燃烧学-5.扩散燃烧及火焰.
燃烧学重点知识第二部分
4燃烧理论基础4.1燃烧反应的热力学基础1、单相反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、浓度：单位体积中所含某物质的量。
摩尔浓度： 质量浓度： 摩尔相对浓度： 质量相对浓度： 4、标准生成焓、反应焓、燃烧焓、显焓、绝对焓（P98-100）5、化学反应速率：单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。
其单位为：kg/(m3s)、 kmol/(m3s)、 分子数/(m3s)①例： a 、b 、c 、d 为对应于反应物A 、B 和产物C 、D 的化学反应计量系数②反应速率可以表示为：③化学反应速率与计量系数之间有如下关系： /i i mi i i i i i i i i n N VM VN n C X N n C M Y M nρρ=====∑∑∑∑∑＝＝aA bB cC dD+→+,,C A B D A B C D dC dC dC dC r r r r d d d d ττττ=-=-==或1111::::::C A B D A B C D dC dC dC dC a d b d c d d d r r r r a b c dττττ-=-==⇒=④化学反应速率的三种表示方法：反应物的消耗速度、生成物的生成速度、r 为反应速度⑤影响化学反应的因素：（温度、活化能、压力、浓度、可燃混合气的配比、混合气中的惰性成分）1. 浓度：浓度越大，反应速度越快。
2. 压力：对于气体燃料，压力升高，体积减少，浓度增加，反应速度加快。
（压力对化学反应速度的影响与浓度相同。
）3. 温度：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。
①阿累尼乌斯定律： A —常数，频率因子，由实验确定；R —通用气体常数，8.28kJ/molK ，1.98kcal/molK ； E —活化能，J/mol ，由实验确定⏹ 气体分子的运动速度、动能有大有小；⏹ 在相同温度下，分子的能量不完全相同，有些分子的能量高于分子的平均能量，这样的分子称为活1111G A B H A B G H dC dC dC dC r a d b d g d h d r ar r br r grr hrττττ-=-====-=-==b B a A C kC =rRT E Ae k -=化分子（自由基、活化中心、活化络合物、中间不稳物）⏹ 化学反应中，由普通分子到达活化分子所需最小能量---活化能E ；（讨论活化能对反应速率影响，通过阿累尼乌斯定律） ⏹ 阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响； 阿累尼乌斯定律是实验得出的结果；并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律。
冉景煜版 工程燃烧学--第 05 章
二、谢苗诺夫热自燃理论
要实现稳定的热着火，需满足两个热力条件：
①
系统处于热平衡状态，即放热量Q1等于散热量Q2； 放热量随系统温度的变化率大于散热量的变化率，即
②
dQ1/dT≥dQ2/dT，表示放热曲线在散热曲线上方。
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重庆大学能源与环境研究所
Institute of Energy & Environment, Chongqing University
化学反应速度实现自动加速，最终形成火焰。
9
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Institute of Energy & Environment, Chongqing University
二、着火方式
两类着火方式：自燃着火和强迫着火。
1、自燃着火（热自燃）
自燃着火是可燃物在不需要施加外界能量的条件下而
自动着火的现象。
物质的反应特性）或边界条件（系统的散热或物质的交换
情况）之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某 个瞬间或空间的某部分达到高温反应状态（即燃烧状态）， 那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件就称为“着火 条件”。
着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和
流体力学参数的综合函数。
17
重庆大学能源与环境研究所
2、链式着火
机理：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中 心产生速率大于销毁速率时，在分支链式反应的作用下，
导致化学反应不断加速，最终实现着火的现象称为链式着
火。
例如H2和O2的化合反应，它满足了分支链式反应的条件， 只要反应一旦开始它就会着火，如果满足一定的浓度条件， 还会发生爆炸。
燃烧学试题及答案
燃烧学试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 燃烧过程中，可燃气体与氧气发生化学反应，产生______。
A. 光B. 热C. 光和热D. 光、热和声答案：C2. 燃烧的三个必要条件是______。
A. 燃料、氧气、点火源B. 燃料、氧气、温度C. 燃料、温度、点火源D. 氧气、温度、点火源答案：A3. 下列哪种物质不是燃烧产物？A. 二氧化碳B. 水蒸气C. 一氧化碳D. 氧气答案：D4. 燃烧过程中，火焰的颜色通常与______有关。
