燃烧学第二章
大学燃烧学第二章燃料课件
§2－1 煤
煤的种类及化学组成 煤的分析 煤的使用性质 煤水桨 煤的气化
煤的类及化学组成
煤的形成与种类
煤是由植物经过物理和化学的演变和沉积 而成的、棕色至黑色的可燃烧的固体。
植物质的 堆积阶段 菌解作 用阶段 碳化作 用阶段
在煤化过程的不同阶段，把煤分成：泥煤、 褐煤、烟煤及无烟煤。
N S
氧和氮都是不可燃成分。氧和碳、氢等结合生成氧化物而使碳、氢失 叫做可燃氢，它可以有效地放出热量。另一种是和氧 S： 氢失去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含 去燃烧的可能性。可燃物质中碳含量越高，氧含量越少。氮一般不能参加 结合在一起的，叫化合氢，它不能放出热量，在计算 燃烧，但在高温燃烧区中和氧形成的NOx是一种排气污染物，煤中含氮约 三种存在形式：有机硫，黄铁矿硫，硫酸盐。硫酸盐中 量越少。氮一般不能参加燃烧，但在高温燃烧区中和 发热量和理论空气量时，以有效氢为准。 0.5~2%。 氧形成的NO 是一种排气污染物，煤中含氮约0.5~2%。 的硫不能燃烧，它是灰分的一部分；有机硫和黄铁矿硫
煤的化学组成
煤是由极其复杂的有机化合物组成的。主 要的化学成分有：
C、H、O、N、S、 A （灰分）及W（水分）
可燃质
惰性质
元素 C
描述
可燃元素，煤化程度越高含碳量越大。完全燃烧时生成二氧化碳，此 时每千克纯碳可放出32866 kJ热量；不完全燃烧时生成一氧化碳，此时每 千克纯碳放出的热量仅为9270kJ
煤的种类
泥煤
特点
质地疏松，吸水性强。含氧量最高，含碳、 硫较低。挥发分高，可燃性好，反应性高，灰分 熔点很低 密度较大，含碳量较高，氢、氧含量较少， 挥发性相对低些。粘结性弱，极易氧化和自燃， 吸水性较强，在空气中易风化和破碎
燃烧学—第2章
Nu
努塞尔数 葛拉晓夫数
8
gl3 gl3 T Gr v 2 v2
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
《燃烧学》--第二章
过渡区 U∞ U（ y ） y U∞ 层流边界层 湍流边界层 δh（x）
δh（x）
x
x
流线
层流内层
U（0）＝0
（ a） 图2-3 平板上的绝热流动边界层系统
1/ 2
热边界层
T q ' ' k y
8 h l Re l
y 0
1 Pr3 h
普朗特数Pr＝v/α
q' '
k
T Ts
hl 0.35Re1 / 2 Pr1 / 3 k
h
k 1/ 2 1 / 3 l 8 / Re P r 0.35
T∞
T0
x
初始条件和边界条件
t 0, 0
x 0,
h( ) k
θ h , x ( ) k x
解为：
T T0 erfc( x / 2 t ) exp( xh / k h 2t / k 2 ) erfc( x / 2 t h t / k ) T T0
（b）
U∞ T∞
U∞
T＝T（y） δh（x）
x
δθ（x）
Ts 图2-4 平板上的非绝热流动边界层系统 （虚线表示流动边界层，实线表示热边界层）
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
9
《燃烧学》--第二章
2.3热辐射
Q Qr Qa 吸收率α=Qa/Q, 黑体为1 反射率r=Qr/Q, 白体为1 透射率d=Qd/Q, 透明体为1
徐通模燃烧学第2章
5. 状态方程：
p,T
12
三、湍流运动时均方程组（雷诺方程组）
在上述各方程中，未知量为vi（或u、υ、w）、p、ρ、T 和 ma共七个，而方程数也是七个，所以该方程组是封闭的。
由于湍流运动的特性标尺均很小，在求方程的数值解时必 须将求解区域划分成许多网格，目前计算机的储存量和计 算时间还不能做到。
运用湍流中常用的时间平均方法，把N—S方程组中任一瞬 时物理量用平均量和脉动量之和的形式来表示，再对整个 方程组进行时间平均运算。
13
（1）时均连续性方程
t
x j
(v j
'
v
' j
