高等燃烧学讲义第6章(郑洪涛4学时)

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高等燃烧学讲义第4章(郑洪涛5学时)

第四章化学动力学——
4.3 多步反应机理的反应速率——②净生成率的简洁表达式 • 由于反应机理可能包括多个基元步骤和多个组分，有必要开发一个同时表示机理和单个组分生成速率方程的简洁符号表达方法。对于反应机理，表达式可以写为
• 式中，和是对应于j 组分在i 个反应中，方程两边反应物和生成物的化学当量系数。例如，考虑上述4个反应，包括8个组分O2、H2、H20、H02、O、H、OH和M。i 和j 定义如下:
第四章化学动力学——
4.2 基元反应速率——双分子反应和碰撞理论 • 以温度来表示就有 • 其中， kB=玻耳兹曼常数=1.381×10-23J/K； • =折合质量， • mA和mB是组分A 和B 的质量，单位是kg； • T=热力学温度(K)。 • 注意到平均速度是将式中的单个分子质量用折合质量μ来代替求得的。将上述理论与反应速率问题联系起来，可以写出
• 或 • 式中，NAV是阿伏加德罗常数(6.022×1026kmol-1)。
第四章化学动力学——
4.2 基元反应速率——双分子反应和碰撞理论 • 碰撞是否发生反应的概率可以认为是两个因素影响的结果： • 一个是能量因子exp(-EA/RuT)，表示能量高于反应所需极限值条件下发生碰撞的比例份额，这个极限值EA叫作活化能； • 另一个因素是几何因素，位阻因子p，它计入了A和B之间碰撞的几何因素。 • 例如，在OH和H形成H2O的反应中，鉴于产物有H-O-H形式的键，可以认为H原子在羟基的O一侧碰撞比H一侧更容易发生反应。一般地，位阻因子应该远小于1，当然也有例外。 • 这样，上式就变为： • 式中，采用了nA/V=[A]NAV和nB/V=[B]NAV进行置换。
第四章化学动力学——
4.2 基元反应速率——双分子反应和碰撞理论 • 式中是平均速度，其值是温度的函数。 • 上式仅适用于性质相同的分子。我们把这一分析推广到两种不同分子之间的碰撞过程。设这两种分子的硬球直径分别为σA和σB。碰撞所扫过的体积的直径为σA + σB=2σAB。因此，上式变为： • 上式表示单个A分子与所有B分子碰撞的频率。 • 我们感兴趣的则是所有的A和B分子的碰撞频率，即单位时间单位体积内的总碰撞数。因此，可以用单个A分子碰撞频率与单位体积内的A分子数乘积得到。采用合适的平均分子速度，有

高等燃烧学讲义第10章(郑洪涛1学时)

• 采用上述计算得到的蒸发常数，如果液滴直径为50μm，则td 是10ms的量级。
第十章液滴的蒸发与燃烧—— 10.3 液滴燃烧的简化模型——假设
• 下面的假设仍保留着基本物理特性且和实验符合得很好: • (1) 被球对称火焰包围着的燃烧液滴，存在于静止、无限的介质中。无其他液滴的影响，也不考虑对流的影响。 • (2) 燃烧过程是准稳态的。 • (3) 燃料是单组分液体，没有溶解性，界面处于相平衡。 • (4) 压力均匀一致而且为常数。 • (5) 气相只包括三种组分：燃料蒸气、氧化剂和燃烧产物。气相可以分成两个区：在液滴表面与火焰之间的内区仅包括燃料蒸气和产物，而外区包括氧化剂和产物。这样，每个区域中均为二元扩散。 • (6) 在火焰处燃料和氧化剂以化学当量反应。假设化学反应动力学过程无限快，则火焰表现为一个无限薄的面。 • (7) 路易斯数为1。 • (8) 忽略辐射散热。 • (9) 气相导热系数kg、比定压热容cpg以及密度和二元扩散系数乘积ρƊ 都是常数。 • (10) 液体燃料液滴是唯一的凝结相，没有碳烟和液体水存在。
• 有两种类型的液体火箭:压力给料，这类火箭的燃料和氧化剂在高压气体作用下被送入燃烧室;泵给料，这类火箭由涡轮泵提供燃料。 • 火箭发动机的氧化剂是液体。燃烧之前要求燃料和氧化剂都汽化，通常由两种液体喷射撞击形成一个液体膜。 • 这个膜很不稳定，先发散成线或带状，然后分裂成液滴。另外，需要用很多喷射器来分配燃烧室直径方向的推进剂及氧化剂。预混和扩散燃烧在火箭发动机燃烧中都很重要。
第十章液滴的蒸发与燃烧—— 10.2 液滴蒸发的简单模型——气相分析
• 运用常物性及Lewis数为1的假设，纯蒸发过程中没有化学反应发生，反应速率为零，则该方程可改写为

