西工大燃烧学各章总结+重点问答题

前沿：

燃烧强烈放热和发光的快速氧化反应过程。

按化学反应传播分类：强烈热分解、缓燃、爆震。

燃烧现象是流动、传热、传质和化学反应同时发生又相互作用的复杂的物理化学现象。

第一章：燃烧热力学

化学恰当反应：所有参加化学反应的反应物都按化学反应方程规定的比例完全燃烧的反应。特点：反应物完全消耗，燃烧强度最高。

空气-燃料化学恰当比（空—燃比）：化学恰当反应时消耗的空气—燃料质量比。

当量比：实际燃油量所需的理论空气量与实际空气量之比或实际燃油量与理论燃油量之比。余气系数：实际空气量所需的理论燃油量与实际燃油量之比或实际空气量与理论空气量之比。热效应：温度不变，对外界只做容积功，所交换的热量。

反应热：化学反应过程中系统与外界交换的热量，统称为反应热。

反应焓：等温、等压条件下，反应物形成生成物时吸收或放出的热量（热效应）

热效应：能够表征物质的属性而且是在特定条件下进行的化学反应的反应热，则称为热效应。绝对焓：某一参考温度下该组分的生成焓和从某一参考温度开始的显焓变化之和。

标准反应热: 标准状态下的反应热。

燃烧焓：当1 mol的燃料与化学当量的空气混合物以一定的标准参考状态（比如1atm，25℃）进入稳定流动的反应器，且生成物（假定为CO2，H2O，N2）也以同样的标准参考状态离开该反应器，此反应释放出来的热量。

燃料的发热量：指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料（在标准状态下）与空气完全燃烧时所能释放出的最大热量。是衡量燃料作为能源的一个很重要的指标。

燃料热值：1kg燃料在标准状态下与空气完全燃烧所放出的热值。高热值HHV（凝聚相），低热值LHV（汽态）。

绝热燃烧（火焰）温度（Tad）：当燃料和空气的初始状态，即燃料/空气比及温度一定时，绝热过程燃烧产物所能达到的温度。分类：等容燃烧和等压燃烧。

热离解：燃烧产物的分子在高温下吸收热量而裂变为简单分子或原子的现象。

标准生成吉布斯自由能：在标准状态（压力）下，由稳定单质（包括纯的理想气体，纯的固体或液体）生成1mol化合物时吉布斯自由能的变化值，称为该化合物的标准生成吉布斯自由能。单位：kJ/mol。

第二章：一维燃烧波

燃烧波：传播到预混可燃气体混合物中去的化学反应波，是一种由波驱动的化学反应。

分类：缓燃波，爆震波。因素：与反应物的成分等因素以及管道点火端是开口的还是闭口的有关。

正常燃烧波：通过传热、传质发生的。压力下降，比体积升高。

爆震波：通过激波压缩，使混合气温度不断升高。压力升高，比体积下降。

ZND模型：假定爆震波由一个以爆震波速度运动的激波和跟在后面的厚度比激波厚得多的化学反应区组成。反应区与激波同速。

结论：只有强爆震、C-J爆震、弱缓燃和C-J缓燃是可能的，这就是Chapman-Jouguet假说。

C-J爆震波和强爆震波波前是超音速，强爆震波波后是亚音速。

弱缓燃波和C-J缓燃波波前是亚音速，弱缓燃波波后也是亚音速。

激波压缩和释热不耦合的原因是：控制这些现象的时间尺度明显不同。对爆震波而言，化学反应之前，激波压缩提高了可燃混合物的温度和压力。

Rayleigh质量守恒和动量守恒的结合。初始状态和最终状态的压力和比体积的性质关系。Hugoniot能量守恒。

燃烧波主要问题：波的传播速度，燃烧产物的流动特性参数。

C—J理论把化学反应区假认为一个强间断面，认为反应区厚度为零。

激波形成：直接起爆（巨大的点火能量）间接起爆（不断加速）由缓燃向爆震转变。

爆震极限：

激波对化学反应起诱导作用，而化学反应对激波起驱动作用，提供激波传播所需的能量。

如果化学反应释放的能量小于维持激波传播所需能量时，爆震波衰减或熄灭。

爆震波的形成与可爆震混合物的成分有关，即存在混合气余气系数的贫、富燃料极限。

多维爆震波的结构特征是存在一个非平面的前导激波，这个前导激波由许多向来流反向凸出的弯曲激波组成。

第三章：化学动力学

化学动力学:研究化学反应速率(反应过程和时间）及其影响因素，用反应历程解释化学反应机理的一门科学。

反应速度=正确取向的空间因子(p)*具有足够动能的碰撞分数(f )*气体分子碰撞频率(Z)

