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燃烧学中国科学技术大学热科学和能源工程系第01 章绪论第02 章燃烧化学第03 章燃烧物理基础第04 章燃料燃烧反应机理第05 章预混火焰第06 章扩散火焰第07 章着火与熄火第08 章火焰稳定第09 章液雾燃烧第10 章固体燃烧燃烧学第1 章绪论中国科学技术大学热科学和能源工程系2005 年2月1.1 燃烧与火焰燃烧---- 燃料与氧化剂两种组分在空间激烈地发生放热化学反应的过程，它伴有发热\发光过程，即所谓火的现象反应物燃料--- 被氧化剂氧化的物质，如煤炭\石油\天然气\木材\化工产品等氧化剂--- 含有活泼氧原子(或类似于氧原子的组分)，常指空气中的氧可燃混合气--- 能够进行燃烧的燃料和氧化剂的气态混合物燃烧产物---- 化学反应所生成的物质化学反应---- 一般是氧化反应放热过程是燃烧的必要条件之一：例如磷火\荧光等不是燃烧激烈地放热反应：激烈地放热也是必要条件，例如焰前的冷焰与热焰过程也不是燃烧注意的是：燃烧强调的是过程火焰-- 气相状态下发生的燃烧的外部表现火焰的三个特征：发热、发光特征-- 热和辐射的现象热辐射：H2O\CO2\ 碳氢化合物等化学性能稳定的燃烧产物的光谱带，波长0.75 m ~0.1mm 之间，在红外区最强化学发光辐射：CH \ OH \ CC 等处于电子激发态的各种自由基组分，是由化学反应产生的光辐射，不连续光谱带，在反应瞬时产生炽热固态烟粒和碳粒辐射连续光谱，能够使火焰辐射增强燃烧气体、液体或固体燃料的炉膛中，完全燃烧产物的辐射主要来自H2O \ CO2 \ 烟粒和飞灰颗粒电离特征碳氢化合物燃料和空气的燃烧火焰中，特别是层流火焰中的气体具有较高的电离度，在电场中火焰发生变形\弯曲，着火、熄火条件发生变化自传播特征火焰一旦产生，就不断向周围传播，直到反应系统燃料耗尽火灾是火焰自传播的例子，没有自传播特性，就没有火灾发生注意：火焰强调的是外部表现1.2 现代燃烧学的发展17 世纪末，德国的斯嗒尔(G. E. Stahl) 燃素论，努力使燃烧成为一门科学1772 年，法国拉瓦锡在论文中提出许多物质( 金属铝\铁、锡、硫、磷等)燃烧后重量增加1774 ，普利斯特列，发现氧接着拉瓦锡很快证明这种物质在空气中含有20% ，确立了燃烧的氧化学说，揭开了燃烧的本质19 世纪热力学成为认识燃烧现象的唯一基础20 世纪30 年代，美国化学家刘易斯，俄国化学家谢苗诺夫将化学动力学机理引入燃烧研究发现燃烧反应具有链锁反应的特点化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素20 世纪50 年代，认识到：控制燃烧过程的因素不仅是化学动力学因素，还有流动\传热、传质等物理因素燃烧过程是这些因素综合作用的结果建立了着火、火焰传播\湍流燃烧的理论20 世纪50--60 年代，冯卡门\钱学森：用连续介质力学来研究燃烧现象20 世纪60 年代后期，D. B. Spalding ：首次得到层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解在普朗特、雷诺\ 周培源等人工作基础上，将湍流模型引入燃烧学的研究，提出一系列湍流输运模型和湍流燃烧模型对一大批燃烧现象和实际燃烧过程进行了数值求解20 世纪80 年代，美\英\俄\日\德\中\法等国：形成了“计算燃烧学”学科\ 能够定量预测燃烧过程1.3 燃烧的应用用火是促进人类文明发展的重要因素之一人类文明程度随着可控燃烧强度的提高而提高人类最早使用火有140--150 万年的历史 考古学的证据：周口店北京人的证据，至少有50 万年新石器时代—制造陶器—10000 年前青铜器时代—公元前2000 年使用煤炭—公元前200 年铁器时代—公元300 年利用石油—1800 年以前火药发明—1000 年前燃烧学在现代工业\ 国防\ 生产\ 生活中的应用(1) 能量和动力装置替代能源：主要包括：核能、太阳能、风能、水、地热、海洋能等优点：他们是无污染、洁净的能源存在的主要问题：在安全\能量密度\易获取性等方面存在不足燃烧燃料获取热能和动力的优势：优势：高效、经济、能量密度大通过燃烧矿物燃料获取化学能，在世界能源消费份额中，在一个相当长的历史时期，将仍然占有较大的比重燃烧燃料主要用来获取热能和动力动力装置的操作和设计与燃烧密切相关家庭加热工业锅炉发动机透平火箭发动机汽车石油的主要消费者也是污染的主要制造者70 年代开始，要求汽车发动机的燃烧高效—目前能源利用不到10% 洁净—汽油机HC \ CO 排放太高柴油机可以部分解决问题—柴油机柴油机相同的压缩比，汽油机效率高于柴油机柴油机压缩比远远大于汽油机，因此柴油机效率更高对燃料的要求较汽油机宽在炼油阶段就比汽油机更节省能源可以利用非传统燃料或劣质燃料酒精\ 煤-油浆\ 重油\ 柴油机存在的问题—需从燃烧角度解决噪音、SOOT\ 烟粒排放现代发动机燃烧发展趋势最近发动机研究