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燃烧学的讲义第四章燃烧物理基础

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4燃烧的化学和物理基础

4燃烧的化学和物理基础

氧原子和双原子氧分子的生成焓随温度的变化
22
第4章 燃烧的化学和物理基础
1.3.3 燃烧焓和热值
化学反应过程中，系统在反应前后其化学组分发 生变化，同时伴随着系统内能量分配的变化。后者表 现为反应后生成物所含能量总和与反应物所含能量总 和间的差异。此能量差值以热的形式向环境散发或从 环境吸收，称反应焓（反应热）。 对燃烧过程，就称 为燃烧焓，即
(h
0 f ,O2 298
)
0
21
第4章 燃烧的化学和物理基础
在298.15K，氧分子的生 成焓为0，即 hO2 0 在298.15K，氧原子的绝对 焓等于生成焓（标态）
氧原子 绝对焓 （kJ/kmol）
氧分子
在4000K，氧原子的绝对焓 （4000K时）等于生成焓 （标态）+显焓，即 hO (4000) (h f0,O ) 298 hs ,O (4000)
26
第4章 燃烧的化学和物理基础
一般地，燃烧室的温度要低于理论绝热燃烧温度。
27
第4章 燃烧的化学和物理基础
绝热燃烧温度有两种定义： 一是定压燃烧下的（适用于燃气轮机或锅炉） 一是定容燃烧下的（适用于理想奥托循环） 一个稳态的燃烧过程的绝热燃烧温度Tmax可以用 Hprod = Hreact 来进行计算，即

例如：碳氢化合物在空气中燃烧的理想产物是 CO2，H2O，O2，和 N2。但如果离解就会产生以 下物质：H2，OH，CO，H，O，N，NO， 还可 能有其他的许多。 如何计算平衡组分?

29
第4章 燃烧的化学和物理基础
化学平衡的概念来自热力学第二定律。 热力学第二定律的定义：
① 不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响 （1850 年，德国物理学家克劳修斯）； ② 不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生 其他影响（1851 年，英国物理学家开尔文） ； ③ 克劳修斯提出了熵的概念，热力学第二定律又可以表述为： 在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大， 此即熵增原理。

徐通模燃烧学--第4章

徐通模燃烧学--第4章
23
2）环境温度为Tb2时，不同散热条件下会出现不同的燃烧状态。 若散热曲线为Q2b，在反应初期，放热
大于散热，反应系统温度增加，至点2 达到平衡。
点2是一个不稳定的平衡点。系统处在 点2左边时，Q1>Q2b，系统会升高温度 到达点2；在右边时，Q1>Q2b，系统会 继续升高到达点3，进行高温燃烧。此 时满足着火条件2。
52
第三节 链锁自燃理论
热能与动力工程系
链锁自燃概念
链锁自燃是可燃混合物在低温、低压下，由于分支链锁 反应使反应加速，最终导致可燃混合物燃烧。
链锁爆燃理论的实质是由于链锁反应的中间反应是由简 单的分子碰撞所构成，对于这些基元反应热自燃理论是 可以适用的。但整个反应的真正机理不是简单的分子碰 撞反应，而是比较复杂的链锁反应。
c1n 0
E
e RT0
QEk0
ln i (1 n) ln p B
五、热自燃界限
无论是均相气体燃料或固体燃料，当周围介质温度T0达到 一定值后，即出现热自燃着火，其临界自燃条件如上所述 的第2点临界方程，此时的系统温度即为自燃温度。
试验也表明，在一定的炉内压力p0下，可燃混合物的浓度 变化时，其自燃温度也不相同。
着火时
即，增大燃烧室空间，弥补了压力降低引起的着火点升温的弊 端，保证着火进行，因此说提高了着火性能。熄火距离
着火浓度界限
ln p0 Tz2h

1 2
ln
R 3
QVk0 xA2
E


E 2RTzh
对于谢苗诺夫方程，还可以固定压力p，作T-xA着火浓度界限 图，固定温度T作p-xA着火浓度界限图，如下图所示。这些曲 线统称为着火浓度界限（或自燃界限和范围）。一般来说， 这些图线都呈U型，U型区内为着火区，U型区外为不着火区。

