burning 高等燃燒學(xué)講義 清華大學(xué)課件

1、燃燒學(xué)第一章導(dǎo)論教材和參考書 ：（1）周力行：湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數(shù)值模擬, 科學(xué) 出版社，1994（2）F.A. Williams： Combustion Theory, Adison-Wisley，19851-1 燃燒技術(shù)和燃燒科學(xué)的發(fā)展- （1）燃燒技術(shù)發(fā)展史我國傳說:燧人氏鉆木取火希臘傳說:普羅米休斯把火帶給人間。至少50萬年前人類學(xué)會用火。恩格斯：“火”使人類脫離野蠻進入文明“莊子”：木與木相摩則燃。戰(zhàn)國齊國田單：火牛陣晉代張華“博物志”：四川用天然氣煮鹽火藥和火箭：我國首先發(fā)明（至少在宋代）燃燒技術(shù)的三次大發(fā)展：蒸汽機和內(nèi)燃機（產(chǎn)業(yè)革命）；航空航天技術(shù)（二次世界大戰(zhàn)）；能

2、源危機（70年代末）（2）近代燃燒技術(shù)的發(fā)展燃燒的強化-高能，高壓，高溫，高速燃燒。節(jié)能高效率，低品位燃料燃燒環(huán)保低污染 （低NOx，SOx，CO2，粉塵，噪音，有毒氣體）燃燒火災(zāi)防治森林，建筑和倉庫火災(zāi)，礦井防爆幾種近代燃燒技術(shù)：氫氧燃燒；超音燃燒；高推重比燃燒；旋流（風(fēng)）燃燒；流化床燃燒，磁控燃燒；脈動燃燒；催化燃燒；自蔓延燃燒（3）燃燒科學(xué)的發(fā)展燃素論18世紀(jì)中葉前燃燒的氧化論Lavosier，Lomonosov （1756-1771）燃燒熱力學(xué)Kirshoff，Hess （19世紀(jì)）燃燒反應(yīng)動力學(xué)Simonov，Lewis （20世紀(jì)初）燃燒學(xué)Zeldovich，F(xiàn)rank-Kamen

3、etsky，Spalding，Predvoditelev，Khitrin（20世紀(jì)30到50年代），Williams化學(xué)（反應(yīng)）流體力學(xué)Von Karmen，錢學(xué)森（20世紀(jì)60年代），Williams燃燒的計算流體力學(xué)Spalding，Gosman，Smoot，Swithenbank多相湍流反應(yīng)流體力學(xué)周力行燃燒的激光診斷學(xué)Durst，Bachalo，Adrain1-2 燃燒有強烈放熱和發(fā)光的化學(xué)反應(yīng) 固液氣燃料（煤，非金屬的碳，硅，硼，金屬如鎢鉬鈦鋯，鉀鈉鈣鎂，固體推進劑；石油產(chǎn)品和液態(tài)烴；天然氣和氣態(tài)烴）氧化 類氧化氮化，氯化 分解聯(lián)氨分解為氮和氫 代替反應(yīng)鈉加水成為氫和氧化鈉的反應(yīng)流動

4、，傳熱，傳質(zhì)和反應(yīng)的相互作用1-3 火 焰有濃度和溫度劇烈變化的區(qū)域（不是發(fā)光的燃燒產(chǎn)物）火焰能自動傳播緩燃（1 m/s）和爆震（3000m/s）火焰的輻射，生碳和電離現(xiàn)象層流和湍流火焰擴散火焰和預(yù)混火焰（前者局部高溫，輻射強，效率差，后者反之）化學(xué)平衡流動和凍結(jié)流動擴散控制和動力控制的燃燒絕熱燃燒溫度三種 特征時間（流動，反應(yīng)和擴散時間）和兩種Damkohler數(shù) 反應(yīng)流的兩種極限情況燃燒的兩種極限情況絕熱燃燒溫度 第二章 多組分有反應(yīng)流動基本方程2-1 多組分有反應(yīng)流體基本性質(zhì)和關(guān)系式（1）多組分完全氣體混合物 多組分完全氣體混合物（續(xù)）（2）三種速度和三種物質(zhì)流v 混合氣相對于實驗室坐標(biāo)