首先形成活化络合物，然后离解为反应物，或者分解形成产物。碰撞能量非常大，反应可能性趋于零，因为不可能形成中间络合物。

活化分子：能量超出一定值，直接作用后能发生化学作用的分子(能量大于活化能的分子) 活化能：活化分子所具有的最低能量(E*)与整个反应物分子的平均能量(E )之差，称为实验活化能或Arrhenius活化能，简称活化能(Ea)。

反应热：等于正反应的活化能与逆反应的活化能之差。小于零放热。

化学反应速率：指单位时间内反应物或生成物浓度的变化量。

以反应物摩尔浓度表示的反应速率又常常表示为一个与温度有关的反应速率常数和反应物

组分的摩尔浓度的乘积。

简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。仅由一个基元反应构成。

复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是要通过生成中间产物的许多反应步骤来完成，其中每一步反应称为基元反应。由两个以上基元反应构成。

质量作用定律：描述化学反应速率和反应物浓度的关系。只适用于基元反应。反应速率正比于各反应物浓度乘积。

化学反应级数：化学反应级数反映化学反应速率与反应物浓度的关系。分数、负数、零到四。Kp是温度的函数，所以基元反应的速率常数只依赖于温度。由于平衡常数一般比反应速率常数更精确,故通常用平衡常数来表示反应速率。

阿累尼乌斯速率-温度关系曲线。适用于高活化能状态。不适应：活性中间体的重新组合；活性中间体的交换反应。

动力学近似：“准稳态”假设，局部平衡近似。

反应机理：连续或同时发生的所有基元反应称为反应机理,它是根据反应速率与反应物浓度、温度和其它因素之间的关系提出来的一种化学反应过程进行的理论模式，用以解释实验现象。一个详细的化学反应机理：反应物、中间产物、生成物。

链锁反应理论：一种在反应历程中含有被称为链载体的低浓度活性中间产物的反应，这种链载体参加到反应的循环中，并且它在每次生成产物的同时又重新生成。链的形成、链的传播或增殖、链的终止。起链反应、链分支\链传递、碰撞销毁、气相销毁。

不分枝链锁反应-直链反应：在链锁反应的基元反应中，若消耗活性中心的数量同新生成的活性中心数量相等。不分枝链反应的速率随时间增加一开始就迅速增加，在活性中间产物的浓度达到平衡后，反应速率不再增加，然后随反应物浓度的减少反应速率减少。