A. 燃料的种类B. 氧气的浓度C. 燃烧的温度D. 环境的湿度答案：A5. 燃烧的类型可以分为______。
A. 缓慢氧化和快速氧化B. 完全燃烧和不完全燃烧C. 有焰燃烧和无焰燃烧D. 所有以上选项答案：D6. 燃烧过程中，火焰的传播速度与______有关。
A. 燃料的种类B. 氧气的浓度C. 环境的温度D. 所有以上选项答案：D7. 在燃烧学中，闪点是指______。
A. 可燃液体开始沸腾的温度B. 可燃液体开始自燃的温度C. 可燃液体开始燃烧的温度D. 可燃液体开始蒸发的温度答案：B8. 燃烧的热效应通常用于______。
A. 发电B. 加热C. 制冷D. 所有以上选项答案：B9. 燃烧过程中，火焰的稳定性与______有关。
A. 燃料的流动性B. 氧气的供应量C. 环境的气流D. 所有以上选项答案：D10. 燃烧的安全性主要取决于______。
A. 燃料的纯度B. 氧气的供应量C. 环境的控制D. 所有以上选项答案：D二、填空题（每题2分，共20分）1. 燃烧过程中，燃料与氧气发生______反应，产生能量。
答案：氧化2. 燃烧过程中，火焰的传播速度与______的浓度有关。
答案：氧气3. 燃烧过程中，火焰的稳定性与______的供应量有关。
答案：氧气4. 燃烧过程中，火焰的颜色通常与燃料的______有关。
答案：种类5. 燃烧的安全性主要取决于环境的______。
热动燃烧学第06章 扩散火焰
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
山东大学工程燃烧学考点整理
第一章：可能出的概念题：1.什么是燃烧？燃烧的分类？每种分类的特征？燃烧是指氧化剂与可燃物混合发生的剧烈化学反应，其过程一般伴随传热传质、发光发烟等现象。
燃烧可分为气相燃烧与固相燃烧，气相燃烧又分为预混燃烧与扩散燃烧，气相燃烧中可燃物与氧化剂均为气体，固相燃烧为表面燃烧，无火焰。
预混燃烧可燃物与氧化剂已提充分混合，燃烧过程只取决于可燃混合气的化学动力过程，扩散燃烧是可燃物在燃烧时才与氧化剂混合，取决于摻混速度。
此外还可以分为表面燃烧、阴燃、蒸发燃烧、分解燃烧等等2.什么是火焰？火焰的分类有哪些？火焰是指发生燃烧反应的气体所占据的空间区域。
火焰可分为预混火焰与扩散火焰等等3.热力学第一定律表达式？简单表述：Q=U+W4.热效应的概念？其中应重点注重的条件有哪些？热效应是指，在定容定压条件下，物质进行反应时不做非体积功，且产物与反应物温度相同，这种情况下反应放出的热量。
重点注意定容定压（体积功=0）、不做非体积功（Wa=0）、产物反应物温度相同（不因为比热容吸收热量）5.生成焓、反应焓、燃烧焓的概念？并注意其中的条件？生产焓是指稳定单质或元素在定压条件下反应生成1mol化合物时的热效应。
反应焓是指某些化合物与化合物或元素在任意温度下进行单位反应产物和反应物的焓差（注意，这些概念末尾的写法都是有说法有讲究的）。
燃烧焓是指1mol化合物完全燃烧时对应的焓差。
注意：因为反应焓与燃烧焓的反应物与产物有可能都是化合物，所以要说焓差，而生成焓的反应物是单质，单质的生产焓为0，故说“热效应”。
*6.拉瓦锡——拉普拉斯定律解释？化学反应的生成焓等于分解焓，符号相反。
*7.盖斯定律描述？无论化学反应是分一步还是多步进行的，其热效应相同。
*8.基尔霍夫定律描述？（写公式）这一定律表明了什么的关系？表明了反应焓随温度的变化规律9.热力学第二定律的两种表述？何为孤立系统熵增原理？克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传向高温物体而不产生其他任何影响。
燃烧学期末复习资料
燃烧学期末复习资料1．阿仑尼乌斯定律：在化学反应的反应物浓度相等的条件下，化学反应速率常数随时间变化的关系。
2．质量作⽤定律：在⼀定温度下，基元反应在任何瞬间的反应速率与该瞬间参与反应的反应物浓度幂的乘积成正⽐。
3．盖斯定律：在条件不变的情况下，化学反应的热效应只与起始和终了状态有关，⽽与变化途径⽆关。
4．着⽕延迟期；在混合⽓体已达到着⽕条件下，由初始状态到温度聚升的瞬间所需的时间。
5．层流⽕焰传播速度：在层流预混可燃⽓体的燃烧过程中焰⾯沿其法线⽅向移动的速度称为层流⽕焰传播速度（⽕焰⾯移动速度：指当预混可燃⽓体在管中燃烧，产⽣的⽕焰不稳定时⽕焰⾯沿管轴线移动的速度。
⽕焰⾯移动速度反映了⽕焰不稳定时⽕焰⾯移动的快慢）6．折算薄膜：把边界层的传热传质近似看作通过球对称的边界层薄膜传热传质阻⼒。
7．淬熄距离：刚刚能够维持⽕焰传播的最⼩管道尺⼨。
8．绝热⽕焰温度：燃料和空⽓的初始状态⼀定，绝热过程燃烧产物能达到的温度。
9．雾化⾓：喷嘴出⼝到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹⾓，也称为喷雾锥⾓。
10．斯蒂芬流：在燃烧问题中，在相分界⾯处存在着法向的流动，多组分流体在⼀定的条件下在表⾯处将形成⼀定的浓度梯度，因⽽可能形成各组分法向的扩散物质流。
如果相分界⾯上有物理或化学过程存在，那么这种物理或化学过程也会产⽣或消耗⼀定的质量流。
于是，在物理或化学过程作⽤下，表⾯处⼜会产⽣⼀个与扩散物质流有关的法向总物质流，称为斯蒂芬流。
11．预混⽕焰和扩散⽕焰：预混⽕焰是燃料和氧化剂充分混合后的燃烧⽕焰。
⽕焰温度很⾼，没有⿊烟，⽕焰短⽽强。
扩散⽕焰是燃料燃烧所需的空⽓全部由外界提供，靠可燃⽓体与空⽓中的氧相互扩散来完成燃烧过程的⽕焰。
燃烧过程较长，⽕焰温度低，燃料不易燃尽，⼀般有碳烟，⽕焰很长。