5、系的速度vSs組分相對于實驗室坐標(biāo)系的速度VSs組分相對于混合氣的運動速度，即由于分子不規(guī)則運動引起的擴散漂移速度VS = vS v 三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）混合氣中各組分的物質(zhì)流不等于該組分的擴散流各組分擴散流的總和為零擴散流的總和對混合氣整體運動沒有影響各組分擴散線速度的總和不為零（3）多組分有反應(yīng)流動分子輸運定律多組分有反應(yīng)流動分子輸運定律（續(xù)）組分焓和混合物焓都包括物理焓(熱焓）和化學(xué)焓。組分生成焓是常數(shù)，混合物生成焓是組分濃度的函數(shù)。組分的比熱與組分濃度無關(guān)，混合物的比熱取決于組分濃度。三種混合物的焓：熱焓、熱焓十化學(xué)焓、滯止焓 = 熱焓十化學(xué)焓十動能。1

6、-3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式（續(xù)）第二章 層流多組分有反應(yīng)單相流動基本方程組2.1 Reynolds輸運定理和通用守恒律2.2 連續(xù)方程 2.3 組分質(zhì)量守恒方程(擴散方程)2.4 動量守恒方程2.5 能量守恒方程-能量變化和換熱能量守恒方程(續(xù)1)-體積力功和總能量守恒能量守恒方程(續(xù)2)-膨脹功和耗散能能量守恒方程(續(xù)3)-內(nèi)能形式能量守恒方程(續(xù)4)和單組分流動相比，多組分有反應(yīng)流動的能量方程中多出了兩項:各組分擴散流所攜帶的凈焓值和各組分體積力與該組分擴散漂移速度所構(gòu)成的外功之和.擴散流的總和為零, 但擴散流所攜帶的凈焓值以及與擴散流有關(guān)的體積力所做的功之和都

7、不為零.完整形式的能量方程包括內(nèi)能和動能的變化,熱交換和機械功. 動能守恒方程包括動能和一部分機械功的變化,和傳熱無關(guān).內(nèi)能形式的能量方程包括內(nèi)能變化,傳熱和另一部分機械功,與動能無關(guān). 能量守恒方程(續(xù)5)-焓形式能量守恒方程(續(xù)6)-溫度形式2-6 低M數(shù)常比熱無輻射無體積力的層流多組分有反應(yīng)流動基本方程組2.6 相分界面上邊界條件和Stefan流-（1）相分界面氣固或氣液相分界面可能是通道壁、燒蝕表面、有催化作用的表面、固體燃料或液體燃料面相分界面上，往往有物理變化或化學(xué)變化，如蒸發(fā)或凝結(jié)、升華、揮發(fā)和異相（固氣）反應(yīng)惰性表面上，如無催化作用的陶瓷壁上，沒有物理和化學(xué)變化相分界面上的這些

8、物理及化學(xué)過程，決定了分界面上傳熱傳質(zhì)過程的基本特點（2）Stefan流-水面蒸發(fā)水面蒸發(fā)（續(xù)1）水面蒸發(fā)（續(xù)2）水的蒸發(fā)率是水汽總質(zhì)量流，不是水汽擴散流。水汽總質(zhì)量流等于水汽擴散流加上混合氣整體流動所攜帶的水汽質(zhì)量流部分。水的蒸發(fā)率在數(shù)值上又等于表面處混合氣的總質(zhì)量流，也就是Stefan流（3）固態(tài)碳在純氧中燃燒固態(tài)碳在純氧中燃燒（續(xù)）（4）Stefan流產(chǎn)生的充分和必要條件在相分界面上存在物理或化學(xué)過程。有多組分擴散朝向或離開表面。（5）液一氣分界面上邊界條件液一氣分界面上邊界條件（續(xù)）（6）固-氣分界面上邊界條件固-氣分界面上邊界條件（續(xù)）第三章 著火和滅火3-1 著火的基本概念著火是緩