《燃烧学讲义》课件

未来燃烧技术的发展趋势与挑战
发展趋势
未来燃烧技术的发展趋势包括进一步提高燃烧效率、降低污染物排放、实现可再生能源的利用和智能化控制等。
挑战
未来燃烧技术的发展面临诸多挑战，如技术瓶颈、经济成本、政策法规和环保要求等。需要加强科技创新和政策引导，推动燃烧技术的可持续发展。
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THANKS
03
燃料电池可应用于汽车、船舶、航空航天、电力系统和备用电
源等领域。
生物质能燃烧技术及应用
生物质燃烧技术
生物质燃烧技术是将生物质转化为热能和电能的一种方式，具有高效、环保、可再生的特点。
生物质燃烧设备
生物质燃烧设备包括生物质锅炉、生物质焚烧炉和生物质热电机组等。
生物质燃烧应用
生物质燃烧可用于供热、发电和工业生产等领域，是实现可再生能源利用的重要途径之一。
02
燃烧的基本原理
燃烧化学反应机理
01
燃烧化学反应机理是研究燃烧过程中化学反应如何进行的机制。它涉及到反应物分子间的相互作用以及反应过程中的能量变化。
02
燃烧化学反应机理对于理解燃烧过程、优化燃烧效率和减少污染物排放具有重要意义。
燃烧反应动力学
燃烧反应动力学是研究燃烧过程中化学反应速率以及影响反应速率的各种因素的科学。
通过燃烧反应动力学的研究，可以了解燃烧反应的快慢程度，进而优化燃烧条件，提高燃烧效率。
燃烧热力学
燃烧热力学主要研究燃烧过程中能量的转化和物质的变化。它涉及到燃烧过程中能量的释放、转移和利用。
燃烧热力学对于能源利用、环境保护和可持续发展具有重要意义。
燃烧过程中的物质传递与热力学
燃烧过程中的物质传递与热力学涉及到燃烧过程中物质和能量的传递与转化过程。

高等燃烧学讲义第13章(郑洪涛4学时)

第十三章湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 图13.5是氢气-空气射流火焰中OH基的瞬时平面图像，清楚地显示了富含OH基的高温区的旋卷形褶皱特征。 • 可以看到，随着下游距离的增加，火焰区域(OH 基区域 ) 也随之增加，最后在火焰顶部出现一个很大的高温区。 • 温度场图像显示，有的区域热量层很薄而温度梯度很大，有的热量层宽，其中温度几乎一致。 • 在很窄的火焰区域内，流体的结构非常复杂。
第十三章湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 假设湍流质量扩散系数与动量传递的相同，则燃料质量分数分布应等于无量纲速度分布，即YF(x, r)=v(r, x)/ve= f (x/dj)。 • 但这种关系只有当没有燃烧时才成立，因为有火焰的情况下YF在火焰边界外为0，但是速度并没有减到0。 • 如第9 章所述，混合物分数可以代替燃料的质量分数，并与无量纲的速度场有相似的性质。 • 这样，当给定燃料类型后，火焰的高度将与射流速度ve无关，而与喷嘴直径成比例，而且射流扩展角与射流速度ve和喷嘴直径dj均无关。 • 图13. 7 中的实验结果证明，对于小口径的喷管，火焰长度确实与ve无关，而且火焰长度大致与喷嘴直径dj成比例。 • 另外，浮力将破坏射流火焰与绝热射流之间的近似，正好可以解释对于更大直径的喷管，湍流火焰长度将不恒定。
第十三章湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 2. 影响火焰长度的因素 • 对于燃料射流喷入静止环境中所产生的竖直火焰来说，火焰长度由4个主要因素决定: – 火焰中射流初始动量与作用在火焰上浮力的比Frf; – 化学当量值 fs; – 射流密度与环境气体密度的比ρe/ρ∞; – 初始射流直径dj。 • 第一个因素，火焰中射流初始动量与浮力之比可以由火焰的弗劳德数Frf来表示。回顾第9 章，引入弗劳德数Frf 是为了区分层流射流火焰中的动量控制模式和浮力控制模式(参考式(9. 68)和式(9.69))。对于湍流射流火焰，弗劳德数Frf定义为：

