高等燃烧学讲义第13章(郑洪涛4学时)
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
《高等焚烧学》习题集与解答第一章绪论1、什么叫焚烧？答：焚烧标准化学定义：焚烧是一种发光发热的激烈的化学反响。
焚烧的广义定义：焚烧是指任何发光发热的激烈的化学反响，不必定要有氧气参加。
2、焚烧的实质是什么？它有哪些特色？举例说明这些特色。
答：焚烧的实质是一种氧化复原反响。
它的特色是：放热、发光、发烟并伴有火焰。
3、如何正确理解焚烧的条件？依据焚烧条件，能够提出哪些防火和灭火方法？答：可燃物、助燃物和点火原始焚烧的三因素，要发生焚烧，可燃物和助燃物要有必定的数目和浓度，点火源要有必定的温度和足够的热量。
依据焚烧的条件，能够提出一下防火和灭火的方法：防火方法： a、控制可燃物；b、隔断空气；c、消除点火源灭火方法： a、隔绝法； b、窒息法； c、冷却法； d、克制法4、我国当前能源与环境的现状如何？电力市场的现状如何？如何对待焚烧科学的发展远景？答：我国当前能源环境现状：一、能源丰富而人均花费量少我国能源固然丰富，可是散布不平均，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少。
固然在生产方面，自解放后，能源开发的增添速度也是比较快，但因为我国人口众多，且人口增添快，造成我国人均能源花费量水平低下，仅为每人每年 0.9 吨标准煤，而 1 吨标准煤的能量大体能够把 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当前状况看，煤炭仍旧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率是相当大的。
以煤为主的能源构成以及62％的燃煤在陈腐的设施和炉灶中沿用落伍的技术被直接焚烧使用，成为我国大气污染严重的主要本源。
据历年的资料估量，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、特别是降尘量大；污染冬季比夏季严重；我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨；能源的利用率低增添了煤的耗费量。
高等燃烧学讲义第10章(郑洪涛1学时)
• 采用上述计算得到的蒸发常数，如果液滴直径为50μm， 则td 是10ms的量级。
第十章 液滴的蒸发与燃烧—— 10.3 液滴燃烧的简化模型——假设
• 下面的假设仍保留着基本物理特性且和实验符合得很好: • (1) 被球对称火焰包围着的燃烧液滴，存在于静止、无限的介质中。 无其他液滴的影响，也不考虑对流的影响。 • (2) 燃烧过程是准稳态的。 • (3) 燃料是单组分液体，没有溶解性，界面处于相平衡。 • (4) 压力均匀一致而且为常数。 • (5) 气相只包括三种组分：燃料蒸气、氧化剂和燃烧产物。气相可以 分成两个区：在液滴表面与火焰之间的内区仅包括燃料蒸气和产物， 而外区包括氧化剂和产物。这样，每个区域中均为二元扩散。 • (6) 在火焰处燃料和氧化剂以化学当量反应。假设化学反应动力学过 程无限快，则火焰表现为一个无限薄的面。 • (7) 路易斯数为1。 • (8) 忽略辐射散热。 • (9) 气相导热系数kg、比定压热容cpg以及密度和二元扩散系数乘积ρƊ 都是常数。 • (10) 液体燃料液滴是唯一的凝结相，没有碳烟和液体水存在。
• 有两种类型的液体火箭:压力给料，这类火箭的燃料和氧 化剂在高压气体作用下被送入燃烧室;泵给料，这类火箭 由涡轮泵提供燃料。 • 火箭发动机的氧化剂是液体。燃烧之前要求燃料和氧化剂 都汽化，通常由两种液体喷射撞击形成一个液体膜。 • 这个膜很不稳定，先发散成线或带状，然后分裂成液滴。 另外，需要用很多喷射器来分配燃烧室直径方向的推进剂 及氧化剂。预混和扩散燃烧在火箭发动机燃烧中都很重要。
第十章 液滴的蒸发与燃烧—— 10.2 液滴蒸发的简单模型——气相分析
• 运用常物性及Lewis数为1的假设，纯蒸发过程中没有化学 反应发生，反应速率为零，则该方程可改写为