9、慢反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷乜焖俜磻?yīng)的臨界現(xiàn)象著火常常被分成自燃和點燃，熱自燃和化學(xué)自燃但是其本質(zhì)都是放熱和散熱，化學(xué)動力學(xué)和傳熱傳質(zhì)的相互作用錯誤的概念著火溫度（燃點）是物性常數(shù)事實上，著火溫度是壓力，速度，容器尺寸，混合比的函數(shù) Ti= f（p，d，v，）著火條件：反應(yīng)從某一瞬間或某一位置開始產(chǎn)生自動加速，迅速達到高溫狀態(tài)，該初始條件或邊界條件稱為著火條件，或者滿足著火準(zhǔn)則3-2 燃燒反應(yīng)的特點高熱效應(yīng)（高發(fā)熱量）： 碳：Q=8800 kcal/kg；碳氫化物： Q=10000kcal/kg； 氫：Q=33000kcal/kg反應(yīng)速率隨溫度的提高而驟升3-3 量綱分析法量綱分析法（續(xù)）3-4 密閉容器

10、中熱自燃Simonov非定常模型基本假設(shè)：球形容器內(nèi)靜止可燃混合物；內(nèi)部均勻溫度只隨時間變化；著火前可以忽略濃度變化；只有球體和周圍環(huán)境間的導(dǎo)熱?？疾炷芰糠匠毯喕问降哪芰糠匠堂荛]容器中熱自燃Simonov非定常模型（續(xù)1）對任何平衡態(tài)將有平衡點可能是穩(wěn)態(tài)緩慢反應(yīng)，也可能是假平衡增大初始溫度可以使放熱曲線和散熱曲線相切，切點就是過渡到非穩(wěn)態(tài)的臨界點因此得到著火準(zhǔn)則增大壓力或降低導(dǎo)熱系數(shù)或減小尺寸也可以導(dǎo)致著火著火溫度指滿足著火條件的進口溫度，不是切點溫度最終燃燒發(fā)生在比切點溫度高得多得溫度下密閉容器中熱自燃Simonov非定常模型（續(xù)2）：著火的函數(shù)關(guān)系式密閉容器中熱自燃Simonov非定常模

11、型（續(xù)3）: 幾點結(jié)論著火是化學(xué)動力學(xué)因素和傳熱傳質(zhì)因素相互作用的結(jié)果著火條件是溫度，壓力，混合比，容器尺寸構(gòu)成的函數(shù)關(guān)系著火溫度隨壓力上升而下降著火溫度隨容器尺寸增大而下降壓力，直徑不變時如果改變混合比，存在著火溫度最小值和著火的貧限與富限 第四章 預(yù)混層流燃燒-4-1 研究背景和基本現(xiàn)象 研究層流燃燒的目的是了解反應(yīng)動力學(xué)特性層流火焰是溫度和濃度發(fā)生劇烈變化的，有反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)的薄層區(qū)域由冷端到熱端，燃料和氧濃度變成零，燃燒產(chǎn)物濃度和溫度成為最大值火焰的傳播是靠高溫燃燒燃燒產(chǎn)物通過導(dǎo)熱不斷使相鄰的新鮮混氣升溫，著火，燃燒。導(dǎo)熱和反應(yīng)是支配火焰?zhèn)鞑サ膬蓚€重要因素 4-2 層流燃燒基本方程及其

12、性質(zhì) 基本假設(shè)：一維定常層流有反應(yīng)流動；忽略輻射和體積力；完全氣體；比熱為常數(shù)；馬赫數(shù)Ti碳表面吸附氧分子，再通過解吸放出CO或CO2表面氧化反應(yīng)生成CO或CO2 ，還原反應(yīng)生成CO ， CO容積反應(yīng)生成CO25-5 碳的異相氧化反應(yīng)-(2)反應(yīng)動力學(xué)Arrhenius型統(tǒng)觀反應(yīng)動力學(xué)，理論上設(shè)為一級，實際為級溫度小于800時以生成CO2為主, 1000到2000之間以CO為主5-5 碳的異相氧化反應(yīng)-(3)基本方程球?qū)ΨQ一維層流有反應(yīng)流動, CO和氧相遇擴散5-5 (3)基本方程(續(xù))表面反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比關(guān)系5-5 (4) 單反應(yīng)模型設(shè)表面處只有反應(yīng)1，無 容積反應(yīng)，駐膜內(nèi)熱物性為常數(shù)5-3