12．盖斯定律：化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，⽽与反应的途径⽆关13．缓燃与爆燃：缓燃（正常传播）：⽕焰锋⾯以导热和对流的⽅式下传热给可燃混合物引起的⽕焰传播，也可能有辐射（如煤粉燃烧时的⽕焰传播可能以辐射为主，也有可能为对流和辐射并重）。
第八章 扩散燃烧
8.2
高温壁面处
油滴的着火和燃烧
液滴和壁面碰撞，可能会出现两种情况：
壁温较低时，湿壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上 壁温较高时，比湿润碰撞，超过了雷登弗罗斯特温度，出现闪瞬蒸发， 液滴脱离壁面 此外，若液滴接触壁面时有一定的速度，则根据韦伯数的不同来定义， 它代表惯性力和表面张力之比。 l du2
火焰面内R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一对应的关系，因此T (1 R r ) c ( T T ) Q [( B 1 ) 1] 可有bOT推出 g 8-25b W 火焰面外rc<r<r∞,根据bFT的定义和火焰外没有燃料的特性， 即wF=0,推出 cg (Tc TW ) [Q H (wFW wFB )][(B 1)(1R r ) 1] HwFW 8-27 火焰面上，r=rc, cg (T TW） fwO (H Q wFR ) 8-28 cg (Tc TW ) 1 fwO wFR 成立的假设：
轴对称的空气雾化喷嘴上进行的 喷雾燃烧表明，整个火焰可大致 分为三个区域
最外侧的稳定火焰，可观察到火焰 群在闪光、熄灭 最内侧的A区有液滴存在 中间的B区几乎不存在液滴，只是 由A区供给的可燃气（主要是CO） 来燃烧 详细参数研究表明，并不是滴群中 每个油滴都被火焰包围，二是在接 近单纯蒸发的状态下汽化，燃料蒸 汽作为一个整体进行扩散燃烧，形 成喷雾火焰
设圆柱形自由射流的坐标如图所示，忽略体积力，假设物性 是常量且为定常流动的情况下，圆柱坐标系下的质量守恒方 程为： ru rv 0 x r
动量守恒方程： ru
u v u rv ( ) (r ) x r r r
组分守恒方程：ru wF rv wF ( DF D ) (r wF )
《燃烧学》课程教学大纲
《燃烧学》课程教学大纲课程名称：燃烧学课程编号：（英文）：（Combustion Theory）学时45学分 2.5课程性质必修课先修课程：工程热力学、传热学、流体力学适用专业：热力发动机、汽车工程、汽车工程、轮机工程、环境工程开课系（所）：机械与动力工程学院燃烧与环境技术研究中心开课教师：周校平、张武高、乔信起、范浩杰教材和教学参考资料：教材：《燃烧理论基础》周校平、张晓男.上海交通大学出版社，2001教学参考书：《燃烧学》许晋源、徐通模.机械工业出版社，1990《工程燃烧学》张松寿.上海交通大学出版社，1987杂志期刊：《工程热物理学报》一、本课程的性质、地位、作用和任务燃烧学是热力发动机、热能工程、环境工程等专业的一门主要的技术基础课程。
它的主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生对燃烧现象和基本理论的认识。
通过本课程的学习掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程的基本知识与基本理论。
掌握动力机械工程中气态、液态、固态燃料的燃料特性、燃烧特点和规律，包括着火的形式和条件、火焰的传播、燃烧产物的生成机理等。
通过本课程的学习，能对锅炉、内燃机、涡轮机、火灾、家用炉灶、焊枪等燃烧现象从宏观上能有所认识，微观上能有所解释。
为改进燃烧设备、提高能源利用率、分析有害排放物的生成机理和过程、避免不正常的燃烧现象、控制和降低有害排放物的生成，具有一定的基本理论知识。
为今后从事工程技术工作、科学研究及开拓新技术领域，打下坚实的基础。
二、本课程的教学内容和基本要求（一）燃烧的化学热力学基本知识要点：生成焓、反应焓、燃烧焓（燃烧能）与燃料的热值、高热值与低热值之间的定义及相互关系。
燃烧所需的空气量及燃烧产物组分的计算。
过量空气系数、浓度、当量比。
难点：不完全燃烧时的空气量与燃烧产物组分的计算。
（二）燃烧与化学平衡要点：化学反应速度、化学平衡的概念、自由焓与自由能、自由焓与化学平衡的关系。
燃烧学-5.扩散燃烧及火焰-PPT课件
雾化液体的液滴大小；
雾化液体液滴大小的均匀性。
江苏大学
1. 喷雾油束的空间形状 油束锥角(spray angle) —— 喷油嘴孔口处油束外包络 线的两条切线之间的夹角 s Sitkei给出的经验公式：
a d 0 . 7 2 c R 3 10 s e l f
柴油机燃油喷射雾化：机械式高压喷射
喷嘴
共轨式喷油器
传统喷油器
喷雾
江苏大学
传统的燃油破碎雾化机理——气动雾化理论
通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱(stream)或锥 形空心油片(sheets)； 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动； 在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面 形成油线或空洞； 油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴； 由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力，气体动力， 表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，分散成小油 滴； 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油 滴，这些油滴的综合体称为油束(spray)。
