南京工业大学燃烧与爆炸理论-第三章--物质的燃烧
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• 所以在同类物质中，分子量越大，蒸发越难， 蒸气压就低。
• 但在水分子（H2O）、氟化氢（HF）氨分 子（NH3）中，以及很多有机化合物中，由 于存在氢键，分子间力会大大加强，蒸发也 不容易，蒸气压也低。
（二）蒸气压
图3-11 几种液体的蒸气压温度曲线
（二）蒸气压
lg（P蒸）
A
Leabharlann Baidu
1 T
B
A Hv 2.303R
（三）物理化学参数对层流 火焰传播速度的影响
1．混气初温
• 混气初温增加,混气燃烧时火焰温度就越
高，化学反应速度Ws会越快，火焰传播 速度Sl就越高。
• 实验结果表明，通常，其中n＝1.5～2。
2．压力
• 对二级反应,压力与火焰传播速度关系不 大。
3．可燃气体浓度
• 混气中可燃气与空气比值不同,火焰传播速度不同。 • 实验发现混气中可燃气与空气比值存在一个最佳比值，
瑞利方程
1Pp p P 1 m2 2U 2p 2Up 2
（一）物理模型与雨果尼特方程
KM 2 P P P1 11 1 P
M称 马赫数,其物理意义是混气速度（它等 于燃烧波速度，只是方向相反）与当地声 速之比。
（二）正常火焰传播与爆轰
1、爆轰区 • （Ⅰ）区是爆轰区。 • ① 燃烧后气体压力要增加。 • ② 燃烧后气体密度要增加。 • ③ 燃烧波以超音速进行传播
2. 正常火焰传播
• （Ⅲ）区是正常火焰传播区。 • ① 燃烧后气体压力要减少或接近不变； • ② 燃烧后气体密度要减少； • ③ 燃烧波以亚音速（即小于音速）进行
传播。
二、层流预混气中正常火
焰传播速度
（一）传播机理
1．火焰前沿概念
若在一长管中充满均匀混气,当用电火花或其它火 源加热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并 形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输送 给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化 学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的 新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始 由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃 区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反 应发光区为火焰前沿。
2．火焰前沿的特点
2．火焰前沿的特点
（1）火焰前沿可以分成两部分:预热区 和化学反应区。
（2）火焰前沿存在强烈的导热和物质扩 散。
3．火焰传播机理
（1）火焰传播的热理论 • 火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反
应放出的热量传播到新鲜冷混气中,使冷 混气温度升高，化学反应加速的结果。
3．火焰传播机理
• 可燃气含量在一定范围内才能传播，这 是传播法实验测定可燃气爆炸极限的依 据。
图3-8 氢气浓度对火焰传播速度Sl的影响 图3-9 CO浓度对火焰传播速度的影响
（H2 + 空气）
（CO + 空气）
4．惰性气体
• 惰性气体加入量越多,火焰传播速度越小。
5．混气性质
• 主要是指混气的热容CP和导热系数 。
（2）火焰传播的扩散理论 • 凡是燃烧都属于链式反应。火焰能在新
鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向 新鲜冷混气中扩散,使新鲜冷混气发生链 锁反应的结果。
（二）层流火焰传播速度— —马兰特简化分析
1．物理模型
图 3-4 火焰前沿中的温度分布 （Ⅰ）预热区 （Ⅱ）反应区
1．物理模型
• 反应区中温度分布为线型分布
Sl a1 2
a
CP
• 混气导热系数增加,火焰传播速度Sl增加；
• 热容CP增加，则Sl下降。
•
5．混气性质
• 这是灭火剂要具有低的导热系数和高热 容的原因。
• 低的导热性可以延缓热的传递,高的热容 使灭火剂能够吸收大量的热量，这都不 利于火焰的传播。
第二节 液体的燃烧