消防燃烧学第六章

免责声明本书是由杜文峰组织编写的《消防工程学》，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。

本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。

并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。

由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。

西安科技大学消防工程专业2009级赵盼飞 2012、5、28第六章可燃固体的燃烧可燃固体种类繁多，分布广泛，有很多火灾爆炸事故是因为可燃固体燃烧引起的。

因此，可燃固体的燃烧是消防燃烧学研究的重要内容之一。

第一节固体燃烧概述一、固体燃烧的形式根据各类可燃固体的燃烧方式和燃烧特性，固体燃烧的形式大致可分为五种。

(一) 蒸发燃烧硫、磷、钾、钠、蜡烛、松香、沥青等可燃固体，在受到火源加热时，先熔融蒸发，随后蒸气与氧气发生燃烧反应.这种形式的燃烧一般称为蒸发燃烧。

樟脑、萘等易升华物质，在燃烧时不经过熔融过程，但其燃烧现象也可看作是一种蒸发燃烧。

(二) 表面燃烧可燃固体(如木炭、焦炭、铁、铜等)的燃烧反应是在其表面由氧和物质直接作用而发生的，称为表面燃烧。

这是一种无火焰的燃烧，有时又称之为异相燃烧。

(三) 分解燃烧可燃固体，如木材、煤、合成塑料、钙塑材料等，在受到火源加热时，先发生热分解，随后分解出的可燃挥发份与氧发生燃烧反应，这种形式的燃烧一般称为分解燃烧。

(四) 熏烟燃烧(阴燃)可燃固体在空气不流通、加热温度较低、分解出的可燃挥发份较少或逸散较快、含水分较多等条件下，往往发生只冒烟而无火焰的燃烧现象，这就是熏烟燃烧。

又称阴燃。

(五) 动力燃烧(爆炸)指可燃固体或其分解析出的可燃挥发份遇火源所发生的爆炸式燃烧，主要包括可燃粉尘爆炸、炸药爆炸、轰燃等几种情形。

燃烧学—第6章3

铅柱压缩实验
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
19
《燃烧学》--第六章
炸药的氧平衡
绝大多数炸药是由C、H、O、N等元素组成的有机化合物通式 CaHbOcNd b c 2 a 爆炸时的需要的氧原子数 2

（1）正氧平衡（2）零氧平衡（3）负氧平衡
炸药的猛度
猛度炸药爆炸时粉碎与其直接接触物体或介质的能力。猛度与爆速有关。用炸药爆炸时铅柱被压缩的高度表示炸药的猛度
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
17
《燃烧学》--第六章
炸药的
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
18
《燃烧学》--第六章
炸药的猛度测定
24
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第六章
炸药的安全
在炸药的保管和储存过程中应着重注意如下特性：
1）炸药的感度 2）炸药的不稳定性 3）炸药的殉爆安全距离（RⅠ）：
炸药爆炸时，对人作用的最小允许的距离
RI 5
Q W QTNT
安全距离（RⅡ）
10
《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
11
《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
12
《燃烧学》--第六章
产生轰燃（回火）的室内火灾发展示意图
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
13
《燃烧学》--第六章
6.5炸药爆炸
炸药的爆炸特点
（1）化学反应速度极快
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
31
《燃烧学》--第六章
（四）粉尘的爆炸环境条件