大学课件燃料与燃烧
内在水分inherent moisture 又称固有水分，需要在较高温度 下才能从煤中除掉。
挥发分V
特点：并不是以固有的形态存在于煤 中，而是煤在加热过程中分解后析出的 产物。 组成：主要由各碳氢化合物、氢、 一氧化碳、硫化氢等可燃气以及少量 氧、二氧化碳、氮气等不可然气组成 坩埚 马弗炉
第一篇 第二篇 第三篇 第四篇
燃料概论 燃烧反应 燃烧基本原理 煤的气化 燃烧方法与燃烧装置
固体燃料
内容概要
液体燃料
16
固体燃料的燃烧 15
液体燃料的燃烧 14
1
2 3
气体燃料
空气需要量和 4 燃烧产物生成量
气体燃料的燃烧
13 12
燃料及燃烧
5 燃烧温度
6 10 9
着火过程
火焰的结构及稳定
11
异相燃烧
含量低于100ppm的，称之为痕量元素，多指重金属
在100~1000ppm之间的，称为次量元素，常指矿物质
高于1000ppm的，为主量元素，即指碳、氢、氧、氮、硫 重金属：铅、铬、铜、锌等 矿物质：钙、硅、铝、铁、镁等
煤的元素分析(Ultimate analysis of coal)是指对煤中的碳
•C（固定 碳和挥发 分中的C） •H •S（可燃 硫 和硫酸 盐硫）
外部杂质 M（内、外）、A
煤的元素分析，工作量大，复杂，工程上多应用工业分析 成分。此外，还需要了解发热量、灰熔点等其他煤质特性
工业分析成分构成(Proximate analysis)：水分、灰分、
挥发分和固定碳；其中灰分和固定碳合称为焦炭
第一章 固体燃料
煤是古代植物埋藏在 地下经历了复杂的生 物化学（缺氧、厌氧 细菌分解）和物理化 学（温度、高压、地 壳运动），变化逐渐 形成的固体可燃性矿 物 我国能源资源中煤炭 在一次能源消费结构 中约占70%，是世界 上为数不多的以煤为 主要能源的国家。
《消防燃烧学》讲义(DOC)
第一部分绪论第一节前言一、《消防燃烧学》课程的形成与发展背景所谓燃烧，是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）发烟的现象，在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，就是火灾，它是最常见的灾害之一。
消防燃烧学是研究火灾的发生、发展和熄灭的基本规律，以及防火、防爆和灭火的一般原理的科学。
现在在世界范围内，不仅火灾发生的频率增加，而且火灾向着多样化、复杂化的方向发展，由其引起的直接损失及其防治费用均呈上升趋势。
仅在我国，每年发生火灾十几万起，有6千人死于火灾，直接经济损失高达50亿以上。
因此，预防和控制火灾对保障人民生命财产的安全具有极其重要的意义。
为了预防和控制火灾，不仅要增加监测和扑救的人力和装备，更要研究火灾燃烧发生、发展和熄灭的基本规律及防火、防爆和灭火的一般原理，把火灾防治建立在对火灾燃烧过程科学认识的基础上，为火灾的预防与控制提供理论指导和基础数据，以不断适应当今消防科技发展进程中火灾认识科学化和火灾预防与控制工程化这一深刻变革，顺应新形势下消防工作对高素质、专家型人才培养的要求。
所有这些，为《消防燃烧学》课程的形成与发展提供了深厚的现实背景。
二、《消防燃烧学》课程的主要内容1、物理、化学基础——包括燃烧反应速度、热量传递和物质传递理论以及燃烧有关参数的计算等内容。
2、着火、灭火理论——包括可燃物着火方式、热着火理论、链锁反应理论、着火和灭火条件、着火感应期、最小引燃能以及火焰传播等内容。
3、可燃物质燃烧特点——包括可燃气体爆炸条件、爆轰理论、有关参量计算及其预防措施；可燃液体闪燃规律、石油及其产品着火后的沸溢和喷溅问题；可燃固体的燃烧模式、阻燃机理、粉尘和火炸药爆炸问题。
4、室内火灾燃烧特征——包括室内火灾燃烧的主要特点、发展阶段、轰燃的本质与特点、烟气的流动特征、室内火灾过程的计算机模拟、火灾模化相似理论等。
5、火灾燃烧实验技术——包括各类可燃物质燃烧或爆炸的特性及有关参数测定；火灾模化实验；计算机模拟技术，等等。
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