13、 固體燃料燃燒的一般描述固體燃料可以是金屬，非金屬，固體推進劑和化石燃料煤按照不同的生成年代和碳氫比，煤可以分成無煙煤，貧煤，煙煤，褐煤，泥煤等煤的成分可以用元素分析（碳，氫，氧，氮，硫等）工業(yè)分析（揮發(fā)份，固定碳，水份，灰份），巖相分析來確定固體燃料燃燒方式有裝藥燃燒，型煤燃燒，固定床燃燒，移動床燃燒，流化床燃燒，懸?。▕A帶）燃燒，漿狀燃燒（CWM，COM，CWOM）等煤是地球上廉價燃料，主要問題是污染和磨損煤的燃燒過程一般是升溫，水份蒸發(fā)，熱解揮發(fā)，揮發(fā)份著火燃燒，揮發(fā)份和焦炭共同燃燒，焦炭燃燒，后者時間最長，發(fā)熱的貢獻最大5-4 煤的熱解揮發(fā)-（1）一般概念煤通常升溫到5000到6000

14、左右時開始釋放出一氧化碳，碳氫化物，氮，水汽等，稱為熱解揮發(fā)可以認為一個煤顆粒中含有干而無灰的煤（Daf煤），焦炭，灰份和水份。Daf煤熱解放出揮發(fā)份，焦炭和環(huán)境中的氧起異相反應(yīng)放出一氧化碳和二氧化碳等煤粒的質(zhì)量損失率等于水份蒸發(fā)率加揮發(fā)份釋放率加焦炭燃燒率煤的熱解揮發(fā)對著火和火焰穩(wěn)定有重要作用雖然焦炭燃燒對煤粒燃燒起主要作用，但揮發(fā)份釋放影響煤的孔隙率，從而間接影響焦炭燃盡過程煤的熱解揮發(fā)模型有單方程，雙方程，多方程模型等。其中目前常用的是雙方程模型5-4 煤的熱解揮發(fā)-（2）雙方程模型有兩個熱解揮發(fā)反應(yīng)，一個在常規(guī)燃燒溫度下起支配作用（相當(dāng)于工業(yè)分析的揮發(fā)份）另一個在高溫下起支配作用揮發(fā)份

15、釋放率正比于Daf煤質(zhì)量，和煤粒溫度成指數(shù)關(guān)系5-5 碳的異相氧化反應(yīng)-（1）反應(yīng)種類碳的氧化反應(yīng)發(fā)生于碳表面，為異相反應(yīng)，因為TbTi碳表面吸附氧分子，再通過解吸放出CO或CO2表面氧化反應(yīng)生成CO或CO2 ，還原反應(yīng)生成CO ， CO容積反應(yīng)生成CO25-5 碳的異相氧化反應(yīng)-(2)反應(yīng)動力學(xué)Arrhenius型統(tǒng)觀反應(yīng)動力學(xué)，理論上設(shè)為一級，實際為級溫度小于800時以生成CO2為主, 1000到2000之間以CO為主5-5 碳的異相氧化反應(yīng)-(3)基本方程球?qū)ΨQ一維層流有反應(yīng)流動, CO和氧相遇擴散5-5 (3)基本方程(續(xù))表面反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比關(guān)系5-5 (4) 單膜反應(yīng)模型表面處只有

16、反應(yīng)1，無 容積反應(yīng)，駐膜內(nèi)熱物性為常數(shù)5-5 (4) 單膜反應(yīng)模型（續(xù)1）燃燒率G和反應(yīng)動力學(xué)及傳熱傳質(zhì)都有關(guān)反應(yīng)2的G比反應(yīng)1的大定常狀態(tài)和達到輻射平衡時，壁面熱流等于燃燒放熱，則燃燒率，壁面氧濃度和顆粒溫度取決于5-5 (4) 單膜反應(yīng)模型（續(xù)2）擴散燃燒和動力燃燒5-5 (4) 單膜反應(yīng)模型（續(xù)3）液滴燃燒率只和傳熱傳質(zhì)有關(guān)，碳的燃燒率和反應(yīng)動力學(xué)及傳熱傳質(zhì)都有關(guān)液滴燃燒總是擴散燃燒，碳粒燃燒一般是擴散-動力燃燒高溫，大顆粒，低相對速度時，碳粒燃燒趨于擴散燃燒低溫，小顆粒，高相對速度時，碳粒燃燒趨于動力燃燒動力燃燒時，燃燒率隨溫度升高而增長，和粒徑及速度無關(guān)擴散燃燒時，燃燒率隨速度的增