第 6 章 1 可燃固体的燃烧课件

最大爆炸压力增大。
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4
• （5）（极限）氧指数（LOI，OI)
• 定义：刚好维持物质燃烧时的混合气体中最低氧含量的体积百分数。
• 氧指数越小的高聚物，火灾危险性越大。 • 氧指数小于22的属易燃材料； • 氧指数在22－27之间的属难燃材料； • 而氧指数大于27的属高难燃材料。
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➢（3）如果物体单面受热，另一面不绝热
A h ( T T ) d ( A t ) c d A T h ( T T 0 ) dt
A h ( T 2 T T 0 )d ( tA ) c dT
dt (A)cdT
Ah(T2TT0)
T0
T∞
ti hclnTTT0T02Ti
ψ=0.27，着火点Ti＝543K，环境温度T0＝293K
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13
• 薄片状固体（Bi=hL/K数较小）：
• 如窗帘、幕布之类
• 估算薄物的引燃时间
• 假设一薄物体的厚度、密度、热容和它与周围环境间的对流换热系数分别为τ、ρ、c、和 h；
• 薄物体的燃点和环境温度（或物体初温）分别为 Ti和T0。
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15
➢（4）当物体一面受热通量为的辐射加热，另一面绝热时假设物体吸收率为α，在时间间隔dt内，能量平衡方程可写成
A Q 'r ' d h t A T T 0 d A tcdT
dtQ r'' hcTT0dT
Qr
对该式从T0到Ti积分得引燃时间为
T0
ti hclnQ r'' hQ Tr''i T0
❖ S=0 固体能否被引燃的临界条件。
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高等燃烧学讲义第16章(郑洪涛2学时)

高等燃烧学
第十六章爆震燃烧
主讲人：郑洪涛
第十六章爆震燃烧
16.1 物理描述 16.2 一维分析
16.2.1 假设 16.2.2 守恒定律 16.2.3 综合关系式
16.3 爆震速度 16.4 爆震波的结构 16.5 小结
第十六章爆震燃烧——16.1 物理描述
• 爆震是一种由燃烧释放的能量维持的激波。而燃烧过程本身又是由激波的压缩产生的高温而引起的。 • 在一个无限长的单面开口的管子中充入可燃混合物，并在封闭端点燃，则火焰经过一段距离的传播就会变为爆震。 • 在这种情况下，由于火焰与封闭端之间燃烧产物的膨胀，导致在封闭端开始燃烧的火焰在混合物中加速传播，使得在燃烧区域的前方形成超声速传播的激波。 • 如图16.1所示是包含爆震波的控制体积。以实验装置为参照系，爆震波由右向左传播。 • 如果将坐标系建在爆震波上，反应物由左向右进入控制体。反应物进入控制体的速度为 vx,1，燃烧产物离开控制体的速度为vx,2。
第十六章爆震燃烧—— 16.2 一维分析——守恒定律
第十六章爆震燃烧—— 16.2 一维分析——守恒定律
• 将上式(16.5)代入能量守恒方程式(16.3)中，得： • 式中括号里边的数值表示单位质量混合物燃烧产生的热量。按照文献中经常出现的定义，用下述公式来表示"加热量": • 这种表示方法使得能量方程的形式类似于在可压缩气体动力学中的表示方法，即 • 上面公式中出现的释热量q 表征了混合物的性质，它的大小取决于燃料和氧化剂的种类以及混合程度，即当量比Φ。 • 4. 状态方程 • 根据理想气体的假设，则有：P=ρRT • 方程组封闭。
第十六章爆震燃烧——16.3 爆震速度
第十六章爆震燃烧——16.3 爆震速度

高等燃烧学

d
即
q g ql C P
dT d
15
Tc——着火温度
图3-5 非绝热条件下的热量平衡
16
a点—稳定点；b点—平衡点，不稳定点；c点—不稳定点，着火临界点
二、非绝热条件下的自燃过程
自燃的临界条件：
(q g ) C (ql ) C
dql ( )C ( )C dT dT dqg
17
氧化的极限状态，即为点燃的临界状态。
dT ( )w 0 dx
（4 ）
（1）（3）（4）联立，可求解。但分析解很难，只能求近似解。
28
温度不同的热物体点燃时的温度分布
二、点燃热力理论
◆
双区理论：

反应区 —— 反应进行比较迅速，反应的热量也主要由这一区域放出。导热区 —— 不进行化学反应，只从反应区导出热量（以外区域）。
图3-4 绝热容器内可燃混合物释热率随时间的变化
二、非绝热条件下的自燃过程