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
高等燃烧学讲义第12章(郑洪涛4学时)
第十二章 湍流预混火焰—— 12.3 褶皱层流火焰模式
• 在褶皱层流火焰模式下，化学反应区很薄。如图12.8中所 示，只有当Da＞1时，才会有上述现象，并且与湍流雷诺 数有关，这表明可以用快速化学反应模式确定反应薄层。 • 发动机中反应薄层典型的丹姆克尔数约为500。此时湍流 雷诺数Rel0约为100。在这种情况下，湍流强度v’rms与层流 火焰速度SL在同一数量级上。 • 分析湍流燃烧的褶皱层流火焰模式的最简单的方法是假设 小火焰为一维平面层流火焰，并以相同的速度传播。这样， 湍流唯一的作用就是使火焰面褶皱，从而增大火焰面积。 • 因此，湍流火焰速度与层流火焰速度的比值就相当于褶皱 火焰面积与式(12.1)中定义的时间平均火焰面积之比。 • 如图12.9所示，可以将湍流燃烧速率ṁ表示为小火焰面积 和速度、密度的乘积形式：
第十二章 湍流预混火焰—— 12.3 褶皱层流火焰模式
• 例12.3 一台实验用火花点火发动机，用激光多普勒测速 仪测量其平均和脉动速度。在下列条件下计算湍流火焰速 度：v’rms=3m/s，P=5atm，Tu=500℃，Φ=1.0(丙烷-空气)。 残余已燃气体与新鲜空气混合的质量分数为0.09。 • 解：分别用克里莫夫和丹姆克尔公式来计算湍流燃烧速度。 • 因： • 所以：
高等燃烧学讲义第8章(郑洪涛4学时)
第八章 层流预混火焰—— 8.3 简化分析——求解
• 例8.2 用方程(8.20)所表示的简化方法计算化学当量下的 丙烷-空气混合物的层流火焰速度。采用总包的一步反应 机理(表5.1中的式(5.2))来计算平均反应速度。 • 解：从方程(8.20)计算层流火焰速度为
• 问题是如何求 和α。因上述简化理论假设反应是在火 焰厚度的后半部进行的(δ/2< x <δ)，设Tb=Tad=2260K(第2 章)及Tu=300K，采用下述的平均温度来计算反应速度:
第八章 层流预混火焰—— 8.2 物理描述——重要特征
• 当空气减少到小于化学计量比的时候，快速反应区呈蓝绿 色，这是由于被激活的C2辐射之故。 • 在这两种火焰中，OH都会发出可见光。另外，反应CO+O →CO2+hv会发出化学荧光，只是程度要弱一些。 • 如果火焰更加缺氧的话，就会生成碳烟，形成黑体辐射。 • 尽管碳烟辐射强度的最大值处于光谱的红外区(回忆一下 维恩定律)，但人眼的感光性使我们看到的是从亮黄(近白) 到暗橘色的发射光，具体的颜色取决于火焰的温度。
第八章 层流预混火焰—— 8.2 物理描述——重要特征
• 燃料分子的消耗和许多中间组分的生成发生在快速反应区， 这一区域发生的主要反应是双分子反应。 • 在常压下，快速反应区很薄，典型的厚度小于1mm。因此， 这个区域内的温度梯度和组分的浓度梯度都很大。这些梯 度提供了火焰自维持的驱动力：热量和自由基组分从反应 区扩散到预热区。 • 慢速反应区由三自由基的合成反应支配着，反应速度比典 型的双分子反应要慢得多，CO最终的燃尽通过反应CO+OH →CO2+H来完成。在1atm下的火焰中，慢速反应区可以延 伸到几毫米。 • 烃类火焰的另一个特征是可见的辐射。 • 在空气过量时，快速反应区呈蓝色。蓝色的辐射来源于在 高温区域被激活的CH自由基。
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。
高等燃烧学讲义第14篇(郑洪涛0学时)
第十四章 固体的燃烧—— 14.3 碳的燃烧——概述
• 煤粉燃烧时，在挥发性物质从煤颗粒中脱掉并燃烧之后将 有焦炭生成。随后焦炭的燃尽是整个燃烧过程包括需要的 停留时间和燃烧空间大小的控制过程。而且，相当大部分 的热量是通过焦炭颗粒的燃烧辐射出去的。
• 图14.2示出了在反应边界层内一个燃烧的碳表面。在此表 面上，主要根据碳表面温度不同，碳可以同O2、CO2或者 H2O发生如下的总包反应:
吹入一次风区，一次风提供了总燃烧风量的20%。在一次 风中，氧气消耗于挥发分产物的燃烧。