燃烧理论基础ppt课件

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微波燃烧
微波燃烧是一种新型的热工技术，利用微波电磁场与燃料 的相互作用产生热量，实现燃料的快速、高效燃烧。微波 燃烧具有低污染、高效率和节能等优点。
06
未来展望
清洁能源的发展
清洁能源
随着环境保护意识的提高，清洁能源的发展越来越受到重视。未来，化石燃料的使用将逐渐减少，取而代之的是 太阳能、风能、水能等可再生能源。
02
燃烧化学
燃烧反应方程
燃烧反应方程是表示燃烧过程中物质 变化和能量转换的数学表达式。它由 反应物和生成物的化学式及其相应的 反应系数组成，遵循质量守恒和能量 守恒定律。
燃烧反应方程可以用来表示燃料与氧 气或其他氧化剂反应生成二氧化碳、 水蒸气等产物的过程，如C + O2 → CO2 + H2O。
热工仪表
热工仪表用于监测和控制燃烧系统的运行状态，包括温度计、压力计、流量计、氧分析仪 等。这些仪表能够实时监测燃烧过程中的各种参数，如温度、压力、流量和含氧量等。
燃烧控制技术
01
空燃比控制
空燃比是燃料和空气的混合比例，合适的空燃比是保证燃烧效率和经济
性的关键。通过控制燃料和空气的流量，可以调节空燃比，使燃烧过程
燃烧温度
01
燃烧温度是指燃烧过程中火焰或 反应区的温度，它与燃料的种类 、空气的供给、燃烧方式等因素 有关。
02
燃烧温度的高低直接影响到燃烧 产物的组成和燃烧效率，过高或 过低的温度都不利于燃烧过程的 进行。
燃烧产物
燃烧产物是指燃料在燃烧过程中产生 的气体、烟尘和灰渣等物质，它们由 燃料中的可燃元素转化而来。
可持续发展的重要性
资源节约
可持续发展强调资源的合理利用和节约，通过提高能源利用效率和减少浪费，实现经济、 社会和环境的协调发展。

《燃烧基础知识》课件

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燃烧的形式
1 明火燃烧
2 非明火燃烧
明亮的明火是可见光的一种，通常是可燃物表面 的氧化反应导致的。
非明火燃烧指没有明亮火焰的燃烧形式，如炭化、 熔化、蒸发。
3 烟气燃烧
4 火焰燃烧
燃烧过程中，可燃物产生的烟气是火焰中最重要 的组成部分之一。
火焰是燃烧过程中由可燃物和氧气生成的可见光 和热能。
燃烧的类型
化学燃烧
化学燃烧是指物质与氧气发生氧 化还原反应，形成新的物质和能 量。
物理燃烧
物理燃烧是指通过物理方式使物 质发生氧化分解反应，释放出能 量。
生物燃烧
生物燃烧是指生物体内的有机物 被氧化，释放出能量和二氧化碳。
燃烧的过程
1
燃烧的三要素
燃烧的三要素是可燃物、氧气和足够的温度，没有其中一项燃烧无法进行。
燃烧的安全问题
燃烧的危险性
燃烧过程中可能产生高温、燃 烧物飞溅、热辐射等危险因素。
燃烧的防范措施
正确使用和储存易燃物品，加 强火灾预防和探讨 如何预防和应对火灾事件。
2
燃烧的反应物
燃烧反应物是可燃物和氧气，可燃物氧化产生新的物质和能量。
3
燃烧的副产物
燃烧过程中会产生副产物，如二氧化碳、水蒸气和烟气等。
燃烧的应用
燃烧的热力学应用
燃烧的环保用
燃烧过程中释放的热能被用于发电、 发展清洁能源和减少排放是燃烧的
加热、工业生产等方面。
环保应用的重要方向。
燃烧的交通应用
燃油车和混合动力车中的燃烧过程 提供了动力能源，但也产生了尾气 污染。
《燃烧基础知识》PPT课 件
燃烧是一种化学反应，是物质在氧气存在下发生的剧烈氧化反应，常见于人 类生活和工业生产中。