17、大和粒徑的減小而增大，和溫度無關(guān)液滴燃燒時液滴溫度低于環(huán)境溫度，碳粒燃燒時碳粒溫度高于環(huán)境溫度，但二者的表面氧濃度都低于環(huán)境值動力燃燒時，碳粒表面處氧濃度最高，溫度最低擴散燃燒時，碳粒表面處氧濃度最低，溫度最高擴散燃燒時，碳粒直徑平方的減小服從線性遞減律，而動力燃燒時，則直徑的一次方的減小服從線性遞減率5-5 (5) 碳粒燃燒的某些實驗結(jié)果理論分析結(jié)果和直徑為的懸掛碳粒燃燒的實驗結(jié)果定性一致環(huán)境溫度小于900度（攝氏）為動力燃燒，900到1000度之間為擴散-動力燃燒，1000到1200度之間為擴散燃燒但是當(dāng)環(huán)境溫度大于1200度時，再度出現(xiàn)擴散-動力燃燒這是觀察到碳粒周圍有蘭色透明的CO火焰

18、和氣相空間中局部高溫（1480度）出現(xiàn)?？磥頊囟炔惶邥r，單膜反應(yīng)模型近似正確，但是溫度更高時必須考慮CO2表面還原反應(yīng)和CO容積反應(yīng)5-5 (6) 雙膜反應(yīng)（雙燃燒面）模型設(shè)表面上只有CO還原反應(yīng)和駐膜內(nèi)有CO擴散燃燒， 駐膜內(nèi)熱物性為常數(shù)基本方程和邊界條件：雙膜反應(yīng)（雙燃燒面）模型（續(xù)1）雙膜反應(yīng)（雙燃燒面）模型（續(xù)2）5-6 煤粒燃燒-（1）基本方程設(shè)煤粒有同時進行的水份蒸發(fā)，熱解揮發(fā)和焦炭燃燒煤粒表面同時有三種反應(yīng)，不考慮駐膜內(nèi)的揮發(fā)份和CO反應(yīng)基本方程和邊界條件是5-6 煤粒燃燒-（2）方程的解積分駐膜內(nèi)的擴散和能量方程給出5-6 煤粒燃燒-（2）方程的解 （續(xù)）5-6 煤粒燃燒-（

19、3）某些實驗結(jié)果懸掛淮南煙煤粒質(zhì)量損失和溫升的實驗結(jié)果證實上述煤粒燃燒模型符合實際，可以用于煤粉燃燒模擬中懸掛煤粒的實驗結(jié)果表明，煤粒燃燒分成著火期，揮發(fā)份燃燒期和焦炭燃燒期煙煤粒燃燒實驗給出下列經(jīng)驗關(guān)系式第六章 湍流燃燒簡介-(1)研究背景實際的火焰都是湍流的燃燒強度(火焰長度)和火焰穩(wěn)定是兩個重要問題研究目的是提高火焰穩(wěn)定性和燃燒強度(縮短火焰長度)湍流擴散火焰長度和來流速度無關(guān)湍流預(yù)混火焰長度比層流預(yù)混火焰的短, 受速度影響弱, 火焰厚,有噪音鈍體后方閉式湍流預(yù)混火焰擴張角隨x增加而變小加?xùn)啪W(wǎng)增大湍流使火焰縮短高速時火焰張角不隨混合比和來流速度變化湍流的特征有湍流強度, 湍流尺度和頻率等, 只有兩個獨立變量湍流燃燒簡介-(2)湍流射流擴散火焰基本方程湍流射流擴散火焰(續(xù)1)引入Zeldovich轉(zhuǎn)換, 不用求解方程, 能證明擴