)
0
（2）时均动量方程
t
vi 'vi'
x j
vi v j
分子输运的基本定律是指，由于速度梯度引起的动量交 换，由于温度梯度引起的热量交换，以及由于浓度梯度 引起的质量交换所遵循的定律。也就是牛顿黏性定律， 傅立叶导热定律，以及费克扩散定律。
22
1、Newton黏性定律
两个无限宽和无限长的不可渗透的平板，它们相距δ距
离，中间充满等温的流体B。如果下平板固定不动，上平
（1）气流核心：在开始区域中，气流具有初始速度u0
的部分称为气流核心。核心区的边界为内边界面， 而射流和静止介质的交界面称为外边界面。
（2）混合区：外边界面和内边界面所包围的部分称 为混合区，是射流和周围介质发生激烈混合的区域。 内边界面上的速度等于初速度u0，而外边界面上的 速度为零。
38
（3）转捩截面：在离喷嘴出口一定距离以后，未经扰
消防燃烧学第二章
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第二章燃烧的物理基础在任何关于燃烧的研究中，传热传质理论和流体力学理论都起着重要的作用。
本章将扼要地介绍这方面的基本知识。
第一节 热量传递概述热量传递有三种基本方式，即热传递、热对流和热辐射。
一、热传导热传导又称导热，属于接触传热，是连续介质就地传递热量而又没有各部分之间相对的宏观位移的一种传热方式。
从微观角度讲，之所以发生导热现象，是由于微观粒子(分子、原子或它们的组成部分)的碰撞、转动和振动等热运动而引起能量从高温部分传向低温部分。
在固体内部，只能依靠导热的方式传热；在流体中，尽管也有导热现象发生，但通常被对流运动所掩盖。
热传导服从傅里叶定律，即：在不均匀温度场中，由于导热所形成的某地点的热流密度正比于该时刻同一地点的温度梯度，在一维温度场中，数学表达式为dx dT K q x -=''∙ (2—l) 式中： x q ∙''—热通量，在单位时间，经单位面积传递的热量，单位为W/m 2；dxdT —沿x 方向的温度梯度，单位为℃/m ； K —导热系数，单位为W/(m ·℃)。
导热系数表示物质的导热能力，即单位温度梯度时的热通量。
不同的物质导热系数不同，同种物质的导热系数也会因材料的结构、密度、湿度、温度等因素的变化而变化。
第二章 燃烧学基础
第二章燃烧基础知识第一节燃烧的本质与条件一、燃烧的定义在国家标准《消防基本术语·第一部分》GB5907—86中将燃烧定义为：可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和(或)发烟的现象。
燃烧应具备三个特征，即化学反应、放热和发光。
燃烧过程中的化学反应十分复杂。
可燃物质在燃烧过程中，生成了与原来完全不同的新物质。
燃烧不仅在空气(氧)存在时能发生，有的可燃物在其他氧化剂中也能发生燃烧。
二、燃烧的本质近代连锁反应理论认为：燃烧是一种游离基的连锁反应(也称链反应)，即由游离基在瞬间进行的循环连续反应。
游离基又称自由基或自由原子，是化合物或单质分子中的共价键在外界因素(如光、热)的影响下，分裂而成含有不成对电子的原子或原子基团，它们的化学活性非常强，在一般条件下是不稳定的，容易自行结合成稳定分子或与其他物质的分子反应生成新的游离基。
当反应物产生少量的活化中心——游离基时，即可发生链反应。
只要反应一经开始，就可经过许多连锁步骤自行加速发展下去(瞬间自发进行若干次)，直至反应物燃尽为止。
当活化中心全部消失(即游离基消失)时，链反应就会终止。
链反应机理大致分为链引发、链传递和链终止三个阶段。
综上所述，物质燃烧是氧化反应，而氧化反应不一定是燃烧，能被氧化的物质不一定都是能够燃烧的物质。
可燃物质的多数氧化反应不是直接进行的，而是经过一系列复杂的中间反应阶段，不是氧化整个分子，而是氧化链反应中间产物——游离基或原子。
可见，燃烧是一种极其复杂的化学反应，游离基的链反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中发生的物理现象。