一、液体的蒸发
（一）蒸发过程 （二）蒸气压 • 在一定温度下,液体和它的蒸气处于平衡
另外: 于是:
P
Sl
n2
Pn2
n1
P2
公式意味着对于二级反应,火焰传播速度Sl将与压力无
关。
大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，
因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了
这个结论。
2．火焰传播速度
• 应该指出这一理论还不完善,例如未燃混 气初温如果等于这里的着火温度，则火 焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。
在此最佳比值条件下火焰传播速度最快，否则会下降。 • 理论上这个最佳比值应等于化学当量比，即＝1. • 但实际燃烧时的最佳比值往往并不等于1，而是有些
差别，这与实际燃烧时情况很复杂，影响因素很多有 关。
3．可燃气体浓度
• 实验还发现火焰传播也存在一个浓度极 限问题。
• 在混气中如果可燃气太少或太多,火焰均 不能传播。
第三章 物质的燃烧
第一节 气体的燃烧
一、预混气中火焰的传播理论
• 火焰（即燃烧波）在预混气中传播,从气 体动力学理论可以证明存在两种传播方 式:
• 正常火焰传播 • 爆轰
（一）物理模型与雨果尼特方程
（一）物理模型与雨果尼特方程
雨果尼特方程
K K 1 P p p P 1 2P pP 1 1p q
lg
P1
A
1 T1
B
lg
P2
A
1 T2
B
lgP2 Hv T2T1 P1 2.303R T2T1
dT Tm Ti
dX C
• 热平衡方程式为:
GCPTi TFTmCTi
2．火焰传播速度
因为: G F U SlF
所以: SlCPTiTTm CTi 或者: Sl C P T T m i T T iCaT iT m T T iC 其中: a ,称 导温系数
CP
2．火焰传播速度
又因为:
C
Sl c
Sl
fs
Ws
Sl
aTmTi Ws Ti T fs
公式表明层流火焰传播速度与导温系数及化学 反应速度的平方根成正比。
2．火焰传播速度
又因:
E
Ws Kos n fsneRTm
a CP
所以:
E
Sl
TmTi Kos
f e n2 n1 RTm
CP Ti T
2．火焰传播速度
状态时，蒸气所具有的压力叫饱和蒸气 压，简称蒸气压。
（二）蒸气压
• 分子间的力称分子间力,又叫范德华力。 • 分子间力中最重要最普遍的力是色散力。 • 色散力是由于分子在运动中，电子云和原子
核所代表的正负电荷中心发生瞬时相对位移， 产生瞬时偶极而出现的分子间的相互吸引力。
（二）蒸气压
• 分子量越大,分子就越易变形，色散力就越 大。
• 但在水分子（H2O）、氟化氢（HF）氨分 子（NH3）中，以及很多有机化合物中，由 于存在氢键，分子间力会大大加强，蒸发也 不容易，蒸气压也低。
（二）蒸气压
图3-11 几种液体的蒸气压温度曲线
（二）蒸气压
lg（P蒸）
A
Leabharlann Baidu
1 T
B
A Hv 2.303R
（三）物理化学参数对层流 火焰传播速度的影响
1．混气初温
• 混气初温增加,混气燃烧时火焰温度就越
高，化学反应速度Ws会越快，火焰传播 速度Sl就越高。
• 实验结果表明，通常，其中n＝1.5～2。
2．压力
• 对二级反应,压力与火焰传播速度关系不 大。
3．可燃气体浓度
• 混气中可燃气与空气比值不同,火焰传播速度不同。 • 实验发现混气中可燃气与空气比值存在一个最佳比值，
瑞利方程
1Pp p P 1 m2 2U 2p 2Up 2
（一）物理模型与雨果尼特方程
KM 2 P P P1 11 1 P
M称 马赫数,其物理意义是混气速度（它等 于燃烧波速度，只是方向相反）与当地声 速之比。
（二）正常火焰传播与爆轰
1、爆轰区 • （Ⅰ）区是爆轰区。 • ① 燃烧后气体压力要增加。 • ② 燃烧后气体密度要增加。 • ③ 燃烧波以超音速进行传播
2. 正常火焰传播
• （Ⅲ）区是正常火焰传播区。 • ① 燃烧后气体压力要减少或接近不变； • ② 燃烧后气体密度要减少； • ③ 燃烧波以亚音速（即小于音速）进行
传播。
二、层流预混气中正常火
焰传播速度
（一）传播机理
1．火焰前沿概念