• 二次风通过二次风口以高速进入，并与焦炭以及来自锅炉 下部的燃烧产物混合燃烧。
• 经充分换热后，烟气被送入除尘和脱硫装置，有时还有脱 硝装置。锅炉系统中有相当大一部分为空气污染控制炉
• 然而这一方法的复杂性在于碳表面是多孔的，其表面的详 细属性又随碳氧化的过程而改变。
• 因此，在一定的条件下，颗粒内部扩散在碳的燃烧中发挥 着重要的作用。
第十四章 固体的燃烧—— 14.3 碳的燃烧——概述
• 碳燃烧的简化模型是基于图14.2给出的总包反应，并且通 常假定扩散无法通过固体表面。
• 根据表面和气相化学的假定，有几种不同的建模方法。 • 单膜模型：气相中没有火焰面，最高温度点在碳的表面。
• (6) 碳颗粒对气相组分具有不透过性，即内部扩散可忽略。 • (7) 碳颗粒温度均匀，以灰体形式和外界辐射换热。
第十四章 固体的燃烧—— 14.3 碳的燃烧——单膜模型
• 图14.3示出了基于上述假设的基本模型，表明了各气相组 分的质量分数和温度分布随径向的变化。
• 二氧化碳的质量分数在表面处达到最大值，而远离颗粒表 面无穷远处为0；氧气的质量分数在表面处最小。
江苏自考12406消防燃烧学重点复习
江苏自考12406消防燃烧学重点复习第一章火灾燃烧基础知识一、填空1、燃烧从本质上讲，是一种特殊的氧化还原反应。
2、燃烧三要素：要发生燃烧反应，必须有可燃物、助燃物和点火源。
3、根据火三角形，可以得出控制可燃物、隔绝空气、消除点火源、防止形成新的燃烧条件阻止火灾范围的扩大四种防火方法。
4、根据燃烧四面体，可以得出隔离法、窒息法、冷却法、化学抑制法四种灭火方法。
5、燃烧按照参与燃烧时物质的状态分类，可分为气体燃烧、液体燃烧和固体燃烧；按照可燃物与助燃物相互接触与化学反应的先后顺序分类，燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧；按照化学反应速度大小分类，燃烧可分为热爆炸和一般燃烧；按照参加化学反应的物质种类分类，燃烧可分为化合反应燃烧和分解反应燃烧两类；按照反应物参加化学反应时的状态分类，燃烧可分为气相燃烧和表面燃烧；按照着火的方式分类，燃烧可分为自燃和点燃等形式。
6、热量传递有三种基本方式：即热传导、热对流和热辐射。
7、释放热量和产生高温燃烧产物是燃烧反应的主要特征。
8、物质的传递主要通过物质的分子扩散、燃料相分界面上的斯蒂芬流、浮力引起的物质流动、由外力引起的强迫流动、紊流运动引起的物质混合等方式来实现。
9、物质A在物质B中扩散时，A扩散造成的物质流与B中A物质的浓度梯度成正比，这个梯度可有三种表示方法，分别是浓度梯度、分压梯度和质量分数梯度。
10、管道高度越高，管道内外温差越大，烟囱效应越显著。
11、烟气是火灾使人致命的主要原因。
烟气具有的危害性包括：缺氧、窒息作用；毒性、刺激性及腐蚀性作用；烟气的减光性；烟气的爆炸性；烟气的恐怖性；热损伤作用。
12、烟气的主要成分：CO、CO2、HCI、SO2、NO2、NH3等气态产物。
二、简答1、燃烧的本质：是一种特殊的氧化还原反应。
燃烧的特征：燃烧时可以观察到火焰、发光、发烟这些特征。
例如：蜡烛燃烧时可以观察到花苞型火焰，实际火灾中的火焰呈踹流状态；停电时蜡烛发出的光可以照亮周围，实际火灾中物质燃烧的火光能够照亮夜空；蜡烛棉芯较长时很容易观察到火焰上方有黑烟冒出，在蜡烛上方放置冷瓷器时，可以观察到烟炱，实际火灾中更可以观察到浓烟滚滚的现象。
高等燃烧学
高等燃烧学1. 捷尔道维奇：针对二维无穷大平板边界层反应流动，将含有燃烧反应速率源项的偏微分方程组中的动量、能量及组分守恒方程改造成相同形式。
2.广义雷诺比拟：将捷尔道维奇变换进一步改造，使其边界条件也成为相同形式。
3.斯蒂芬流：在相分界面处既有扩散现象存在，同时又有物理或化学过程存在。
4.自由射流火焰结构：层流：边沿光滑,稳定,明亮；湍流：边沿颤动,皱折,破裂。
5.受限射流火焰：受限射流火焰长度比自由射流火焰长度长，且其随θ的减小而增大。
6.旋转射流火焰：具有切向速度，旋转产生轴向、径向的压力梯度，并在轴向产生回流区，可以提高火焰的稳定性与燃烧强度。