消防燃烧学课件

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爆炸升压速度：
爆炸威力指数=最大爆炸压力×平均升压速度。 爆炸总能量：
可燃气体的燃烧
爆炸极限
一、基本概念
1、爆炸下限：可燃气与空气组成的混合气体遇火源能发生爆炸 的最低浓度。 2、爆炸上限：可燃气与空气组成的混合气体遇火源能发生爆炸 的最高浓度。
二、实用意义
（一）评定气体和液体蒸气的火灾危险性大小。 （二）评定气体生产、储存的火险类别。 （三）确定安全生产操作规程。
着火与灭火的基本理论
三、着火条件
1、着火条件 如果在一定的初始条件下，系统将不可能在整个时间 区段保持低温水平的缓慢反应态，而将出现一个剧烈的加 速的过渡过程，使系统在某个瞬间达到高温反应态，这个 初始条件便称为着火条件。 2、正确理解着火条件 ① 达到着火条件，只是具备着火的可能。 ② 着火条件指的是系统初始应具备的条件。 ③ 着火条件是多种因素的总和。
（二）阻火器：阻火器是阻止火焰传播的火焰阻断装置。 金属网阻火器：在器内用若干层有一定 孔径的金属网，把空间分隔成许多小孔隙。 砾石阻火器：器内是用沙粒、卵石、玻璃 球、铁屑等作为充填料，将器内空间分隔 成许多小孔隙。 波纹金属片阻火器：通常由交迭放置的 波纹金属片组成的有三角形孔隙的方形 阻火器和将一条波纹带与一条扁平带绕 在一个芯子上组成的圆形阻火器。
2、爆轰区的特点：
（1）燃烧后气体压力要增加； （2）燃烧后气体密度要增加； （3）燃烧波以超音速传播。
可燃气体的燃烧
层流预混气中正常火焰传播速度
火焰传播机理
1、热理论
火焰能在混气中传播是由于火焰中加速的结果。
2、扩散理论
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
着火与灭火的基本理论
谢苗诺夫自燃理论

《燃烧基础知识》课件

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持燃烧。
燃烧的效率
燃烧效率的定义
燃烧效率是指燃烧过程中有效能量与总能量之比，通常以百分比表 示。
影响因素
燃烧效率受到多种因素的影响，包括燃料类型、燃烧条件、空气供 应和燃烧设备的设计等。
提高燃烧效率的方法
通过优化燃料和空气的混合比例、改善燃烧设备的热工况、采用催化 燃烧等技术可以提高燃烧效率，降低能源浪费和污染物排放。
燃烧的安全措施
控制可燃物浓度
01
在工业生产中，控制可燃物的浓度在安全范围内，避免达到爆
炸极限。
通风与排气
02
保持工作场所的通风良好，及时排除可燃气体和粉尘，防止浓
度积累。
防火分隔与消防设施
03
设置防火分隔，配备消防设施，如灭火器、消防栓等，并定期
检查其有效性。
燃烧的安全事故处理
紧急疏散
一旦发生燃烧事故，应立 即启动紧急疏散程序，迅 速撤离现场人员至安全区 域。
燃烧反应缓慢，通常不会发出可见火焰， 而是以热辐射形式释放出热量的现象。
燃烧的过程
引燃阶段
在引燃阶段，可燃物质与点火源 接触并开始燃烧。此阶段需要足 够的点火能量和可燃物质的存在
。
燃烧阶段
在燃烧阶段，燃料与氧气发生化学 反应，释放出大量的热量和气体。 此阶段是燃烧过程中的主要阶段。
熄灭阶段
在熄灭阶段，燃料被完全消耗或氧 气耗尽，燃烧反应停止。此阶段释 放的热量和气体逐渐减少。
燃烧的物理特性
要点一
总结词
燃烧的物理特性包括火焰的形成和传播、热辐射和燃烧产 物的状态变化。
要点二
详细描述
在燃烧过程中，可燃物与氧化剂反应产生火焰。火焰的形 成和传播与可燃物的物理性质、反应条件和环境因素有关 。火焰可以呈现不同的颜色和形状，并具有特定的温度和 发光特性。此外，燃烧过程中产生的热辐射可以传递热量 ，影响周围物质的状态变化。最后，燃烧产物可以是气态 、液态或固态，取决于可燃物的组成和反应条件。