江苏大学
一、燃料雾化的喷射特性 雾化定义
靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。
液体燃料的喷射雾化方法
用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内； 对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉 碎和分散； 采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎 等等。
江苏大学
江苏大学
雾化机理 传统上： 喷雾雾化过程
新 的 雾 化 理 论 初次雾化
（近嘴区域）
二次雾化
喷嘴内的空穴 流动及湍动
江苏大学
工程燃烧学复习要点
绪论、第一章1、从正负两方面论述研究燃烧的意义。
（P5）①研究如何提高燃烧效率，保证燃烧过程的稳定性和安全性，节约能源，并充分利用新能源；②如何防止抑制火灾及矿井瓦斯或具有粉尘工厂存在的爆炸危险性，减少有用燃烧过程中的工业污染问题。
2、不同的学科研究燃烧学各有什么侧重点？（P5）实验研究：对于生产中提出的燃烧技术问题主要还只能通过实验来解决。
并发展出诊断燃烧学。
理论分析：主要为各种燃烧过程的基本现象建立和提供一般性的物理概念，从物理本质上对各种影响因素做出定性分析，从而对实验研究和数据处理指出合理、正确的方向。
3、从化学观点看，燃烧反应具有的特征是什么？（物质能量总体是下降的）（P6）氧化剂和燃料的分子间进行着激烈的快速化学反应，原来的分子结构被破坏，原子的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变化，最后生成最终燃烧产物。
这一过程，物质总的热量是降低的，降低的能量大都以热和光的形式释放而形成火焰。
4、燃烧过程的外部特征是什么？①剧烈的氧化还原反应②放出大量的热③发光5、化学爆炸与火灾的关系？（PPT）1）紧密联系，相伴发生2）某些物质的火灾和爆炸具有相同的本质，都是可燃物与氧化剂的化学反应。
3）主要区别：燃烧是稳定的和连续进行的，能量的释放比较缓慢，而爆炸是瞬时完成的，可在瞬间突然释放大量能量。
4）同一物质在一种条件下可以燃烧，在另一种条件下可以爆炸。
（煤块燃烧与煤粉爆炸）5）在存放有易燃易爆物品较多的场合和某些生产过程中，可发生火灾爆炸的连锁反应，先爆炸后燃烧、先燃烧后爆炸。
6、按化学反应和物理过程之间的关系，燃烧包括哪三种类型？（P5）1）动力燃烧（动力火焰）：主要受燃烧过程中的化学动力因素所控制，如着火、爆炸；2）扩散燃烧（扩散火焰）：主要受流动、扩散和物理混合等因素控制，如液体燃料滴、碳粒、蜡烛；3）预混燃烧（预混火焰）：此时化学动力因素和物理混合因素差不多起同样重要的作用，如汽油发动机、家用煤气炉。
燃烧学-预溷合气燃烧及火焰传播
4.1 层流火焰传播 (laminar flame）
预混可燃气体流速不高（层流状态）时 的火焰传播称为层流火焰传播。
一、层流火焰结构与传播机理
层流火焰图
层流火焰前沿浓度和温度变化
火焰结构特点
火焰前沿厚度很薄，一般不超过1mm，只有十分之几 毫米甚至百分之几毫米厚。
层流火焰图
前沿的厚度很小，但温度和浓度的变化很大，因而在 火焰前沿中出现了极大的浓度梯度及温度梯度。这就 引起了火焰中强烈的扩散流和热流。
us us
Sl＝u0
(u p、us反方向） (u p、us同方向）
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则Sl = u0 = us
即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速，
两者大小相等方向相反。
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
可燃气体
H2 CO CH4 C2H2 C2H4
在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很
小，称为预热区，以 δp 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。
火焰前沿传播机理
火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取
决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。
火焰传播的扩散理论 认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
燃烧放热率比层流火焰的 大的多。
湍流火焰与层流火焰的区别
湍流火焰传播速度的定义——St
湍流火焰传播速度指湍流火焰前沿 任一处法向相对于未燃混合气运动的速 度。
二、湍流特性
湍流的基本特性：湍流中充满大小不等、高速旋转的流体微 团，或称涡团，在不断地做无规则的运动，使流体各点每瞬 时的速度、压力都在做随机的变化。
燃烧学
一、燃烧与火焰的基本概念1、燃烧通常把具有强烈放热并伴随有光辐射的快速化学反应过程都称为燃烧，如典型的强烈氧化反应，以及与此相似的氮化、氟化等反应也称为燃烧。
（在有两种组分参加的燃烧反应中，把放出活泼氧原子（或类似的原子）的物质称为氧化剂，而另一类组分则称为燃料。
）2、燃烧过程的特性除发光、发热等外部特征外，还具有电离和在可燃介质中传播的特征。