三、燃烧的条件(一)燃烧的必要条件燃烧现象十分普遍，但任何物质发生燃烧，都有一个由未燃烧状态转向燃烧状态的过程。
燃烧过程的发生和发展都必须具备以下三个必要条件，即：可燃物、助燃物(又称氧化剂)和引火源。
上述三个条件通常被称为燃烧三要素。
只有这三个要素同时具备的情况下可燃物才能够发生燃烧，无论缺少哪一个，燃烧都不能发生。
燃烧学整理内容
第二章燃料的燃烧计算完全燃烧与不完全燃烧燃料燃烧时所需空气量及烟气生成量烟气分析燃烧设备的热平衡计算中的简化微量的稀有气体所有气体都作为理想气体不考虑烟气的热分解和灰质的热分解产物略去空气中和CO2第一节燃料燃烧所需空气量计算一、燃料燃烧所需理论空气量理论空气量即根据化学反应式计算出来的燃料完全燃烧时所需空气量。
Nm3干空气/kg燃料，Nm3干空气/Nm3燃料，V0液体燃料与固体燃料燃烧所需理论空气量气体燃料燃烧所需理论空气量二、燃料燃烧时实际空气需要量空气系数实际空气需要量第二节完全燃烧时烟气的计算一、液体燃料与固体燃料烟气的计算理论烟气量的计算实际烟气量的计算烟气焓的计算燃料理论燃烧温度二、气体燃料烟气的计算理论烟气量的计算实际烟气量的计算第三节不完全燃烧时烟气量的计算一、液体燃料与固体燃料二、气体燃料三、燃料不完全燃烧烟气量与完全燃烧烟气量的关系第四节烟气分析计算一、成分的检验方法二、空气系数的检测计算三、燃料不完全燃烧损失计算四、奥氏烟气分析器第五节燃烧设备的热平衡第三章燃烧化学反应动力学基础化学反应动力学是研究化学反应机理和化学反应速度及其影响因素的一门学科一·基本概念单相系统与单相反应：在一个系统内各个组成都是同一物态，则称此系统为单相系统。
在此系统内进行的化学反应，则称单相反应。
多相系统与多相反应：在一个系统内各个组成不属同一物态，则称此系统为多相系统。
在多相系统内进行的化学反应，则称多相反应。
分子反应：单分子反应------化学反应时只有一个分子参与反应，I2=2I双分子反应------反应时有两个不同种类或相同种类的分子同时碰撞而发生的反应，CO2+H2 CO+H2O三分子反应------反应时有三个不同种类或相同种类的分子同时碰撞而发生的反应，2CO+O2=CO2简单反应与复杂反应：一个反应是由若干个单分子或双分子间或三分子反应相继实现，成为复杂反应；而组成复杂反应的各基本反应则称之为简单反应或基元反映级反应：一级反应、二级反应、三级反应，反应速度与反应物浓度的几次方成比例就是几级反应，或反应级数是几就是几级反应浓度：摩尔浓度、千克浓度、分子浓度、相对浓度等。
燃烧学讲义 第二章
k k
G
k 1
j
k
GT 0
稳定流动的混合物流动中，各组分扩散通量之和为零
3）混合流中组分k的对流通量 G ck
定义：混合流平均速度携带组分K流动的通量
Gck k v Yk v Yk GT
•各组分对流通量之和：
j j
G
k 1
c k
Yk GT GT
k 1
即：混合流各组分对流通量和为混合流的通量。
k v d k k v k k v
G d k G k G ck G k G d k G ck
即：组分k的质量通量为该组分在混合 流中的扩散通量与对流通量之和
G G
k k 1
j
j
d k
dxdydz
dxdydz div v dxdydz y z x 密度变化引起质量变化率为
t
d div v 0 dt u v w 若 const ,即div v 0 ,即 0 x y z
2.
X v
i 1
3
i i
--------------
4. 组分守恒方程
Y s Y s Y s Y s Y s u w ( D s ) ( D s ) t y z x x y y Y s ( D s ) ws z z
边界层假设： •垂直于壁面的速度大大小于平行于壁面速度； •垂直于壁面的速度梯度、温度梯度和组分梯 度大大小于平行于壁面各相应参数； •垂直于壁面的压力梯度为零。 •二维： 连续：
Cp
(单位面积上热流量与温度梯度成正比) 其中： 导热系数, 热扩散系数
消防培训-燃烧学基础知识..