非绝热条件下自燃的发生是有条件的，是散热和放热综合作用的结果。散热

即各组分扩散速度的总和不为 0 。 q S (T T ) / V
l 0

能量平衡 Vq g [ C PV dT S (T T0 )] 0
三、自燃界限
T0c——自燃温度，一般 T0c≈TC ⑴ 维持着火的燃料浓度限 ⑵ 一定p，T↓或一定T，p↓→着火范围变窄 ⑶ 一定p，T↓↓或一定T，p↓↓→任意浓度下不会着火

⑷ 容器散热程度↑→着火范围变窄
18
三、自燃界限
19
图3-12 一定压力下着火温度与成分的关系
三、自燃界限
9
dC dT ) C pV 0 d d

高等燃烧学讲义第12章(郑洪涛4学时)

• 例12.2 试计算电站燃气轮机燃烧室中的丹姆克尔数Da 和柯尔莫哥洛夫微尺度与层流火焰厚度之比lK/δL。判断该火焰所处的状态。假设未燃气体温度为650K，已燃气体温度为2000K，压力为15atm，平均流速100m/s，当量比为1，燃料为异辛烷，燃烧筒直径0.3m。设相对湍流强度为10%，积分尺度为燃烧筒直径的1/10。假设燃料和空气完全混合。 • 解：根据丹姆克尔数表达式： • 其中流动特征时间为 • 化学特征时间τchem=δL/SL。用第8 章的公式(8.33)来计算SL，用简化理论结果(公式(8.21b))来计算层流火焰厚度δL。 • 假设燃料为异辛烷，可以计算出层流火焰速度:
第十二章湍流预混火焰—— 12.3 褶皱层流火焰模式
• 在褶皱层流火焰模式下，化学反应区很薄。如图12.8中所示，只有当Da＞1时，才会有上述现象，并且与湍流雷诺数有关，这表明可以用快速化学反应模式确定反应薄层。 • 发动机中反应薄层典型的丹姆克尔数约为500。此时湍流雷诺数Rel0约为100。在这种情况下，湍流强度v’rms与层流火焰速度SL在同一数量级上。 • 分析湍流燃烧的褶皱层流火焰模式的最简单的方法是假设小火焰为一维平面层流火焰，并以相同的速度传播。这样，湍流唯一的作用就是使火焰面褶皱，从而增大火焰面积。 • 因此，湍流火焰速度与层流火焰速度的比值就相当于褶皱火焰面积与式(12.1)中定义的时间平均火焰面积之比。 • 如图12.9所示，可以将湍流燃烧速率ṁ表示为小火焰面积和速度、密度的乘积形式：
第十二章湍流预混火焰—— 12.3 褶皱层流火焰模式
• 例12.3 一台实验用火花点火发动机，用激光多普勒测速仪测量其平均和脉动速度。在下列条件下计算湍流火焰速度：v’rms=3m/s，P=5atm，Tu=500℃，Φ=1.0(丙烷-空气)。残余已燃气体与新鲜空气混合的质量分数为0.09。 • 解：分别用克里莫夫和丹姆克尔公式来计算湍流燃烧速度。 • 因： • 所以：