若在一长管中充满均匀混气,当用电火花或其它火 源加热某一局部混气时，混气的该局部就会着火并 形成火焰。火焰产生的热量会由于导热作用而输送 给火焰周围的冷混气层，使冷混气层温度升高，化 学反应加速，并形成新的火焰。这样使一层一层的 新鲜混气依次着火，也就是薄薄的化学反应区开始 由引燃的地方向未燃混气传播，它使已燃区和未燃 区之间形成了明显的分界线，称这层薄薄的化学反 应发光区为火焰前沿。
2．火焰前沿的特点
2．火焰前沿的特点
（1）火焰前沿可以分成两部分:预热区 和化学反应区。
（2）火焰前沿存在强烈的导热和物质扩 散。
3．火焰传播机理
（1）火焰传播的热理论 • 火焰能在混气中传播是由于火焰中化学反
应放出的热量传播到新鲜冷混气中,使冷 混气温度升高，化学反应加速的结果。
3．火焰传播机理
• 可燃气含量在一定范围内才能传播，这 是传播法实验测定可燃气爆炸极限的依 据。
图3-8 氢气浓度对火焰传播速度Sl的影响 图3-9 CO浓度对火焰传播速度的影响
（H2 + 空气）
（CO + 空气）
4．惰性气体
• 惰性气体加入量越多,火焰传播速度越小。
5．混气性质
• 主要是指混气的热容CP和导热系数 。
（2）火焰传播的扩散理论 • 凡是燃烧都属于链式反应。火焰能在新
鲜混气中传播是由于火焰中的自由基向 新鲜冷混气中扩散,使新鲜冷混气发生链 锁反应的结果。
（二）层流火焰传播速度— —马兰特简化分析
1．物理模型
图 3-4 火焰前沿中的温度分布 （Ⅰ）预热区 （Ⅱ）反应区
1．物理模型
• 反应区中温度分布为线型分布
Sl a1 2
a
CP
• 混气导热系数增加,火焰传播速度Sl增加；
• 热容CP增加，则Sl下降。
•
5．混气性质
• 这是灭火剂要具有低的导热系数和高热 容的原因。
• 低的导热性可以延缓热的传递,高的热容 使灭火剂能够吸收大量的热量，这都不 利于火焰的传播。
第二节 液体的燃烧
一、液体的蒸发
（一）蒸发过程 （二）蒸气压 • 在一定温度下,液体和它的蒸气处于平衡
另外: 于是:
P
Sl
n2
Pn2
n1
P2
公式意味着对于二级反应,火焰传播速度Sl将与压力无
关。
大多数碳氢化合物与氧的反应，其反应级数接近2，
因此火焰传播速度Sl与压力关系不大，实验也证明了
这个结论。
2．火焰传播速度
• 应该指出这一理论还不完善,例如未燃混 气初温如果等于这里的着火温度，则火 焰传播速度为无穷大，这显然是错误的。
在此最佳比值条件下火焰传播速度最快，否则会下降。 • 理论上这个最佳比值应等于化学当量比，即＝1. • 但实际燃烧时的最佳比值往往并不等于1，而是有些
差别，这与实际燃烧时情况很复杂，影响因素很多有 关。
3．可燃气体浓度
• 实验还发现火焰传播也存在一个浓度极 限问题。
• 在混气中如果可燃气太少或太多,火焰均 不能传播。
第三章 物质的燃烧
第一节 气体的燃烧
一、预混气中火焰的传播理论
• 火焰（即燃烧波）在预混气中传播,从气 体动力学理论可以证明存在两种传播方 式:
• 正常火焰传播 • 爆轰
（一）物理模型与雨果尼特方程
（一）物理模型与雨果尼特方程
雨果尼特方程
K K 1 P p p P 1 2P pP 1 1p q
lg
P1
A
1 T1
B
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P2
A
1 T2
B
lgP2 Hv T2T1 P1 2.303R T2T1
dT Tm Ti
dX C
• 热平衡方程式为:
GCPTi TFTmCTi
2．火焰传播速度
因为: G F U SlF
所以: SlCPTiTTm CTi 或者: Sl C P T T m i T T iCaT iT m T T iC 其中: a ,称 导温系数
CP
2．火焰传播速度
又因为:
C
Sl c
Sl
fs
Ws
Sl
aTmTi Ws Ti T fs
公式表明层流火焰传播速度与导温系数及化学 反应速度的平方根成正比。
2．火焰传播速度
又因:
E
Ws Kos n fsneRTm
a CP
所以:
E
Sl
TmTi Kos
f e n2 n1 RTm
CP Ti T
2．火焰传播速度
状态时，蒸气所具有的压力叫饱和蒸气 压，简称蒸气压。
（二）蒸气压
• 分子间的力称分子间力,又叫范德华力。 • 分子间力中最重要最普遍的力是色散力。 • 色散力是由于分子在运动中，电子云和原子
核所代表的正负电荷中心发生瞬时相对位移， 产生瞬时偶极而出现的分子间的相互吸引力。
（二）蒸气压
• 分子量越大,分子就越易变形，色散力就越 大。