情况； 2. 查阅文献资料，讨论目前在着火理论方面的①研究热点， 讨论其作为研究热点的原因，目前世界上主要研究小组情 况、实验方法、实验装置、测试手段，实验主要结果、存 在问题分析和你们的想法；②主要模型其发展，目前世界 上主要研究小组情况，计算方法，采用软件，主要结果， 你们的想法 3. 火焰传播方面 4. 湍流燃烧理论方面 提交报告，我部分第3节课ppt讲述、讨论（分成4大组，每 大组分成2小组，初定**人/组） 参考文献：作者，题目，刊物/论文集，卷号，期号，页码
2 cPVRTC
注意推导过程中 的一些考虑实际 情况的假设应用
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qk 0 C n E
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与谢苗诺夫所得结果也是一致的
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常数
热自燃理论的最新发展
谢苗诺夫及费朗克--卡门涅茨基的分析方法都 是基于在无反应物浓度变化，放热条件恒定及 常物性等条件而进行的。 这些假定条件与实际过程有较大距离。 后续的研究者针对这些假定作出了许多更符合 实际的分析和研究。2级及以上阶数反应。
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煤燃烧火焰
1
燃烧科学的发展简史
对火的认识
燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，这种 现象又称为“火” “摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从 而最终把人和动物分开” 火的使用是人类出现的标志之一 第一次产业革命(18 世纪60 年代)在英国出现， 其标志就是蒸汽机的产生，这是人类在火(燃烧) 现象的长期知识和经验积累的结果
燃烧学
第一讲 第 讲
李晓东
导论
扩散火焰
预混火焰
为什么学习燃烧学?
火是人类文明的标志 燃烧现象无处不在 燃烧是化学发展的主线 燃烧是能源贡献的主要方式 燃烧是大气环境污染的主要来源
课程目的：从物理化学角度认识燃烧过程
燃烧的定义
燃烧 —燃料和氧化剂两种组分在空间激烈 地发生放热化学反应的过程 燃烧的两个特征：发光、发热 燃烧过程是一个复杂的物理、化学的综合 过程，它包括燃料和氧化剂的混合、扩散、 预热、着火以及燃烧、燃烬等过程
上世纪 80 年代，英、美、俄、日、德、中、法 等的工作，形成了“计算燃烧学” ； 定量预测燃烧过程和燃烧技术，使燃烧理论及 其应用达到了 个新的高度 其应用达到了一个新的高度； 燃烧过程测试手段的进展，先进的激光技术， 现代质谱、色谱等光学，化学分析仪器，改进 了燃烧实验的方法，提高了测试精度，研究燃 烧过程的各种机理； 燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。
Reacting flows
从化学反应流到反应流的定义变迁
6
课程内容
第六讲：湍流燃烧理论与模型，这是目前发展较快的新 的理论成果，介绍经典的表面皱折和容积燃烧两种湍流 燃烧模型；
第一讲： 导论 第二讲：主要介绍化学热力学基础知识和化学动力学的 基础知识; 第三讲：将对燃烧物理学基本方程进行分析，重点介绍 斯蒂芬 （ Stefen St f ）流和相分界面上边界条件，以加深 ）流和相分界面上边界条件 以加深 对燃烧反应边界条件的认识 第四讲：经典的燃料的着火理论，内容包括经典的热力 爆燃理论，点火理论和强迫着火理论。 第五讲：火焰传播理论，主要介绍正常火焰传播和火焰 稳定的基本原理及这一理论用于燃烧稳定的方法的理论 基础；
新能源和可再生能源
新能源： 新能源又称非常规能源。是指传统化石能源之外的各种 能源形式。新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、 氢气、生物质能等。新能源包括了核能源和可再生能源。 可再生能源： 具有自我恢复原有特性，并可持续利用的一次能源。根 据联合国1981年新型能源和可再生能源会议的定义，包 括太阳能、水力发电、风能、生物质能、海洋热波浪力 能等十多种，主要指常规化石能源以外的可再生能源。 《中华人民共和国可再生能源法》 适用范围为：风力发电、生物质发电（包括农林废弃物 直接燃烧和气化发电、垃圾焚烧和垃圾填埋气发电、沼 气发电）、太阳能发电、海洋能发电和地热能发电。
冯·卡门
燃烧学的不断发展(续）
燃烧学的不断发展(续）
斯波尔丁 (D.B.