燃烧学 第四章 燃烧物理学基础


g CD
p a a
2 dp
二、粒径
• 粒径表示每个固体颗粒大小的程度，是判断颗粒
粗细程度的一个指标。
– 如果颗粒是球形或接近于球形，那么可以取其直径作 为粒径。
– 若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进行准确测定并 将其表示出来几乎不可能的。
粒径的测量方法
• 直接测定的当量直径 （显微镜直径） • 间接测定的有效直径（沉降颗粒直径）
f——某截面上某点处介质射流浓度
四、旋转射流
• 旋转射流有三个方向分速度
– 轴向速度 – 切向速度 – 径向速度（通常较小，可忽略）
• 切向速度大，在射流中心区形成反流区
（逆流区或回流区）称为强旋流
• 切向速度小，未在中心形成反流区，称为
弱旋流
四、旋转射流
• 旋转射流特点
– 强旋流的回流区可提供点火热源，实现稳定燃烧 – 扩散角大，初期混合强烈，射程短，后期混合弱，
• 在考虑两种组分以上的多组分混合物的扩散问题时，常常
把考虑的组分当作一种组分，而把组分以外的所有组分作 为另一种组分，这样近似地处理为双组分扩散问题，那么
扩散方程可以写为：
uuv Js
Ds
s
y
二、扩散定律
• 假定把混合物看作理想气体，还可以把扩散方程表示成分
压力梯度或质量百分数的形式，即：
v J
射流中心有负压区
回流区
轴向速度分布
切向速度分布
一、颗粒的悬浮速度
• 颗粒的沉降速度和悬浮速度
FD
FD W FB
FB
FD
CD
4
d
2 p
1 2
aug2
W
FB
d

燃烧学—第四章3


安全工程学院：齐黎明
21
《燃烧学》--第四章
表4-10
混合物 2H2＋O2
化学计量比的氢-氧混合物的爆轰波速表
安全工程学院：齐黎明
8
《燃烧学》--第四章
4.5.2激波的性质
激波运动的速度与激波强度
设某时刻t，激波前进到2截面处， 波前参数为p1，ρ1，T1， 波后参数为p2，ρ2，T2。 激波前进的速度为V激，波后气体运动的速度为ΔV。 设dt时间后，激波由2截面前进到1截面，于是1-2截面间的距离为
安全工程学院：齐黎明
7
《燃烧学》--第四章
微弱压缩波可以叠加在一起，成为一道强的压缩波—激波 但是，膨胀波则不再叠加在一起，变成一道“强的”膨胀波。 越靠后的膨胀波运动速度越小，后面的膨胀波永远也赶不上 前面的膨胀波。各膨胀波之间的距离将越来越大，故膨胀波 不能像压缩波那样集中或叠加在一起，形成一道强的膨胀波。
安全工程学院：齐黎明
16
《燃烧学》--第四章
当管子足够长时，后面的压缩波就有可能一 个赶上一个，最后重叠在一起，形成激波。激波 一定在开始形成的正常火焰前面产生。 一旦激波形成，由于激波后面压力非常高， 使未燃混气着火。经过一段时间以后，正常火焰 传播与激波引起的燃烧合二为一。于是激波传播 到哪里，哪里的混气就着火，火焰传播速度与激 波速度相同。 激波后的已燃气体又连续向前传递一系列的 压缩波，并不断提供能量以阻止激波强度的衰减， 从而得到一稳定的爆轰波。
安全工程学院：齐黎明
3
《燃烧学》--第四章
在AA与BB之间，是从时刻0起到时刻t1这段时间内
活塞连续做加速运动, 形成的无穷多道微弱压缩波 每一道压缩波经过气体，气体的压强、密度和温度就有一 个微小的提高，并获得一个微小的向前运动的速度增量

