燃烧学讲义-第6章
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燃烧学讲义-第6章油滴燃烧分析解析
α
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
32
火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr
0
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1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
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① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
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雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
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离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
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火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr
燃烧学讲义第六章
第6章可燃固体的燃烧6.1固体燃烧概述6.1.1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。
（1）蒸发燃烧硫、磷、钾、钠、蜡烛、沥青等可燃固体，在受到火源加热时，先熔融蒸发，随后蒸汽与氧气发生燃烧反应，这种形式的燃烧一般成为蒸发燃烧。
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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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，其中，轰燃是指可燃固体由于受热分解或不完全燃烧析出可燃气体，当其以适当比例与空气混合后再遇火源时，发生的预混燃烧。
例如能析出一氧化碳的赛璐珞、能析出氰化氢的聚氨酯等，在大量堆积燃烧时，常会产生轰燃现象。
这里需要指出的是，上述各种燃烧形式的划分不是绝对的，有些可燃固体的燃烧往往包含着两种或两种以上的形式。
例如，在适当的外界条件下，木材、棉、麻、纸张等的燃烧会明显地存在分解燃烧、阴燃、表面燃烧等形式。
6.1.2评定固体火灾危险性的参数固体燃烧特性比较复杂，评定其火灾危险性的参数主要包括：（1）熔点、闪点和燃点固体熔点是固体变为液体的初始温度；某些低熔点可燃固体发生闪燃的最低温度就是其闪点；固体燃点是指对可燃固体加热到一定温度，遇明火发生持续燃烧时固体的最低温度。
高等燃烧学讲义第6章(郑洪涛4学时)
• 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
燃烧学—第6章3
铅柱压缩实验
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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
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17
《燃烧学》--第六章
炸药的
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18
《燃烧学》--第六章
炸药的猛度测定
24
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《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）
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《燃烧学》--第六章
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《燃烧学》--第六章
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
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《燃烧学》--第六章
产生轰燃（回火）的室内火灾发展示意图
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《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
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《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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燃烧学讲义-第6章
17
雾化原理
• 液膜雾化：离心喷嘴喷出空心锥形液膜具有向外 扩张的惯性，而表面张力克服不了此惯性，于是 液膜继续向外扩张，液膜越来越薄，同时，表面 张力形成的表面位能也越来越高，使液膜越不稳 定。结果表明，液膜破裂成液丝或液带，并在表 面张力作用下继续分裂成液滴；流速较大时，除 了表面张力、惯性力及粘性力起作用外，由于相 对于周围气体的运动速度加大，气动力对液膜的 作用也加大，致使液膜扭曲和起伏形成波纹，再 被甩成细丝，继而形成小滴；流速很大时，液体 离开喷口便立即被雾化。
Cp DC qm 4 r0 ln 1 (Tr T0 ) Cp H
qm：气化量，扩散火焰单位时间消耗的燃料量
qm
k r
4
DC 8 Cp k ln 1 (Tr T0 ) r C p H
18
控制雾化的准则数——韦伯数Weber number
v l W
2