火焰辐射由于火焰发光、发热等导致，主要包括：热辐射——主要是化学稳定产物的光谱带，最强的光谱带一般在红外区。
化学发光辐射——不连续光谱带发射的结果，主要来自于化学反应过程中CH、OH、O等自由基的激发态电子。
炽热固态烟粒和碳粒的辐射——连续辐射，具有较宽的光谱带范围。
电离特性一般在碳氢化合物和空气中的燃烧火焰中（尤其是层流火焰中）的气体具有较高的电离度。
自行传播火焰向周围可燃介质传播，直到整个反应系统终止。
根据传播机理和特征包括两类火焰：缓慢燃烧火焰——通过导热使未燃气体温度升高（或通过扩散作用将自由原子、自由基传递到未燃气体中产生链式反应），以约0.2~1m/s的速度稳定、缓慢地传播。
爆轰火焰——依靠激波的压缩作用使未燃气体温度升高，传播速度约为几km/s）。
3、燃烧过程的本质（1）化学的观点：燃烧过程中原来物质的分子结构被破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列的中间产物的演变，最后形成了生成物即燃烧产物。
在化学反应中，总的化学能降低了，这部分能量主要以热能和光能的形式被释放出来，表现为火焰现象。
（2）物理的观点：燃烧过程总是发生在流动系统中，这种流动可能是均相流，也可能是多相流，可以是层流也可以是湍流；燃烧过程总是发生在不均匀物质场的条件下，多种组分之间会发生混合、扩散等现象，甚至还有物质相态的变化。
燃烧引起的不均匀温度场，使燃烧过程中还伴有能量的传递，且如外界电磁场、重力场等因素也会对燃烧过程产生显著的影响。
因此，燃烧是一种物理和化学的复杂的综合动态过程，燃烧学的学习必然涉及燃烧的化学热力学和化学动力学基础、燃烧的流体力学和传热传质基础等相关理论基础，以及化学动力学控制的燃烧、液体与煤燃烧的理论、预混气体火焰、湍流燃烧等基本燃烧现象。
燃烧学-5.扩散燃烧及火焰
1/ 2
d d0
1 .5
t
2
分析： 分析： 1°喷射压差↗ ：u0 ↗ °喷射压差↗ 3°ρa、µa ↗ ：空气阻力 ↗ ° 4° ρf 、 µf ↗ ：液滴直径 dp ↗ ° L↗ L↗ L↘ L↗
5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰
燃烧 气态 蒸发 燃料雾 化
原因：使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气 原因： 接触表面， 接触表面，同时还尽可能将液滴合理地分布在燃 烧室空间内，强化液体燃料的燃烧， 烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性 能好的要求。 能好的要求。 因此，液体燃料的喷射过程、 因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧 性质及燃烧效率都有重要影响 。
1/ 2
总体积及表面积平均直径
[索特（Sauter）平均直径] 索特（Sauter）
ds =
∑ ∑nd
i
ni d i
i
3 2
（最为通用） 最为通用）
柴油机） 经验公式（柴油机） ：
d σ d s = 70.5 c u0 ρ f
0.25
v f g g 1 + 3.31 σ ρ f dc
r
浓度分布特点： 浓度分布特点：在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分 布规律。在轴线上燃料浓度有最大值， 布规律。在轴线上燃料浓度有最大值，随轴线方向距离的增 加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料浓度变化大， 加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料浓度变化大，离喷孔越远的 横截面内燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。 横截面内燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。
火焰的传播与燃烧
火焰的传播与燃烧火焰是一种极其常见且重要的自然现象，它是燃烧过程中释放出的能量在空气中可见的产物。
火焰不仅在日常生活中广泛存在，还在许多工业以及自然灾害中发挥着重要的作用。
了解火焰的传播与燃烧机制对于火灾预防以及火灾控制技术的发展具有重要意义。
本文将对火焰的传播与燃烧进行探究，以帮助读者更好地理解这一现象。
一、火焰的构成与特点火焰主要由燃烧产生的气体、燃料以及与空气中的氧气反应所产生的光线组成。
火焰具有明亮、热量高以及瞬时性的特点。
火焰的明亮是由火焰中的化学反应产生的能量所激发的，而火焰的热量则是火焰所释放的能量。
火焰的瞬时性表现在火焰的形态常常变化，以及火焰的燃烧能量会随着燃料的消耗而逐渐减少。
二、火焰传播的方式火焰传播主要分为三种方式：火焰辐射传播、火焰传导传播以及火焰对流传播。
1. 火焰辐射传播：指火焰释放的辐射能量照射到周围可燃物而引发其燃烧。
这种传播方式主要适用于火焰温度较高的情况下，如火灾等。
2. 火焰传导传播：指火焰直接接触到周围可燃物体，通过传导方式将热源传递给可燃物体，引发其燃烧的传播方式。
这种传播方式常见于火源接触到固体物体的情况下。
3. 火焰对流传播：指火焰释放的热量引起气体流动，将火焰所携带的热量带到远离火源的地方，从而引发周围可燃物体的燃烧。
这种传播方式主要适用于火焰所处环境的气体能够流动的情况。
三、火焰的燃烧过程火焰的燃烧过程主要包括引燃和火焰的扩展两个阶段。
1. 引燃阶段：当燃料达到燃点，且与氧气充分接触时，燃料开始发生氧化反应，产生可燃气体。
当这些可燃气体达到足够浓度时，可被点燃的区域将扩展，形成初步的火焰。