三、燃烧的条件
（一）燃烧的必要条件 燃烧过程的发生和发展都必须具备以下条件：可 燃物、助燃物（又称氧化剂）和引火源。
助燃物
1.可燃物 定义：凡是能与空气中的氧气或者其他氧化剂起 燃烧反应的物质。 按物理状态分：固体、液体、气体 可燃固体：凡是遇明火、热源能在空气（氧化剂） 中燃烧 的固体物质。 可燃液体：凡是在空气中能发生燃烧的液体。 可燃液体：凡是在空气中能发生燃烧的气体。
爆炸极限是评定可燃气体、蒸气或粉尘爆炸危险 性大小的主要依据。爆炸上、下限值之间的范围越大， 爆炸下限越低、爆炸上限越高，爆炸危险性就越大。 混合物的浓度低于下限或高于上限时，，既不能 发生爆炸也不能发生燃烧。 2.爆炸温度极限：可燃液体受热蒸发出的蒸气浓度 等于爆炸浓度极限时的温度范围。 液体的爆炸温度下限就是液体的闪点 。
2.助燃物 定义：凡是与可燃物质相结合能导致燃烧的物质 称为助燃物（也称氧化剂）。 通常燃烧过程中的助燃物主要是氧，它包括游离 的氧或化合物中 的氧。 空气中含有大约21%的氧。 某些物质也可作为燃烧反应的助燃物，如氯、氟、 氯酸钾等。 少数可燃物一旦受热后，能自动释放出氧，不需 要外部助燃物就可发生燃烧。
3.引火源 定义：凡是使物质开始燃烧的外部热源，统称为 引火源（也称着火源）。 引火源温度越高，越容易点燃可燃物质。
（二）燃烧的充分条件 具备了燃烧的必要条件，并不意味着燃烧必然发 生。发生燃烧还应该有“量”方面的要求。这就是发 生燃烧或持续燃烧的充分条件。 1.一定的可燃物浓度 可燃气体或蒸气只有达到一定的浓度，才会发生 燃烧或爆炸。
2.一定的氧气含量 可燃物发生燃烧需要有一个最低氧含量要求，低 于这一浓度，燃烧就不会发生。
3.一定的可燃物浓度 不管何种形式的引火源，都必须达到一定的强度 才能引起燃烧反应。 引火源的强度取决于可燃物质的最小点火能量即 引燃温度，低于这一能量，燃烧变不会发生。
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湍流脉动相关性
图2-3 相关系数的实Hale Waihona Puke 结果a) Re的关系 b)
y的关系
3.湍流混合与热、质传递中的基本动力学特性参数
(1)动量传递中的特征参数 (2)热、质传递中的特征参数
二、湍流的数学描写——雷诺方程组
1.粘性不可压缩流体运动的基本方程 2.时均运动方程组——雷诺方程组
1.粘性不可压缩流体运动的基本方程
2)湍流能量的不断产生和耗散是流体湍流运动的两个最基 本的特征过程。
图2-2 湍流脉动相关性示意图
2.速度脉动w′的特性
(1)速度脉动w′的时均值(即w′对时间的平均值)为0 (2)速度脉动的时均方根不等于0 (3)湍流脉动相关性 在湍流流场中，任意两点的脉动 量之间存在着统计意义上的相关关系。
(1)射流极点 射流外边界线的汇合点称为射流极点。
图2-7 湍流自由射流结构尺寸和速度分布示意图
(4)混合边界层厚度R［或b，用R(b)表示，以下同］
1)对射流基本段，有 ① 收缩良好是指喷口处速度分布均匀，即最大速度w max与平均速度w1的比为1。 ② 普通直喷口是指喷口出口速度分布均匀性差，即 最大速度wmax与平均速度w1的比为1.25。 2)射流初始段的射流核心区存在如下几何关系，即
表2-2 动量、热量、质量传递的比拟关系
二、热量交换和质量交换的比拟
1.对流传质的努塞尔数准则方程 2.颗粒在静止空间中对流传质的特性
1.对流传质的努塞尔数准则方程
0205.TIF
1.对流传质的努塞尔数准则方程
表2-3 受迫对流传质公式中的实验系数c和n
2.颗粒在静止空间中对流传质的特性
0206.TIF
1.不等温伴随流射流的动量差积分守恒条件 2.小温差不等温伴随流射流焓差及浓度差积分守恒条件 3.等温伴随流射流的积分守恒条件
1.湍流自由射流的外形结构特征