7.着火：指预混可燃气体反应的自动加速、自动升温而引起某个空间或某个瞬间出现火焰的过程，此过程中化学反应速度出现跃变。
8.着火方式：化学自燃、热自燃、热点燃。
9.着火机理：热自燃（化学链锁反应）Q产生>Q散发（Q换成P）→W↗→着火。
1.本生灯：是一个垂直的圆管，其中流动着均匀的可燃混合气。
混合气在管口处被点燃后，将形成稳定的正锥体形层流火焰前锋，火焰由内外两层火焰锥组成。
2.火焰稳定机理：用钝体改变高速混气的速度场分布，实现SL=un；在钝体的后方形成两个高温回流区，作为混气的固定点火源。
3.火焰稳定方法：用逆向射流；用回流热气体；用金属丝棒环；用值班火焰。
4.谢苗洛夫：反应放热曲线与系统向环境散热的散热曲线相切就是着火的临界条件，谢分析法认为在容器内温度与浓度是均匀的，而只研究过程随时间的变化。
5.弗朗克：以体系最终是否能得到稳态温度分布作为自燃着火的判断准则，给出了热自燃的稳态分析方法。
6.折算薄膜方法：将一个真空的二维轴对称对流传热传质问题转化为一个假想的等值球对称的导热与扩散问题。
a.不考虑蒸发和燃烧，将液滴看成是一个只与气流有对流换热的固体球，将对流换热转化为球对称导热问题；b.不考虑对流的存在，只研究这个假想的有分子导热和扩散的球壳内的蒸发与燃烧。
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第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 图13.5是氢气-空气射流火焰中OH基的瞬时平面图像，清 楚地显示了富含OH基的高温区的旋卷形褶皱特征。 • 可以看到，随着下游距 离的增加，火焰区域(OH 基区域 ) 也随之增加，最 后在火焰顶部出现一个 很大的高温区。 • 温度场图像显示，有的 区域热量层很薄而温度 梯度很大，有的热量层 宽，其中温度几乎一致。 • 在很窄的火焰区域内 ， 流体的结构非常复杂。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 假设湍流质量扩散系数与动量传递的相同，则燃料质量分 数分布应等于无量纲速度分布，即YF(x, r)=v(r, x)/ve= f (x/dj)。 • 但这种关系只有当没有燃烧时才成立，因为有火焰的情况 下YF在火焰边界外为0，但是速度并没有减到0。 • 如第9 章所述，混合物分数可以代替燃料的质量分数，并与 无量纲的速度场有相似的性质。 • 这样，当给定燃料类型后，火焰的高度将与射流速度ve无关， 而与喷嘴直径成比例，而且射流扩展角与射流速度ve和喷嘴 直径dj均无关。 • 图13. 7 中的实验结果证明，对于小口径的喷管，火焰长度 确实与ve无关，而且火焰长度大致与喷嘴直径dj成比例。 • 另外，浮力将破坏射流火焰与绝热射流之间的近似，正好 可以解释对于更大直径的喷管，湍流火焰长度将不恒定。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 2. 影响火焰长度的因素 • 对于燃料射流喷入静止环境中所产生的竖直火焰来说，火 焰长度由4个主要因素决定: – 火焰中射流初始动量与作用在火焰上浮力的比Frf; – 化学当量值 fs; – 射流密度与环境气体密度的比ρe/ρ∞; – 初始射流直径dj。 • 第一个因素，火焰中射流初始动量与浮力之比可以由火焰 的弗劳德数Frf来表示。回顾第9 章，引入弗劳德数Frf 是为 了区分层流射流火焰中的动量控制模式和浮力控制模式(参 考式(9. 68)和式(9.69))。对于湍流射流火焰，弗劳德数Frf定 义为：