2. 火焰扩展阶段：在引燃阶段形成的初步火焰下，燃料持续燃烧，释放出的热量使周围的燃料加热，进而产生新的可燃气体。
这些可燃气体与周围的氧气接触发生反应，并继续燃烧，火焰的面积也随之扩大，形成火焰的传播。
四、火焰的控制与预防对于火焰的控制与预防，可采取以下措施：1. 阻止可燃物接触到火源，以减少火焰的传导传播。
燃烧学
1火灾指的是在时间和空间上失去控制的一种 灾害性燃烧现象。
火灾分类：按损失严重程度可分为特大火灾、重大火灾和一般火灾三类。
2火灾烟气的组成：（1）气相燃烧产物；（2）未完全燃烧的液固相分解物和冷凝物微小颗粒；（3）未燃的可燃蒸汽和卷吸混入的大量空气。
火灾烟气中含有众多的有毒有害成分、腐蚀性成分和颗粒物等，加之火灾环境高温、缺氧，导致火灾中很多人因烟气窒息和中毒而死亡。
3燃烧区的高温使其中白炽的固体粒子和某些 不稳定的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从 而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它是燃烧过程 中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一 些微小颗粒，这样就形成了烟。
4燃烧的条件可燃物（还原剂） 助燃物 氧化剂 点火源以上三个条件即为燃烧三要素5固体和液体可燃物的理论空气需要量1kg 可燃物燃烧所需氧气和空气的体积 （m3/kg ） 5kg 可燃物燃烧所需氧气和空气的体积6气体可燃物的理论空气量7燃烧热反应热：化学反应过程中，从环境吸收 或向环境散发的热量。
生成热：由稳定单质反应生成某化合物 时的反应热。
标准生成热 ：在0.1013MPa 和 指定温度下，由稳定单质生成1mol 某物质的 恒压反应热。
燃烧热：燃烧反应的反应热。
标准燃烧热 ：在0.1013MPa 和指 定温度下，1mol 某物质完全燃烧时的恒压反 应热。
8盖斯定律:在整个化学反应过程中保持恒 压或恒容，且系统没有做任何非体积功时，2,0104.22)3232412(2-⨯⨯-++=OS H C V O 521.02,0,0⨯=Oair V V 2222,010)4(2321212-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++++=∑O H C m n S H H CO V m n O 2222,0,010)4(23212176.421.02-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡-++++⨯==∑O H C m n S H H CO V V m n O air化学反应热只取决于反应的开始和最终状态， 与过程的具体途径无关。
5,6章燃烧学思考题和作业题
第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。
重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。
2.预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。
2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。
3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。
4.着火感应期，着火过程的时间特征。
5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。
7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。
8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。
10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。
11.影响湍流火焰传播速度的因素。
12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。
13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。
14.工程上稳定火焰的措施。
作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。
现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。
2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。
3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。
可燃气体燃烧的分类
燃烧学
在减压的情况下，随着压力的降低，爆炸范围不断缩小。 当压力降到某一数值时，则会出现上限浓度和下限浓度重合。 如果压力再继续下降，则混合气便不会爆炸了，这一压力称为 爆炸极限的临界压力。
燃烧学
➢ 惰性气体 在可燃混合气中添加惰性气体，可使混合气体爆炸范
围缩小。当惰性气体大于一定浓度时，混合气体便不能发 生燃烧、爆炸。
10
燃烧学
常用可燃气体爆炸极限数据表
物质 甲烷CH4 乙烷C2H6 丙烷C3H8 乙炔C2H2
下限（%） 5 3 2.1 2.3
上限（%） 15 12.5 9.5 72.3
11
燃烧学