Spalding ，国际计算流体与计算传热的主要
创始人、英国帝国理工大学)在上世纪六十年代后期首
先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程 的数值解，并成功地接受了实验的检验； 遇到了湍流问题的困难，斯波尔丁和哈洛在 继承和发展了普朗特，雷诺和周培源等人的 工作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的 研究，提出了一系列的湍流输运模型和湍流 燃烧模型，并成功地对一大批描述基本燃烧 现象和实际的燃烧过程进行了数值求解。
The Hottel Lecture
Combustion at a Crossroads: Status and Prospects
C. K. Law Princeton University
Answers to Concerns (2/3)
Extend the scope of combustion:
我国生物质资源
(单位：亿吨标准煤 /年 )
城市垃圾 0.26 禽畜粪便 1.3 工业废弃物 0.35 农作物秸秆 3.3
林业生物质 1.25
中国工程院《中国可再生能源发展战略研究》2007
我国每年可供能源开发的废弃农作物秸秆量相当于2亿多吨标准煤， 如用于发电可提供4551亿度电能，这相当于2005年全国发电量的20%
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激光诱导荧光仪（ PLIF ）
红外热重色谱联用仪
飞行时间质谱仪
原子吸收光谱仪 色质联机
通过检测火焰中活性分子在特定波长的脉冲激光照射 下诱导发射出的荧光光谱信号，获知火焰中气态中间产 物的分布以及温度分布等特性。
Simutaneous PLIF of CH2O & CH
燃烧的应用领域
动力来源：锅炉、蒸汽动力、发动机 热源：冶金、化工、玻璃、化肥、水泥、 陶瓷 石油化 陶瓷、石油化工 生活：采暖、做饭 高温高压高速燃烧：火箭
燃烧技术的研究
主要是应用上述理论研究的结果来解决工程技术中 的各种实际问题：
燃烧科学研究方法
燃烧方法的改进及新的燃烧方法的建立 燃 燃 燃烧过程的组织，提高燃料利用率，拓宽燃烧 利用范围 改善燃烧产物的组成，实现对燃烧过程的控
燃烧科学发展最重要的形式是理论的更替，而理 论的更替正是科学实践的结果，也就是研究方法 的更替，从燃烧学发展的简史可以看出，仅有实 验的力量并不能决定理论的正确与否，如燃素说 的基础也是实验，但得到的却是错误的理论，燃 烧理论的建立是实验研究和理论总结的结合。 由于燃烧过程的复杂性，到目前为止，燃烧科学 的研究，仍然以实验研究为主，但理论和数学模 型的方法正显得越来越重要。
Answers to Concerns (1/3)
Combustion is a beautiful science, and remains intellectually stimulating 美丽的科学! Combustion has entered the period of quantitative science Combustion remains vital to technological and societal needs Heightened relevance with recent concerns on energy and climate Combustion has much to offer to the new sciences: embrace them! 值得我们去拥抱它!
24
4
燃烧的危害
大气有害污染物质
火灾：损失无法估量 大气污染：酸雨、温室效应
颗粒物： 指大气中液体、固体状物质，又称总悬浮物 硫氧化物： 是硫氧化物的总称 氮氧化物： 是氮氧化物的总称 碳的氧化物： 主要包括二氧化碳和 主要包括二氧化碳和一氧化碳 氧化碳 其它特殊有害物质： ※ 碳氢化合物：是以碳元素和氢元素形成的化合物， 如甲烷、乙烷以及多环芳烃等 ※ 持久性有机污染物（含氯有机污染物二恶英） ※ 重金属
制，控制燃烧过程污染物的形成与排放等等
5
燃烧过程的数学方法
数学模型方法
在流体力学、反应动力学和其他物理化学方程的 基础上，提出化学流体力学的全套方程组 目前的数学尚无力论证这组方程的通解和解的存 在性，这与通常的人们在一般条件下通过把体现 燃烧理论的那些基本方程的解与实验研究对比的 方法来检验和发展理论的过程不相一致，致使燃 烧学长期停留在实验、总结的阶段。
火是神的贡献，是普鲁米修斯为了拯 救人类的灭亡，从天上偷来的 在我国，燧人氏钻木取火的故事更为 切合实际和动人 但这些离火的本质相距甚远
燃素论
十七世纪末叶德国化学家贝歇尔(J.J.Becher) 和斯塔尔(G.E.Stahl,1660～1734)提出燃素论解 释燃烧现象 一切物质之所以能够燃烧，都是由于其中含有被 称为燃素的物质 一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸 收燃素与释放燃素的过程
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燃烧学的不断发展(续）
燃烧学的不断发展(续）
19 世纪，由于热力学和热化学的发展，燃 烧过程开始被作为热力学平衡体系来研究， 从而阐明了燃烧过程中一些最重要的平衡 热力学特性，如燃烧反应的热效应、 力学特 如燃烧 应 效应 燃烧 产物平衡组成、绝热燃烧温度、着火温度 等 热力学成为燃烧现象认识的重要而唯一的 基础
燃素逸至空气中时就引起了燃烧现象，逸出的 程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰。 物质易燃和不易燃的区别，就在于其中含有燃 素量的多寡不同
这一学说对于许多燃烧现象无法说明：
燃素的本质是什么? 为什么物质燃烧重量反而增加? 为什么燃烧使空气体积减少?
燃烧学的不断发展
燃烧学的不断发展(续）
OLD DEFINITION
Answers to Concerns (3/3)
Chemically reacting flows with large exothermicity Reacting flows activation energy
NEW DEFINITION
Current slowdown is cyclical; anticipate a period of robust growth Future in F i combustion b i is i bright b i h for f the h younger generation 周期性低潮, 光明的未来!
近年来计算机的迅猛发展，提供了一套在一般条 件下用数值方法求解上述方程组的可能性，可以 求出各种理论数学模型的解，通过把该解与相应 的实验 究结 的实验研究结果对比、检验、发展和优化的理论 检验 发 优化的 论 模型，从而深入认识现有燃烧过程，预示新的燃 烧现象，进一步揭示燃烧规律。 燃烧理论与错综复杂的燃烧现象有机地联系起来， 使燃烧学科上升到系统理论的高度。