• 混合物分数第二个重要的性质是，由于根据“无源项”控制 方程的定义，它在整个流场中保持守恒。正因这一性质， 才能用它代替各组分单独的守恒关系，简化数学模型。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 3. 假设 • 构造非预混湍流射流火焰的简单数学模型的假设如下： • (1)稳态、轴对称的时均流场，燃料由半径为R 的圆管射出， 在静止、无限大的空气中燃烧。 • (2)与湍流输运相比，动量、组分和能量的分子输运不重要。 • (3)湍流动量扩散系数，即旋涡粘度ε(=μturb/ρ)在整个流场中 守恒，且等于0.0285veR (参考公式(11.46)) 。通过忽略密度 的脉动，从而将第11 章提出的恒密度射流的混合长度假设 扩展到变密度反应射流。 • (4) 忽略所有关于密度脉动的相关项。 • (5) 动量、组分和能量的湍流输运都相等，即湍流的施密特 数、普朗特数和路易斯数均相等，ScT=PrT=LeT。有了这个 假设，湍流动量扩散系数(旋涡粘度ε)可以用湍流质量扩散 系数或热扩散率来代替，即ε=ƊT=αT。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 2. 守恒标量回顾 • 在射流火焰的简化分析中，我们希望能用混合物分数代替 燃料、氧化剂和产物分别的守恒关系来描述任意位置火焰 组分的变化。在足够小的控。首先，它可以用来定义 火焰边界，且它的值只与当量比有关，即 • 定义Φ=1处为火焰边界，则该处的f 就有了一个固定的值 fs：
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 在足够低的流速下，火焰根部与燃烧器管子的出口非常接 近(只有几个毫米)，我们定义为附着火焰。 • 当燃料流率增加时，在火焰底部开始形成孔隙，当进一步 增大流率时，会形成越来越多的孔隙，直到燃烧器喷口上 没有连续的火焰。这种情况 叫作推举火焰。图13.8 就是 一个推举射流火焰照片。 • 再加大流速，推举距离增大。 • 流率特别大时，火焰被吹熄。 • 因此，就火焰的稳定性而言 存在两个临界状态：推举和 吹熄。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 尽量避免推举火焰的产生，使得火焰较贴近燃烧器出口且 火焰位置不受流率的影响。这样，就可以用火花或者小火 焰进行准确的点火并保证火焰位置。 • 出于安全考虑，应当避免接近吹熄极限的操作。 • 在接近极限的情况下向大炉膛充入空燃混合物是非常危险 的，一旦无法及时点燃，混合物在炉内淤积，很可能达到 爆炸极限而突然爆炸。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 在过渡区的最后，随着流速的增加，湍流程度也不断增加， 最后在曲线的极小值点形成比初始的层流火焰要短得多的 完全湍流火焰。 • 当流速进一步增加时，火焰高度可能维持不变(管径小于 0.133in)，也可能不断增加，但曲线斜率越来越小(管径大于 等于0.152in)。 • 这是由于随着燃料流 率的增加，夹带进的 空气量和混合速率也 会近似成比例地增加。 而且发现，此时火焰 高度明显受到初始射 流直径的影响。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 4. 守恒定律的应用 • 根据上述假设，基本的守恒方程与第7 章推导出的和第9 章 用于层流射流火焰的方程基本类似。不同点在于时均量代 替了瞬时值，湍流输运性质(即动量、组分、能量的扩散系 数)代替了分子输运性质。同时通过用特征长度R和特征速 度ve做基准，定义了两个无量纲的变量，则由式(9.36)，总 质量守恒方程为: • 轴向动量守恒方程(式(9.37) )则变为 • 混合物分数的守恒方程(式(9..38)) 变为
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 为湍流火焰建立数学模型是一项非常艰巨的任务。研究等 温湍流本身就是一项挑战，若再引入燃烧过程，则密度的 变化和各种化学反应都要有所考虑。 • 这里只引入一个非常简单的射流火焰燃烧的数学模型，来 展示其物理本质。 • 1. 与冷态射流的对比 • 前面对恒密度湍流射流建立了简单混合长度模型，发现以 下三个重要特性： • ①当所有的速度都以出口速度为基准时，空间坐标x和r都 以喷嘴半径R为基准时，速度场方程是普适的； • ②射流扩展角是常数，与射流出口速度和直径无关; • ③所谓的旋涡粘度ε与流场位置无关，并且正比于喷嘴出口 速度ve和直径d j。