分枝链锁反应-爆炸反应：反应在生成最终产物的同时，新生成的活性中心多于起始反应的活性中心，称为分枝链锁反应。分枝连反应的速率开始随时间增长并不显著增加，等一段感

应期后就急速增加形成爆炸，然后随反应物浓度的减少而减少。

第四章：燃烧中的输运现象

质量交换浓度梯度～ Fick扩散定律，动量交换速度梯度～ Newton粘性定律，能量交换温度梯度～ Fourier热传导定律。

化学反应是碰撞分子间原子的交换或重组。

强度参数：与系统的尺寸（容积）无关的参数。可以由相应的非强度参数（取决于系统的容积）与系统的体积比来定义。由相应的非强度参数与系统的体积比来定义。

费克扩散定律：组分A的扩散通量方向与该组分当地质量分数梯度方向相反，绝对值正比于该梯度值，比例系数称为扩散系数。

傅里叶导热定律：导热通量的方向与温度梯度方向相反，绝对值正比于该梯度值，比例系数称为导热系数。

牛顿粘性定律：单位面积上剪切力方向与速度梯度方向相反，绝对值正比于该梯度值，比例系数称为粘性系数。

Pr称为普朗特数动量输运速率与能量输运速率之比。Sc称为斯密特数动量输运速率与质量输运速率之比。Le称为路易斯数质量输运速率与能量输运速率之比。

第五章：多组分反应流体守恒方程

（混合物质量守恒方程、组分的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）

混合物分数f：燃料中所含元素的质量除以混合物的质量。用流动中任一点的燃料、氧化剂和燃烧产物的质量分数之和来表示。完全预混f均匀分布。

热流通量：包括热传导产生的热通量和由于组分扩散引起的附加焓通量。

守恒标量：流动过程中数值保持不变的量。

质量流量=对流通量+扩散通量；动量变化率=表面力+体积力；能量变化率=外热的总和和对外做功的总和；扩散速度=组分速度-质量平均速度。

一维直角坐标系，忽略粘性力、体积力、只有控制体上的压力。

第六章：层流预混火焰传播

火焰传播速度等于可燃混气的流动速度，否者回火或者吹熄。

各组分的传播方式：质量守恒和能量守恒。

影响层流火焰传播速度：

物理因素：压力P、初始温度、火焰温度

化学因素：混气比、混气性质、惰性物质或添加剂、燃料分子结构。

惰性物质：一方面直接影响燃烧温度从而影响燃烧速度，另一方面，通过影响可燃混合气的物理性质（热扩散系数）来（明显）影响火焰传播速度。

火焰的厚度：热扩散系数、火焰厚度与火焰速度成反比。

火焰稳定：关键是能量与活性组分的损失。高速建立回流区。

流动必要条件——火焰传播余弦定理（要保持火焰稳定，必须满足火焰传播速度等于气流速度的余弦即法向分速度的条件）；的热力必要条件——稳定的点火源。

第七章：点火、可燃性和熄火

燃烧三阶段：着火、燃烧、熄火。

着火条件：反应物、温度、时间、湍流。

着火方式：连锁自燃、热自燃、点燃。

着火机理：连锁机理、热机理。（实际燃烧过程中热机理和链锁机理常常是同时存在，互相促进的。一般而言，热自燃所需要的热量较多，在高温高压下热机理是主要原因，低温低压下链锁机理是主要原因。）

着火模型：链式分支着火模型、均匀热着火模型、局部热力点火模型。

着火的本质：化学反应速率急剧升高。

热自燃条件：反应热大于散热。相等是慢速氧化反应。

混合物的可燃性：取决于点燃和容器特定的几何外形。

可燃极限：在一定的温度或压力条件下，并不是所有混合气成分都能够着火，而是存在着一定的浓度范围，超出这个范围，混合气就不可能着火。

影响因素：可燃边界取决于反应容器的尺寸、点火源的能量、火焰传播的方向（向上，向下，水平）、压力、温度和混合物中稀释气体的量和性质。

最小点火能量:能将一个最小混气团点着，并能使这个混气团的火焰在主燃区传播所需的火花能量。（受可燃混合气的混合比、压力、初温影响）

熄火（淬熄）距离：当管径或容器尺寸小到某个临界值时，由于火焰单位容积的散热量太大，生热量不足，火焰便不能传播。这个临界管径叫淬熄距离。（与火焰传播速度及压力反比）。设计点火系统重要参数：最小点火能量、淬熄距离。

火焰在管中淬熄有两种原因：

（1）管径过小，火焰区单位容积的表面积增大，因而通过管壁的散热率上升。（2）管径过小，火焰传播时活性中间产物碰壁销毁的几率增大。

点火性能准则：点火性能准则参数I代表点火时在点火器附近的混气中生热率与散热率之比。I值高，则认为点火性能好。

点火过程的影响因素：1．燃料的物理化学性质2．燃料的雾化程度和分布特性3．燃料与空气的混合比4．点火区域内可燃混合物的压力和温度5．可燃混合物的流动速度6．联焰管的尺寸和安装位置

第八章：湍流预混火焰

层流火焰：火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小。(20～100cm/s)

湍流火焰：火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快（层流的好几倍）。

湍流特点：局部流动参数处于脉动状态。

湍流预混火焰传播：可以描述为在湍流流动中传播的薄的层流预混火焰。

湍流传播模式：小火焰模式、含有不同尺度反应涡传播模式、良搅拌反应器模式。

机构模型和统计模型是描述预混小火焰模式的两种主要模式。

三种湍流火焰模型：

小尺度湍流火焰：能够保持规则的火焰锋面，火焰前沿仍然是平滑的（特点：小尺度湍流火焰只是由于湍流增强了物质的输运特性，从而使热量和活性粒子的传输加速，使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快，而在其他方面没有什么影响。）

大尺度弱湍流火焰：火焰锋面扭曲皱折；火焰锋面未被吹破,仍然是连续的。

大尺度强湍流火焰：不存在连续的火焰面。（湍流火焰传播速度与化学动力学因素无关，只取决于脉动速度的大小。）

湍流火焰传播速度的影响因素：雷诺数、压力、温度、脉动速度、混气浓度。

提高方法：使混气余气系数接近恰当比、提高混气的脉动速度、增大相应混气的层流火焰传播速度。

稳定方法-建立回流区：实体火焰稳定器、气动火焰稳定器。

火焰稳定准则：在吹熄条件下，流过回流区的气体与回流区中的高温燃气接触的时间恰好等于火焰滞后时间。在吹熄的临界条件下，火焰与回流区边界接触点移到回流区尾部，使来流速度略有增加，可导致吹熄。