(1)射流极点 射流外边界线的汇合点称为射流极点。 (2)射流初始段 射流从当量直径为2R0的轴对称喷口 (平面喷口为高度2b0)射出时，出口断面上的初始速度w 1是均匀的，一路上与周围介质湍流混合，射流中心速 度等于初始速度w1的区域逐渐缩小。 (3)射流基本段 转折面以后的射流区域称为射流基本 段。 (4)混合边界层厚度R［或b，用R(b)表示，以下同］ (5)湍流自由射流的量纲一的射程距离ax/()
2.颗粒在静止空间中对流传质的特性
2.颗粒在静止空间中对流传质的特性
表2-4 热、质传递过程的比拟关系
第三节 湍流射流中的积分守恒条件
一、湍流自由射流的特性 二、伴随流射流中的积分守恒条件 三、自由射流的积分守恒条件 四、“三传”过程中普遍适用的二元微分方程组
一、湍流自由射流的特性
1.湍流自由射流的外形结构特征 2.湍流自由射流的基本特性 3.湍流自由射流的自模化特征
2.湍流自由射流的基本特性
1)自由射流中任意断面上，横向速度分量wy与轴向(纵 向)速度分量wx相比，总是小到可以忽略不计。 2)在无限大空间里流动的自由射流，因为其压力梯度很 小，故在很多情况下都可以认为自由射流内部的压力p 是不变的，处处相等，且等于周围介质的压力p0，即p= p0。
二、伴随流射流中的积分守恒条件
三、湍流附加应力的假定
1.普朗特混合长度理论 2.泰勒涡量理论 3.等效湍流粘性力假设
1.普朗特混合长度理论
1)湍流切应力的大小与垂直于流动方向的特征速度梯度 d/dy或平均速度差Δ的平方成正比。 2)在d/dy=0的壁面上，湍流切应力为零。 3)除壁面附近流动外，湍流切应力的最大值和速度梯度 的最大值差不多出现在同一个区域。 4)湍流切应力的符号与速度梯度的符号相同。
1)流体的物理性质并不改变，流体对剪切作用力的抵抗 属性——流体的粘性，依然存在。 2)流体运动的连续性并不改变。 3)作用在流体上的力的种类并不改变，仍然是有势的外 质量力、作用在流体微团表面上的法向压力和切向粘 性力三者的联合作用。
2.时均运动方程组——雷诺方程组
(1)时均连续方程 (2)时均运动微分方程 对式(2-12)中的各项分别按式(22)和式(2-3)的方法和原则进行时均化处理。
一、湍流脉动 二、湍流的数学描写——雷诺方程组 三、湍流附加应力的假定
一、湍流脉动
1.湍流脉动的特性 2.速度脉动w′的特性 3.湍流混合与热、质传递中的基本动力学特性参数
一、湍流脉动
图2-1 定常湍流状态下速度(或压力)的脉动
1.湍流脉动的特性
1)脉动是湍流流场中，实现动量、热量和质量传递(通 常称为“三传”)的动力源。 2)湍流能量的不断产生和耗散是流体湍流运动的两个最 基本的特征过程。
1.普朗特混合长度理论
图2-4 混合长度理论说明图
1.普朗特混合长度理论
表2-1 湍流自由射流中l/R的经验数据
2.泰勒涡量理论
在湍流理论中，涡量理论同样有着重要的地 位。该理论认为：湍流切应力σ t是由于涡量 横向转移所引起的。 以二元平面流动来进行说明，根据斯托克斯 定理，单位时间内在单位面积上因为脉动引 起的旋涡量(旋涡强度)等于旋转角速度脉动 ω′的2倍。
3.等效湍流粘性力假设
在湍流理论中，直到现在还没有找到用于描写 湍流切应力与平均速度分布间相互关系的可解 方程组。因此，不少科学家曾多次用假设一个 公式来找出湍流切应力与平均速度之间的关系。 最早提出的是布西尼克，他类比层流运动，仿 照牛顿内摩擦定律假定湍流切应力也是正比于 平均横向速度梯度
第二节 动量、热量和质量传递的比拟
第二章 燃烧空气动力学基础——混合与传质
第一节 湍流的物理本质和数学描写 第二节 动量、热量和质量传递的比拟 第三节 湍流射流中的积分守恒条件 第四节 湍流自由射流中的混合与传质 第五节 旋转射流中的混合与传质 第六节 钝体射流中的混合与传质 第七节 平行与相交射流中的混合与传质
第一节 湍流的物理本质和数学描写
一、分子运动扩散和湍流运动扩散 二、热量交换和质量交换的比拟
一、分子运动扩散和湍流运动扩散
1)在动量、热量、质量传递的可比拟性研究中发现，Le t≈1.0，Prt＜1.0，可见热量和质量两过程的传递规律及 其边界层发展更加相近，且都比动量传递过程进行得 强烈。 2)“三传”的可比拟性见表2-2。
2)“三传”的可比拟性见表2-2。