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• 初始的浓度可以根据给出的化学当量比求出。氧化剂和燃料的摩尔分数为
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 物质的量浓度[Xi]=χiP/(RuT)为
• 对反应速率微分方程和能量微分方程进行数值积分，结果如图6.4所示。 • 由图可见，在前3ms中温度只上升了200K，而后却在O.1ms 内上升到绝热火焰温度(大约3300K)。 • 这一温度迅速上升并伴随快速的燃料消耗的现象，称为热爆。 • 这是由于反应速度依式[-Ea/RuT]随温度强烈地变化。由图还可见，爆震的压力导数很大，最大可达1.9×1013Pa/s。
高等燃烧学
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合
主讲人：郑洪涛
Hale Waihona Puke 第六章反应系统化学与热力学分析的耦合
• 6.1 概述 • 6.2 定压-定质量反应器 – 6.2.1 守恒定律的应用 – 6.2.2 反应器模型小结 • 6.3 定容-定质量反应器 – 6.3.1 守恒方程的应用 – 6.3.2 反应器模型小结 • 6.4 全混流反应器 – 6.4.1 守恒定律的应用 – 6.4.2 反应器模型小结 • 6.5 柱塞流反应器 – 6.5.1 假设 – 6.5.2 守恒方程的应用. . • 6.6 在燃烧系统建模中的应用 • 6.7 小结
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.1 定压· 定质量反应器——守恒定律的应用
• 对上式进行微分得 • 假设是理想气体，焓值只与温度有关。则：
• 上式提供了与系统温度的联系；同时浓度[Xi](单位体积的摩尔数)的定义和质量作用表达式则提供了与系统组成Ni和化学动力学dNi/dt的联系。其表示为
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 请建立自动点火过程的简单定容反应器模型，并求温度的变化规律及燃料和产物浓度的变化规律，最后求出dP/dt 随时间变化的规律。设燃料-空气混合物在未压缩状态的初始温度为300K，压力为1atm。将混合物压缩到上止点(TC)，压缩比为10:1。压缩前的初始体积为3.68×10-4m3，发动机的汽缸直径和相应的冲程均为75mm，燃料为乙烷。 • 解：为了使计算的复杂程度降到最小，对该过程的热力学和化学动力学做一些大胆假设。但是解将依然保持热化学与化学动力学的耦合作用。假设如下: • (1)反应是一步总包动力学过程，用乙烷的速度参数。 • (2)燃料、空气和产物摩尔质量相同，即MWF=MWOx=MWPr=29。 • (3)燃料、空气和产物的比定压热容相同，且恒定，即， cp,F=cp,Ox=cp,Pr=1200J/(kgK)。 • (4)空气和产物的生成焓为0；燃料的生成焓为4×10-7J/kg。
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.1 定压· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 能量守恒方程 • 根据焓的定义 • 假设只考虑在活塞上的容积变化功P×dv，则 • 将后两式代人第一式中，消去Pdv/dt 项，则有 • 可以用系统内化学组成来表示系统的总焓为
• 式中，Ni和
分别是组分i 的物质的量和摩尔焓。
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合 ——概述
• 本章将针对几个原型的热力学系统，把第4章的化学动力学知识与基本的守恒原理(如质量、能量守恒等)进行耦合。以描述这个系统从初始反应物状态到最终产物状态的详细过程，不管其最终是否达到化学平衡。 • 换句话说，可以计算出系统从初始反应物到产物的进程中系统温度和各种组分浓度随时间的变化趋势。 • 本章的分析是简化的，并没有考虑复杂的传质过程，所涉及的系统如图所示。 • 假设其中三个系统混合充分，组分均匀。柱塞流反应器系统忽略其在流动方向上(轴向)的混合与扩散，且在垂直于流动方向的径向位置上是充分混合的。 • 其模块概念可用来构成更复杂的流动，还可以从最基本的层面上理解热力学、化学动力学和流体力学的相互作用。
• 或
• 式中： • 温度T和组分质量分数Yi,out的求解与第2章中平衡火焰温度的计算方法很相近。不同的是此处的生成物的组成是由化学动力学作为约束条件，而不是由化学平衡作为约束条件的。
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.3 全混流反应器——守恒定律的应用
• 某个组分的质量生成率出的净生成率获得，即
，可以很容易地从第4章中所导
• 忽略任何的扩散通量，任何组分的质量流量可以简单地看成总的质量流量和这个组分的质量分数的乘积，即 • 假设全混流反应器是稳态的，则组分质量守恒方程等号左边的时间导数项为零。将上两式代入，则： • 由于反应器内的组分处处相同，则控制容积出口的组分与控制容积内的完全相同。即出口处质量分数与反应器内质量分数相等。基于此，组分的生成率的形式为