第九章：非预混火焰

扩散火焰：在发生化学反应之前，燃料和氧化剂是分开的，依靠分子扩散和整体对流运动（湍

流扩散）使反应物分子在某一个区域混合，接着进行燃烧反应。（化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合速度，而与化学反应速度关系不大。）

预混火焰在发生化学反应之前，反应物已经均匀地混合,预混射流（燃料和空气混合物）直接形成的火焰。（混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化学反应速度（或化学动力因素），而与混合过程关系不大。）

层流扩散火焰结构：过通风火焰（氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量（即总氧化剂过量），火焰靠近圆柱管的中心线上。）、欠通风火焰（燃料量超过化学计量值（即燃料过量），火焰向外壁蔓延）。

扩散火焰长度变化：

(1)层流扩散火焰区：火焰高度(长度)与气流速度成正比，（流速增加，扩散系数变化不大，随着流速上升，火焰长度增加）。

(2)扩散火焰过渡区：火焰高度(长度)随气流速度的增大而减小，喷咀附近，为层流火焰，上部为湍流火焰。气流速度越大，层流状火焰长度越短；

(3)湍流火焰区：气流速度大于临界速度后，气流离开喷口便呈湍流状态，火焰长度不随气流速度而变化（流速增加，扩散系数相应增加，火焰长度变化不大，但是火焰有折皱和噪音）。层流区：火焰面清晰、光滑、稳定。扩散区：焰面起皱。湍流区：

层流火焰高度与燃料流动速度成正比，与喷嘴尺寸无关。湍流与喷嘴尺寸正比，与速度无关。第十章：液体燃料的蒸发

液滴表面的增发率与液滴直径的平方成比例。

油雾锥：是由许多尺寸不同的单滴油珠组成。因而单滴油珠在高温环境中的蒸发与燃烧规律是进一步研究油雾燃烧的基础。

D平方定律意义：油珠的增发时间与初始直径平方成正比，与增发常数成反比。

第十三章

燃烧室工作特点

(1)、进口气流速度很大(2)、燃烧室容积很小（容热强度大）(3)、工作温度高（2500K）(4)、出口气流温度T*4受到涡轮叶片的热强度的限制，不能过高(5)、进口参数变化大。

性能要求：点火可靠、燃烧稳定、燃烧完全、出口温度场符合要求、压力损失小、尺寸小重量轻、排气污染少、寿命长。

基本结构：扩压器、喷油嘴、火焰筒、旋流器、点火器、联焰器

类型：单管燃烧室、环管、环形、折流型、回流型

加力燃烧室工作特点：

(1) 进口总压低，气流速度大，进口总温高。---点火和火焰稳定都相当困难，燃烧效率显著下降。(2) 二次燃烧，工质含氧量小，，惰性成分增加，燃烧效率下降。---对组织燃烧不利。(3) 加力室中没有转动部件，温度不受过多限制，可达2000K左右；相对富油；不需要火焰筒。(4) 工作状态变化小，，不会出现过渡状态下的极度贫油和富油..(5) 余气系数小，含氧量小，燃烧容易不稳定，产生振荡燃烧。

结构：扩压器、供油装置、点火及点火装置、火焰稳定器、防振隔热屏、调节控制系统

压气机损失：摩擦损失、扩压器扩压损失、火焰筒进气损失、掺混损失

气流结构：顺流区、过渡区、逆流区。

理论空气量：完全燃烧所需的最少空气量。

流阻损失：总压损失与最大界面处动压之比。

等温燃烧焓：1kg燃料与L0kg空气完全燃烧产生的（1＋L0）kg纯燃烧产物的焓值与L0kg空气在同一温度下的焓值的差。

反应热与反应热效应区别：

化学反应过程中系统与外界交换的热量，统称为反应热，它是过程量。能够表征物质的属性而且是在特定条件下进行的化学反应的反应热，则称为热效应。显然，生成焓就是一种热效应，它是在化学标准状态下(等温等压)，从稳定元素化合成1kmol 化合物的特定反应过程中所交换的热量。这样，生成焓就可看作是一个状态参数，代表该化合物在化学标准状态下所具有的化学能。所以生成焓的概念，可以脱离生成反应独立地加以应用。

反应热不一定是反应热效应；但反应热效应一定是反应热。

化学反应级数和反应分子数：

两个完全不同的概念，反应分子数概念只能用于一个基元反应，反应级数则是化学动力学实验测定的浓度对反应速度的影响的总结果。简单反应的级数常与反应式中反应物的分子数相同。用途不同（区分反应类型；说明反应机理）。反应级数通常不是整数，如一般碳氢燃料与氧的反应是1.5～２级反应；分子数一定是整数（如可以有0级反应，却没有0分子反应）。

甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：

首先，出口动量对甲烷射流火焰长度的影响起主要作用，这使得甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长。但是，甲烷出口密度很小使得动量直径显著变小，这个较小的动量直径是使得甲烷火焰长度变小的关键因素（虽然甲烷的化学计量系数比丙烷要小，但是它的影响比动量直径要小的多）。

湍流火焰比层流火焰传播快的原因：

（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了反应区；

（2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使反应速率增加，即燃烧速率增加；

（3）湍流加快了新鲜混气和燃气之间的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。

热自燃与点燃的区别与联系

热自燃：整个混合气的温度较高，反应和着火是在容器的整个空间进行的；

点燃：混合气的温度较低，混合气的部分气体受到高温点火源的加热而反应，而在混合气的大部分空间中其化学反应为零，其着火是在局部地区首先发生，然后向空间传播。

热自燃和点燃的差别仅在于整体加热与局部加热的不同而已，着火机理相同。

本生灯火焰外形特征为什么会如此:在锥体顶部，由于火焰前沿的曲率半径和火焰前沿厚度在数量级上相当，因此，热传导和活性分子扩散非常强烈，提高了当地火焰的传播速度，使得锥顶变圆；由于火焰向金属壁面的散热或活性分子的销毁，靠近喷口处有一个无火焰区，称为穿透距离或熄火距离；因为可燃气体的压力大于大气压，使得可燃混合气通过穿透距离逸出，引起突出边缘。

火焰传播有浓度的上下限。

一般认为，火焰温度最高的混合物其火焰速度也最大。在很贫或很富的混气中，由于燃料或氧化剂太少，反应生热太少，而实际燃烧装置不可能是绝热的，故难以维持火焰传播必需的热量积累，所以火焰不能在其中传播。也就是说，火焰传播有浓度的上下限。

影响层流火焰传播速度：

物理因素：压力P、初始温度、火焰温度

化学因素：混气比、混气性质、惰性物质或添加剂、燃料分子结构。

有关着火、熄火的结论

由以上分析可知，燃烧系统的熄火比着火要在更加不利的条件下才会发生，即熄火过程带有滞后性。（这可从各自的初始条件分析，着火→初始条件差→故要求高；熄火初始条件好→

故要求低。）亦即着火时，所要求初温、停留时间（与流速有关），均要大于熄火时的，而其排热系数要小于熄火时的。→→总之，混气的初温、浓度、流速和混气性质对着火和熄火都有影响。初温较高，浓度接近于化学恰当比、混气流速低或活化能小均会使着火过程容易实现，亦即有利于稳定燃烧；而熄火则发生在初温较低（比着火温度低）、浓度偏离化学恰当比，流速较高的情况下。

可燃极限影响因素：影响因素：可燃边界取决于反应容器的尺寸、点火源的能量、火焰传播的方向（向上，向下，水平）、压力、温度和混合物中稀释气体的量和性质。

火焰在管中淬熄有两种原因：

（1）管径过小，火焰区单位容积的表面积增大，因而通过管壁的散热率上升。（2）管径过小，火焰传播时活性中间产物碰壁销毁的几率增大。

湍流预混火焰特点：

火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播快（层流的好几倍）。

提高湍流火焰速度方法：

湍流火焰传播速度的影响因素：雷诺数、压力、温度、脉动速度、混气浓度。

提高方法：使混气余气系数接近恰当比、提高混气的脉动速度、增大相应混气的层流火焰传播速度。

扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解：

碳氢化合物在高温和缺氧的环境中会分解成低分子化合物，并产生游离的碳粒。如果这些碳粒来不及完全燃烧而被燃烧产物带走，就会造成环境污染，并导致能量损失。

扩散燃烧时，火焰的根部及火焰的内侧容易析碳，因此，如何控制碳粒生成及防止冒烟乃是扩散燃烧中值得注意的问题。

引入火焰筒：

为了使流过燃烧室的空气流能够与供给燃油最充分的燃烧，最大限度释放燃油中的化学能，必须使燃烧区的空气-燃料比接近理论的恰当比15，而这样燃烧后燃气温度太高（高于2000K），涡轮叶片无法承受；若要叶片受得了，必须在已燃气进入涡轮叶片前降温，故燃烧室必需分区——引入火焰筒。火焰筒的引入解决了“既要烧得着，又能受得了”的矛盾。