➢ 当可燃物含量很稀或很浓时，化学反应进行很慢，单位 时间内放出的总化学反应能量较小，就不能支持前沿冲击波 去激发下层混合气体的化学反应。即使没有任何能量耗散， 也不能使爆轰波稳定传播。
燃烧的情况下，空气中的化学计量浓度的计算式如下：
L0
20.9 0.209
n0
%
在氧气中， 则为：
L0
100 1 n0
%
于是，爆炸浓度极限可估算如下：
Lmin 0.55 L0 Lmax 4.8 L0
注意：该式可用 来估算烷烃以及其它 有机可燃气体的爆炸 浓度极限，但不适用 于乙炔以及氢、硫、in 3.0% LC min 2.1% LD min 1.5%
LAmax 15.0% LB max 12.5% LC max 9.5% LD max 8.5%
燃烧学
爆炸浓度下限：
100 Lmin 0.80 0.15 0.04 0.01 % 4.2%
燃烧学
气相燃烧是最主要的燃 烧形式。
【思考】为什么这么说？ 答：液体或固体可燃物受热后一般先发生蒸发或者热解产生 可燃蒸气或可燃热解气，然后与氧化剂混合燃烧。
燃烧学-五-多组分反应流体守恒方程
Cp
''' , S h0 q f ,i m ,i
六、守恒标量的概念
1.简单化学反应模型 化学反应：燃料和氧化剂消失，产生二氧化碳和 水蒸气，燃气温度升高并发出热量。 假设： （1）燃料和氧化剂以化学恰当比进行单步不可逆 反应，生成单一的燃烧产物 1kg燃料+ kg 氧化剂 (1 )kg 产物 （a） （2）各组分的传输特性相同，但可以随空间位置 而变化(每处每参数相等，但可不均匀）；
vi vi ,diff v
组分总的质量通量等于对流通量和扩散通量之和，即
组分总的质量流量
q
'' m ,i
q m9;'
扩 散 通 量
m ,i ,diff
对流通量
wi v wi vi ,diff
将（c）式代入式（a），得
（ c）
代入分子输运的费克扩散定律，得
H MW H H O MW H O
( wi ) '' ''' qm ,i qm ,i t
由
'' m ,i
组分
i 的质量守恒方程的一般矢量形式为
，
'' m
i 1,2,, N
，得
（ a）
q wi vi q v
混合物质量平均速度
v wi vi
（b）
组分速度等于质量平均速度叠加上扩散（布朗运动）速度
( pA) x ( pA) x x qm [(v) xx (v) x ]
上式除以 A，并取极限 x
x 0
，得
或
dp '' dv qm dx dx dp dv vx dx dx
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实验现象
富氧扩散火焰：火焰表面逐渐 收缩到圆管的轴线上，成为圆 锥形火焰。 贫氧扩散火焰：空气中的氧气 不足，这时火焰扩展到外管的 壁上形成喇叭形的。
现象解释：一个稳定的火焰边界只能是燃 料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在
火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有
过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不 能稳定。
b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰）
(concentric jet flame)
c）逆向喷流扩散火焰
(counter-flow diffusion flame)
优点：不会发生回火现象 ，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料 与氧化剂进行预先混合 ，操作 方便 ，所以在工业上应用很广。
5.2 气体扩散燃烧火焰
L u0 t 1 2.4 a a f f
1/ 2
d d0
1.5
t
M1 u d 2 / 4 ud 2
1 M 2 Ld D d 1 2 ud Ld D d
ud 2 L D
L ud 2
（5.3.3）
湍流扩散火焰
用湍流涡团扩散系数ε代替（5.3.3）式内的层流扩散系
数D，即
：
ud 2
L ud 2
L
lu ud
通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱(stream)或锥 形空心油片(sheets)； 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动； 在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面 形成油线或空洞； 油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴； 由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力，气体动力， 表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，分散成小油 滴； 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油 滴，这些油滴的综合体称为油束(spray)。
空气 燃料 空气
1-富氧火焰 2-贫氧火焰
同心圆管内的扩散火焰
扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化 学剂量比混合的表面上才是稳定的。
二、扩散火焰高度
1.实验观察
火焰特征随气流喷射速度的变化
2. 数学模型
火焰高度
喷管尺寸（直径d） 流率（u）
层流扩散火焰
