燃烧科学的发展简史

燃烧科学的发展简史

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1 引言

燃烧现象是物理过程与化学过程复杂的相互作用的结果,它涉及许多学科,如化学反应动力学,热力学,气体动力学,传热学,光谱学等,由于燃烧现象的极端复杂性,发展速度缓慢。但在两次世界大战之间,特别是在过去50年中,一方面由于喷气发动机,包括火箭发动机的迅速发展。另一方面由于能源危机和大气污染的日益严重,使燃烧科学与技术的研究和开发工作受到很大冲击,从而使燃烧科学与技术获得了空前的发展。

2 燃烧科学的起源

在中国,虽然燃烧现象的发现和应用远远早于欧洲,为人类作出了很大贡献,但是燃烧作为一门科学，起步比其他国家稍晚。恩格斯在《自然辩证法》一书中曾说：“人们只有在学会摩擦起火之后，才第一次使无穷无尽的自然力替自己服务”。到18世纪中叶，科学相对进步的欧洲仍然被错误的“燃素说”所统治。“燃素说”是德国化学家斯塔尔在《化学基础》一书中提出“火的微粒由燃素构成，物质燃烧释放出燃素，有些物质不能燃烧是因为缺少燃素”的观点，这种观点通知了欧洲将近一百年的时间。18世纪80年代，法国化学家拉瓦锡先后在“燃烧理论”和“化学纲要”两部著作中对燃烧进行了合理解释，首次提出燃烧是一种“氧化反应”的观点，俄罗斯科学家罗蒙诺索夫根据实验结果也得到了相同的结论。至此，人类才对燃烧有了真正的认识。

3 燃烧科学迅速崛起

19世纪中叶，工业革命的成功促使了化学工业的蓬勃发展，分子学说的建立，使得人们开始使用热化学及热力学的方法来研究燃烧现象，相继发现了燃烧热，绝热燃烧温度，燃烧产物平衡成分等燃烧特性。20世纪初期，苏联化学家谢苗诺夫和美国科学家刘易斯等发现燃烧具有分支连锁反应的特点。20世纪20年代，前苏联科学家则利多维奇，弗兰克卡梅涅茨基及美国的刘易斯等人又进一步发现燃烧过程是化学动力学与传热，传质等等物理因素的相互作用的过程，并建立了着火和火焰传播理论。在20世纪中叶，在对预混火焰，扩散火焰，层流

火焰及湍流火焰，还有液滴及碳颗粒的燃烧进行深入研究之后，科学家们才发现到主导燃烧过程的不仅仅是化学动力学，流体动力学也是重要的影响因素之一。至此，燃烧理论初步完成。

20世纪50-60年代，航天航空技术的发展使得燃烧学的研究扩展到喷气发动机，火箭等问题中，美国力学家冯卡门与中国的钱学森提出了使用连续介质力学方法来研究燃烧问题。另外，许多科学家运用粘性流体力学和边界层理论对层流燃烧，湍流燃烧，着火，灭火，火焰稳定和燃烧震荡等问题进行了定量分析，最终发展成为“反应流体力学”。

20世纪后期，英国科学家斯堡尔汀等人用计算流体力学方法来研究燃烧问题，将燃烧学，反应流体力学，计算流体力学和燃烧室工程设计有效地结合起来，开辟了研究燃烧理论及其应用的新途径，之后，应用激光技术和气体分析技术开始用于直接测量燃烧过程中气体和颗粒的温度，速度，组分浓度等参数，而这些测量结果加深了人们对燃烧现象的认识。随后，燃烧学开始与湍流理论，多相流体力学，辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科交叉渗透，以致将燃烧理论发展到了更高的阶段。

4 我国的燃烧科学的发展

在中国,虽然燃烧现象的发现和应用远远早于欧洲,为人类作出了很大贡献,但是燃烧作为一门科学,作为一个学科来研究和发展,还是在新中国成立以后,特别在1987年中国工程热物理学会及其燃烧分会成立以后。1980年我国又参加了国际燃烧学会而成为国际燃烧学会的中国分会。从此,我国燃烧科技人员,不仅可以在一年一度在国内召开的燃烧会议上发表论文,进行学术交流,而且还开始参加每两年召开一次的国际燃烧会议,与各国燃烧科学家和工程师进行学术交流,从而了解和学习国外最新科研成果和燃烧科学的发展动态,80年代以来,我国先后成立了两个煤燃烧国家重点实验室,一个内燃机燃烧国家重点实验室和一个火灾科学国家重点实验室,极大地促进了我国燃烧科学与技术的发展。

4.1 在燃烧技术取得的进展

80年代后,我国在电力系统范围内曾开展了改善锅炉燃烧、降低煤耗率的各种煤粉燃烧技术的研究和推广工作,取得了很大成绩。先后研制出煤粉旋流预燃室、钝体稳燃器、夹心风燃烧器、船型稳燃器、大速差射流及双通道燃烧器、扁

平射流燃烧器、反吹射流燃烧器、浓淡分离燃烧器等,这些新型燃烧技术已在我国火电厂得到不同规模的应用,取得不同程度的效果,产生了较大的经济效益。在内燃机燃烧技术方面,在新中国成立以来也出现了一批新的燃烧系统,如复合式燃烧系统,周向分层燃烧系统、射流燃烧系统、UCIC燃烧系统、碗形燃烧系统等。最近几年来,开展了进气道喷射和直接喷射火花点火式发动机分层稀燃系统,取得了一定进展。

4.2 在燃烧过程基础研究中的进展

在国际上首次研究了火花点火式发动机在不同运转条件下,稳定火焰核心的临界尺寸及判定方法,建立了初期火焰循环变动的计算模型和整个燃烧过程循环变动的计算模型;并通过了实验验证。首次在直喷式发动机上采用不均匀喷孔油嘴实现周向分层燃烧系统。

在煤的燃烧特性研究中,提出了关于煤焦表面反应动力学的新思想,揭示出煤焦着火燃烧中的一系列的宏观通用规律;从而揭示了煤焦着火与燃烧中的一系列内存物理规律;并首次提出关于计算焦煤燃烧速率的通用曲线法,从而使复杂的煤焦燃烧速率的计算方法变得简便、准确、适合于工程应用。

5 燃烧科学展望

现代燃烧系统设计中，污染物排放的控制是主要因素。所谓的污染物包括碳烟，飞灰，金属烟雾和各种气溶胶等颗粒物；硫氧化物，未燃尽的碳氢化合物，氮氧化物一氧化碳及二氧化碳。在早期人们关注的仅仅是排放到大气中的颗粒物，知道19世纪中叶，人们弄清楚了洛杉矶盆地光化学烟雾是由机动车排放的未然碳氢化合物及氮氧化物造成的。而对于各类排放物的含量，透过对燃烧化学反应的机理了解，能够有效地控制氮氧化物的排放问题，因此，对于环境污染控制过程不仅仅是在事后对排放物进行处理，而是在使用燃料前或者使用过程中对其进行处理及控制，以期达到直接控制氮氧化物的行程。

我国燃烧科学与技术在新中国成立以后,获得了很大发展,但与国际先进水平相比,仍有较大差距,主要原因有三:一是原来基础太差,解放前几乎没有进行这方面的科研工作;二是由于国家财力有限,科研经费投人不足;三是长期依靠进口,阻碍了自主研究开发,影响了科技人员的积极性。今后应该针对目前存在的上述两大问题,组织全国有关高等学校、科研机构和企业单位,集中力量,大力开展研究开