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • (5)设空气-燃料的化学当量比为16.0，燃烧是在化学当量或贫焰情况下发生。 • 用总包动力学很难解释清楚像发动机爆震这样的问题，因为爆震中详细化学动力学起着重要的作用。但这里我们在努力阐释原理，因此答案在细节上并不一定准确。假设 (2)-(4)使我们可以比较科学地估计火焰温度，而忽略对热力学性质的计算。 • 基于上面的假设，我们就可以构建模型了。根据总包反应速率公式(5.2)和表5.1，燃料(乙烷)的反应速度为 • 其中空气中的氧气含量为21%。单位从mol· cm3变到kmol· m3 时，指前因子换算(1.1×1012×[1000]1-0.1-1.65=6.19×109。 • 用化学当量原理可以分别将氧化剂和产物的反应速度与燃料的反应速度关联起来(即假设(2)和(5)):
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 注：虽然模型预测到了混合物在初始的缓慢燃烧后出现爆燃(这可以在真实的爆震中观察到)，但是用一步总包反应机理并没有反映自动点火混合物的真正特性。 • 实际上，诱导期或者点火延迟是由中间产物的形成所控制的，这些中间产物会进一步反应。 • 回顾第5章给出的烃氧化的三个基本阶段。要想更为精确地模拟爆震，需要用更详细的化学机理。 • 目前正在进行的研究试图阐明诱导期的"低温"动力学特性。 • 发动机爆震的控制对于性能的改进一直是十分重要的课题。 • 近来，由于相关的法律规定不准在汽油中使用铅基抗爆剂，爆震控制又一次引起了注意。
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用
• 根据等容反应的能量方程可得：
• 再根据
• 能量方程简化为： • 不仅如此，我们还可以加入压力及压力导数的辅助关系：
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——
6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用
• 在对这组一阶常微分方程(式1-式N)进行积分前，需要给出各个变量([F]、[Ox]、[Pr]和T)的初始值。假设从下止点到上止点的过程为等熵压缩过程，且比热比为1.4，则可求得初始的温度和压力为：
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6.3 全混流反应器——守恒定律的应用 • 要推导全混流反应器的理论，首先回顾一下不同组分的质量守恒概念。第3章导出了一个用于微分控制体的组分守恒方程。现在写出用于积分控制容积的任意组分i的质量守恒方程(参考图6.5)，有:
• 上式与一般的连续性方程的差别在于其生成项的存在。这一项的出现是由于化学反应引起的一种组分转变为另一种组分。 • 如果这一生成项为正号表示反应中这种组分的形成，如是为负号表示反应中这种组分的消耗。在燃烧学的文献中，这一生成项常被叫作源或汇。 • 当对反应器中的混合气体（每一个组分）写出上式的形式，这组方程的和就是我们熟悉的连续方程，即
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6.3 全混流反应器——守恒定律的应用 • 式中，质量分数与物质的量浓度的关系为
• 假设参数和V已知，对每个组分都写出质量守恒方程，共有N个方程，有N+1个未知数。 • 能量平衡提供了另一个封闭方程。根据全混流反应器的稳态假设，忽略动能和势能的变化，能量守恒方程是
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6.3 全混流反应器 • 均匀搅拌或完全搅拌的全混流反应器是一个在控制容积内达到完全混合的理想反应器，如图6.5所示。采用高速的入口射流的实验反应器很接近这一理想反应器，它常被用来研究燃烧的许多特性，如火焰稳定和NOx形成(图6.6)。 • 全混流反应器也可用来获得总包反应的反应参数值。 • 全混流反应器有时又称为朗威尔(Longwell)反应器，以纪念 Longwell和Weiss等的早期工作的成果。Chomiak则举例说明 Zeldovich早10年就描述了全混流反应器的作用。
• 取微分 • 小结：dT/dt 表达式可以与化学反应速率表达式同时积分来求T(t)和[Xi]，即
• 定解的初始条件：
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6.2 定容· 定质量反应器——守恒定律的应用 • 例6.1 在电火花点火发动机中，如果在火焰到达之前未燃燃料-空气混合物发生均相反应，就会引起爆震，也就是自动点火。压力升高速率是决定爆震强度和活塞曲轴机械损害趋势的关键参数。图6.2 给出了火花点火引擎中正常燃烧和爆震燃烧时压力随时间的变化曲线。注意到爆震越强烈，压力上升就越快。图6.3 给出了正常燃烧和爆震燃烧火焰传播的纹影照片(折光系数梯度)。
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合 ——概述
第六章反应系统化学与热力学分析的耦合——