推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的 燃料质量M2成比例 。
一、燃料雾化的喷射特性 雾化定义
靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。
液体燃料的喷射雾化方法
用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内； 对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉 碎和分散； 采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎 等等。
燃油的破碎机理
喷雾特性
空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角，输送 的空气或氧气的速度场等)； 喷射横截面上的液体分布； 雾化液体的液滴大小； 雾化液体液滴大小的均匀性。
1. 喷雾油束的空间形状 油束锥角(spray angle) —— 喷油嘴孔口处油束外包络 线的两条切线之间的夹角 s Sitkei给出的经验公式：
第五章 扩散燃烧及火焰
（diffusion combustion） 扩散燃烧火焰类型
气体扩散燃烧火焰
基本概念 扩散火焰高度 燃料雾化的喷射特性
单液滴燃烧
液体燃料的喷射燃烧火焰 油雾燃烧 燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧
燃料膜的蒸发燃烧
扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点， 扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型 喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点
一、基本概念
扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中，燃
料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。
已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而燃料 气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点燃后相互接 触。
着火前燃料气和空气分子的扩散过程
着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散
在具有理论燃烧剂量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃烧 表面。 燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。
a 2 d c s 3 10 l f
0.3
Re 0.7
0.1
增大喷射压差则流出
喷孔燃油流速增大，使Re
增加，造成 s增大。 增加喷孔直径与喷孔
通道长度比也可增大
s 。
喷雾油束的贯穿距离(spray penetration) —— 在给定时间内， 油束顶端实际到达的位置与喷油嘴喷孔间的距离称为喷雾油 束的贯穿距离。 经验公式： 分析： 1°喷射压差↗ ：u0 ↗ 3°ρa、μa ↗ ：空气阻力 ↗ 4° ρf 、 μf ↗ ：液滴直径 dp ↗ L↗
d （5-4）
湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与 气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 L/d = 定值。实验结果证实了这一点。
5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰
燃烧 气态 蒸发 燃料雾 化
原因：使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气 接触表面，同时还尽可能将液滴合理地分布在燃 烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性 能好的要求。 因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧 性质及燃烧效率都有重要影响 。
基本性质：控制燃烧速率 的 是混合过程的快慢。
（更为常见）
分类
层流扩散燃烧
（分子扩散）
气体扩散燃烧 扩散燃烧 湍流喷雾燃烧
液体喷雾燃烧
（涡团扩散）
5.1扩散燃烧火焰的类型
按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：
a）自由射流火焰
(free jet flame)
层流射流扩散火焰 紊流射流扩散火焰
单液滴燃烧模型的建立与求解
喷雾燃烧观察与分析
扩散燃烧基本概念
概念
燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混 合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边 扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称 为扩散控制燃烧，扩方面：燃烧氧化的化学动力过程 和燃料与氧化剂混合的过程。 根据燃烧过程进展条件的不同： 化学动力燃烧 （混合速度大于燃烧速度 ） 燃烧过程 扩散燃烧 （混合速度小于燃烧速度 ）