此模型计算结果与实验数据较吻合。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 图13.6显示了剪切层由火焰底部喷 嘴处旋转上升的图像，显示出的火 焰结构对污染物的排放有着非常重 要的影响。 • 我们要概括介绍的第二部分是初始 射流直径和燃料流率对火焰尺寸的 影响。图13. 7清楚地展现了非预混 火焰的一些重要特征。 • 首先，当流率比较低时，即火焰为 层流时，火焰高度与初始射流直径 无关，而只与流率有关。 • 当流率增加时，湍流逐渐开始影响 火焰高度，出现图13.7中所示的过 渡区。
高等燃烧学
第十三章 湍流非预混火焰
主讲人：郑洪涛
第十三章 湍流非预混火焰
13.1 概述 13.2 射流火焰
13.2.1 总论 13.2.2 简化分析 13.2.3 火焰长度 13.2.4 火焰辐射 13.2.5 推举和吹熄
13.3 其他结构下的非预混火焰 13.4 小结
第十三章 湍流非预混火焰——13.1 概述
• 湍流非预混火焰易于控制，广泛应用，但污染物排放大。 • 非预混燃烧应用场合多样，出现了各种类型的非预混火焰。 图13. 1 显示了一种辐射管燃烧器，它采用的是带部分旋 转的非预混受限射流火焰。 • 图13.2 展示的是一种非预混或者部分预混的纯氧火焰，通 过控制各个气流的大小来控制火焰的特性。 • 燃烧设备设计中重要的是：火焰形状和尺寸、火焰维持与 稳定、传热、污染物排放。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 其中，ΔTf =Tf - T∞，表示因燃 烧产生的特征温升。 • Frf 小，火焰受浮力控制； • Frf 大，火焰受动量控制。 • 上面忽略了浮力影响，只能适 用于Frf较大的情况。 • 图13.11可见，浮力增强了各成 分混合，使火焰长度要短得多。 • 火焰如没被吹熄，很可能射流 速度增加使火焰长度最终接近 同一渐近值。图13.12的火焰 高度渐近值大约为21.8cm。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 甲烷-空气火焰光谱辐射测量发现，虽然可以从火焰中看 到碳烟发出的亮光，但碳烟辐射对于总的辐射损失没有太 多的影响，而对于更易生成碳烟的燃料来说，碳烟辐射则 可能是总辐射热损失的主要形式。 • 图13.4(a) 的一系列 照片显示了乙烯射 流火焰顶部大涡的 燃尽过程。体绘制 技术(图13.4(b))则给 出了图像数远多于 图13.4(a)的一组三 维图像(x, y, t)的视 图，显示了大涡的 运动轨迹。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 湍流非预混射流火焰与预混火焰相似，都可见不光滑或模 糊的边界。碳烟的存在，非预混火焰比预混火焰明亮。 • 图13.3是乙烯在空气中燃烧的照片。右侧第一张火焰照片 曝光时间4s。这张照片与真正的视觉效果类似。其他三张 都是瞬时照片，可见，火焰的瞬时可视长度有很大的变化。 • 火焰底部呈蓝色， 亮度弱，没有碳 烟生成。高处碳 烟数量明显增多， 火焰呈亮黄色。 • 不易形成碳烟的 甲烷火焰中蓝色 区长得多，发光 的碳烟区很短。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 研究者们一直致力于解释和预测湍流射流火焰长度。 • 1. 火焰长度的定义 • 从文献可以看到各种火焰长度的定义和测量方法，但迄今 没有一个为大家所公认。在对不同研究者结果的比较时及 在不同修正公式的应用等方面要加倍小心。 • 火焰长度的定义一般包括：从一系列瞬时火焰长度照片中 取可视火焰长度的平均值； 或用热电偶测量轴线上温度最 高点，量出其轴向位置；或用气体采样的方法测量平均混 合物分数，确定化学当量值所处的轴向位置。 • 总体而言，火焰的可视长度要大于靠温度或浓度测量所得 出的长度。 • 文献中提到，根据燃料的不同，基于温度特性测量的火焰 长度大约是时均可视火焰长度的65%~80% 。