《燃烧学基础》讲义

本课程将以化学流体力学作为分析燃烧问题的基础，系统地阐述燃烧中涉及 的化学反应热力学与化学反应动力学，详尽地分析以层流预混火焰和层流扩 散火焰为代表的最基本燃烧现象，使学生能够掌握燃烧理论的基础知识。 参考书目： Turns S.R.著, 姚强等译,《燃烧学导论:概念与应用》, 清华大学出版社, 2009. Turns S.R., An introduction to combustion, 2nd Ed., McGraw Hall, 2000. Law C.K., Combustion Physics, Cambridge University Press, 2006. Kuo, K.K. Principles of Combustion, 2nd Ed. JohnWiley, 2002. Warnatz J. et al., Combustion, 4th Ed., Springer, 2006. Glassman, I., Combustion, 3rd Ed., Academic, 1996. Peters, N., Turbulent Combustion, Cambridge University Press, 2000. Poinsot, T. & Veynante, D., Theroretical & Nnumerical Combustion, Edwards, 2005.
—— 陈正
讲义目录
第一章 引言 Introduction (1 课时∗) 1.1 燃烧及其应用…………………… ………………………………...ppt 1.2 燃烧学发展史………………………………………………………ppt 1.3 燃烧研究的动机与目标……………………………………………ppt 1.4 课程内容……………………………………………………………ppt

燃烧学第4章：气体燃料燃烧

前锋静止不动，v0即为火焰前锋的正常传播速度vL
vL
ws 0Q
T0 n
2n !
E 1 1
(
)
exp[

( )]
n 1
B 0c p (Tr T0 ) Tr
R Tr T0
w0
ws 0
(Tr T0 )
0c pQ
E
w0 k c exp(
)
RT0
n
0 0
n
0
共一百四十六页
总和是个常数，都等于可燃混合物的初始总能量
Q(c0 c)
c pT Qc c pT0 Qc0
T T0
cp
Qc
当T=Tr时，c=0
Tr T0 0
cp
T T0 c0 c

Tr T0
c0
Tr T0 T Tr c0 c

Tr T0
c0
T Tr c
第四章
气体燃料燃烧
(ránshāo)
3.1 火焰传播
3.2 正常火焰传播速度
3.3 扩散(kuòsàn)火焰与预混火焰
3.4 火焰稳定的原理和方法
3.5 湍流燃烧火焰特点
共一百四十六页
1
第一节火焰
(huǒyàn)
传播
概述(ɡài shù)
1. 气体燃料的燃烧过程的三个阶段