• 其中ρ为流体密度，v为特征流速， l为特征长度， σ为流体的表面张力系数。 • 韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦伯数 愈小代表表面张力愈重要，譬如毛细管现象、肥 皂泡、表面张力波等小尺度的问题。一般而言， 大尺度的问题，韦伯数远大于1.0，表面张力的作 用便可以忽略。
0.8
D(dp)
0.15
0.6
F(dp)
f(dp)
0.10
0.4
0.05
0.2
0.00 0 2 4 6 8 10
0.0 0 2 4
dp
dp
6
8
10
10
• 累积分布又分为筛上分布和筛下分布 dp max 筛上分布 Rd f d d d
燃烧学讲义-第6章气体燃料的燃烧
w'
uce
ut A = 1+ t uce a
ut a+ A a t … … uce ∝ … … = ∴ uce a τrj
At：湍动输运所引起的折算热扩散率
A t a时，有 ut = uce
A t （一般情况下 A t a
当
a）
A ut t ∝ Re = Re 若流体为管内流动， 若流体为管内流动，一般认为 uce a
uce
ut uce
18
一、湍流传播的理论 一、湍流传播的理论
表面燃烧理论（舍谢尔金）
火焰面是层流型的， 火焰面是层流型的 ， 湍流脉动在一定空间内使燃烧 面弯曲、皱折，乃至破裂， 小岛”状的封闭小块， 面弯曲、 皱折 ，乃至破裂， 成“小岛”状的封闭小块， 这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。 这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。
2Qwm RT 2 a 2Q a lr uce = wmdT = ∴ T −T0 λ ∫ ρCp (Tlr −T0 )2 E lr B
10
燃尽时间：τrj =
ρCp (Tlr −T0 )
wmQ
uce ∝
a
τrj
火焰锋面厚度δ及可燃混合物升温预热区厚度 火焰锋面厚度 及可燃混合物升温预热区厚度S
RT 2 S定义为 T = Tlr − lr 点做 T = 定义为在 定义为 E
2
火焰传播的形式
缓燃（ 正常传播） 缓燃 （ 正常传播 ） ：火焰锋面以导热和 对流的方式传热给可燃混合物引起的火 焰传播， 也可能有辐射（ 煤粉） 焰传播 ， 也可能有辐射 （ 煤粉 ） 。 传播 速度较低（ 速度较低（1~3m/s），传播过程稳定。 m/s） 传播过程稳定。 爆燃：绝热压缩引起的火焰传播 ， 爆燃 ：绝热压缩引起的火焰传播， 是依 靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度 升高而引起化学反应， 升高而引起化学反应 ， 从而使燃烧波不 断向未燃气推进，传播速度大于 1000m/s。 1000m/s。
燃烧学—第6章2
10
铅 铜 银
PbO CuO Ag2O
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《燃烧学》--第六章
（3）高温燃烧的金属性质活泼 o 金属处在燃烧状态时，由于温度很高，性质比较活泼，可以 与二氧化碳、卤素及其化合物、氮气、水等发生反应，使燃 烧更加强烈
2Mg CO2
燃烧温度下
2MgO C
不能用CO2灭火
浮游的微粒云—粉尘爆炸
浮游状态的微粒物，较堆积状态的微粒物更容易着火 果粒径越小，着火和火焰传播就容易。
Hale Waihona Puke 中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
15
《燃烧学》--第六章
燃 烧 下 界 限 浓 度
着火 不着火
着火δ1＝50～10μm C1＝20～100g/m3 δ1 平均粒子直径 δ
图6-7 微粒物着火浓度下限与粒径尺寸的关系
VF
当板的厚度δ大时
1 TV TS
1 VF (TV TS ) 2
对于厚度大的固体可燃物来讲，表面温度影响非常显著。这说明 当火灾规模较大时，再有较大尺寸的可燃物，其危险程度就更大 了。
中国矿业大学能源学院安全与消防工程系
20
《燃烧学》--第六章
6.3.2.木材等天然可燃性固体的蔓延
氧化物 熔点（℃） 沸点（℃）
熔点（℃） 沸点（℃） 燃点（℃）
Li Na K Mg
179 98 64 651
1370 883 760 1107
190 114 69 623
Li2O Na2O K2O MgO
1610 920 527 2800
2500 1277 1477 3600
Ca
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铅 铜 银
PbO CuO Ag2O
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《燃烧学》--第六章
（3）高温燃烧的金属性质活泼 o 金属处在燃烧状态时，由于温度很高，性质比较活泼，可以 与二氧化碳、卤素及其化合物、氮气、水等发生反应，使燃 烧更加强烈
2Mg CO2
燃烧温度下
2MgO C
不能用CO2灭火
浮游的微粒云—粉尘爆炸
浮游状态的微粒物，较堆积状态的微粒物更容易着火 果粒径越小，着火和火焰传播就容易。
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《燃烧学》--第六章
燃 烧 下 界 限 浓 度
着火 不着火
着火δ1＝50～10μm C1＝20～100g/m3 δ1 平均粒子直径 δ
图6-7 微粒物着火浓度下限与粒径尺寸的关系
VF
当板的厚度δ大时
1 TV TS
1 VF (TV TS ) 2
对于厚度大的固体可燃物来讲，表面温度影响非常显著。这说明 当火灾规模较大时，再有较大尺寸的可燃物，其危险程度就更大 了。
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《燃烧学》--第六章
6.3.2.木材等天然可燃性固体的蔓延
氧化物 熔点（℃） 沸点（℃）
熔点（℃） 沸点（℃） 燃点（℃）
Li Na K Mg
179 98 64 651
1370 883 760 1107
190 114 69 623
Li2O Na2O K2O MgO
1610 920 527 2800
2500 1277 1477 3600
Ca
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