燃料与空气的混合阶段

可燃混合气的加热与着火阶段
层流火焰

1 ，内锥为蓝色预混焰
锥，外锥为紫红色燃烧产物火焰

，内锥为蓝色预混火焰，
1
外锥变为黄色扩散火焰
共一百四十六页
共一百四十六页
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( 2wx
x2
2 wx y 2
2wx ) z 2
d d w ygy1 p y( 2 x w 2y 2 y w 2y 2 zw 2y)
d d w zgz 1 p z( 2 x w 2z 2 y w 2z 2 zw 2z)
只有当 w x w x （非湍流） 或w y w y
w x w y 0
2020/8/19
13
• 流场中，任意相距y的两点1和2上，其相关性
用e12表示 e121 12w1w2dw1w2
当y=0时 ww1 w2
， e12 w 2 ；
当y→时 令e12=0，说明点1与点2湍流
无关。
2020/8/19
• 质量基准 • 对于一维扩散 • 摩尔基准 • 对于一维扩散
A
t
DAB2A
A
t
DAB
d2A
dy2
CA t
DAB2CA
CA t
DAB
d2CA dy2
2020/8/19
5
质扩散率
• 费克中出现的质扩散率 D，表征物质扩散能力的大 小，是个物性参数。它的数值取决于扩散时的温度 、压力及混合物系统的性质，主要依靠实验来确定 。
• 传质的两种基本方式：分子扩散传质和对流 传质。
2020/8/19
2
扩散的基本定律
• 传质的推动力是组分的浓度梯度。组分i的浓
度通常用质量浓度i kg/m3或摩尔浓度Ci
kmol/m3来表示。
• 对于混合气体，
Ci
pi RT
• 可见在等温系统中，组分的摩尔浓度与分压 成正比。
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3
N A k CC A ,w C A , C A ,1 w / k C C A , 推 阻 动 力 力 速 率
• 与传热中的牛顿冷却公式形式相同。
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7
浓度边界层
• 在对流传质中，在界面上也象热边界层一样 会形成浓度边界层。扩散介质的浓度变化主 要发生在浓度边界层之内。
y u, CA CA
2020/8/19
S h 0 .0 2 3 R e 0 .8 3S c 0 .4 4
10
4.2 湍流物理模型及计算
4.2.1 湍流的物理本质——脉动
• 1883年，雷诺（Reynolds）首先发现了粘性流体存在 着两种不同的流动状态——层流和湍流
• 当Re=wd/Relj时，由定常的层流流动→非定常的紊
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15
4.2.2 湍流的数学描写—雷诺方程式
粘性不可压缩流体连续性方程和运动微分方程
Navier-Stokes方程
按牛顿第二定律：惯性力=重力（体积力)+压力（表面力）+粘性力
• 连续方程： • 运动方程:
wx wy wz 0 x y z
X方向： Y方向： Z方向：
dwx
d
gx
1
p x
的量m及流体的温度T总是在一个平均值上下不断的脉
动。
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11
脉动
瞬时速度w或
者瞬时压力p
ww或 pp
速度时均值w 压力时均值p
l b
• w ( p ) 是瞬时真实速度w（或者压力p）对时间的
积分中值：
即 w 1 2 wd
1
及 w'ww
p 1 2 pd 及 p' p p
1
• 一般只用到二元混合物的质扩散率，有半经验的计 算公式，在已知p0,T0条件下的D0时，推算p,T条件 下的D
3
D
D20/8/19
6
对流传质及传质系数
• 流体流过壁面或液体界面时，如果主流与界 面之间有浓度差，就引起传质。这种传质称 之为对流传质。
• 流体与界面间传质通量可如下定义
第四章 燃烧物理基础
• 4.1 传质学基础 • 4.2 湍流物理模型及计算 • 4.3 "三传"的比拟 • 4.4 自由射流中的混合与传质 • 4.5 旋转射流中的混合与传质 • 4.6 钝体射流中的混合与传质 • 4.7 平行与相交射流的混合与传质
2020/8/19
1
4.1 传质学基础
• 物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为 传质，也称为质量传递。
湍 湍流流动耗能散 2 12 w x x (2 w x 2 w y w y y2 2 w w z z z 2 )2 w y x w x y 2 w z x w x z 2 w z y w y z 2
2020/8/19
CAw
x
8
重要的准则数
• 普朗特准则数
Pr a
• 施密特准则数
Sc D
• 对流传热的努谢尔特数
Nu l
• 对流传质的舍伍德数
Sh Dl D
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• 管内强制对流湍流换热的公式
N u 0 .0 2 3 R e0 .8P r0 .4
• 管内强制对流传质的公式
14
速度脉动wx´决定湍流中的“三传”过程
w x w y
w x 2
(wx
2
wy
2
wz
2
)
/
3
w*
——湍流切应力 ——湍流正应力 ——湍动度
动量传递
其中：
c T wy m w y
——湍流热通量 ——湍流传质通量 w*——某一特征速度
热量传递 质量传递
c ——比热
另外两个主要量：
m´——流体某一组分 物质量的脉动量
费克（Fick）第一定律
• 质量基准
总质量浓度ρ为常数
jA D A B A D A B A
• 摩尔基准
总摩尔浓度C为常数
J A D A B C x A D A B C A
• 对于一维扩散
jA
DAB
dA
dy
JA
DAB
dCA dy
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4
费克（Fick）第二定律
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脉动的特性：
• (1) 速度脉动w´（或p´）对时间的平均值（时均值）为0。
即 1 12w d1 12w w d0
• (2) 速度脉动w´的时均根值
w21
2ww2d0
1
• (3) 流场中任意一点上的两个不同方向上的速度脉动如wx´
、wy´的乘积的时间平均值
w x w yw x w x w y w y11 2w x w y d 0
流流动—湍流。
• 湍流的特征：流体质点的速度w大小、方向和压力p都 随时间τ不断地变化，有时流体微团还会绕其瞬时轴无
规则、且经常受扰动的有旋运动，所以在流体中明显 出现很多集中的漩涡，不断地产生—消灭—再产生— 再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。
• 实验还发现湍流状态下，速度w、压力p、某组分物质