燃烧学-5.扩散燃烧及火焰.
燃烧学重点知识第二部分
4燃烧理论基础4.1燃烧反应的热力学基础1、单相反应：在一个系统内反应物与生成物属同一物态。
2、多向反应（异相反应）：在一个系统内反应物与生成物不属与同一物态。
3、浓度：单位体积中所含某物质的量。
摩尔浓度： 质量浓度： 摩尔相对浓度： 质量相对浓度： 4、标准生成焓、反应焓、燃烧焓、显焓、绝对焓（P98-100）5、化学反应速率：单位时间内，反应物（或生成物）浓度的变化量。
其单位为：kg/(m3s)、 kmol/(m3s)、 分子数/(m3s)①例： a 、b 、c 、d 为对应于反应物A 、B 和产物C 、D 的化学反应计量系数②反应速率可以表示为：③化学反应速率与计量系数之间有如下关系： /i i mi i i i i i i i i n N VM VN n C X N n C M Y M nρρ=====∑∑∑∑∑＝＝aA bB cC dD+→+,,C A B D A B C D dC dC dC dC r r r r d d d d ττττ=-=-==或1111::::::C A B D A B C D dC dC dC dC a d b d c d d d r r r r a b c dττττ-=-==⇒=④化学反应速率的三种表示方法：反应物的消耗速度、生成物的生成速度、r 为反应速度⑤影响化学反应的因素：（温度、活化能、压力、浓度、可燃混合气的配比、混合气中的惰性成分）1. 浓度：浓度越大，反应速度越快。
2. 压力：对于气体燃料，压力升高，体积减少，浓度增加，反应速度加快。
（压力对化学反应速度的影响与浓度相同。
）3. 温度：温度增加，反应速度近似成指数关系增加，体现在反应速度常数。
①阿累尼乌斯定律： A —常数，频率因子，由实验确定；R —通用气体常数，8.28kJ/molK ，1.98kcal/molK ； E —活化能，J/mol ，由实验确定⏹ 气体分子的运动速度、动能有大有小；⏹ 在相同温度下，分子的能量不完全相同，有些分子的能量高于分子的平均能量，这样的分子称为活1111G A B H A B G H dC dC dC dC r a d b d g d h d r ar r br r grr hrττττ-=-====-=-==b B a A C kC =rRT E Ae k -=化分子（自由基、活化中心、活化络合物、中间不稳物）⏹ 化学反应中，由普通分子到达活化分子所需最小能量---活化能E ；（讨论活化能对反应速率影响，通过阿累尼乌斯定律） ⏹ 阿累尼乌斯定律反应了温度对反应速率的影响； 阿累尼乌斯定律是实验得出的结果；并不是所有的化学反应都符合阿累尼乌斯定律。
冉景煜版 工程燃烧学--第 05 章
二、谢苗诺夫热自燃理论
要实现稳定的热着火，需满足两个热力条件：
①
系统处于热平衡状态，即放热量Q1等于散热量Q2； 放热量随系统温度的变化率大于散热量的变化率，即
②
dQ1/dT≥dQ2/dT，表示放热曲线在散热曲线上方。
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Institute of Energy & Environment, Chongqing University
化学反应速度实现自动加速，最终形成火焰。
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二、着火方式
两类着火方式：自燃着火和强迫着火。
1、自燃着火（热自燃）
自燃着火是可燃物在不需要施加外界能量的条件下而
自动着火的现象。
物质的反应特性）或边界条件（系统的散热或物质的交换
情况）之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某 个瞬间或空间的某部分达到高温反应状态（即燃烧状态）， 那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件就称为“着火 条件”。
着火条件不是一个简单的初温条件，而是化学动力参数和
流体力学参数的综合函数。
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2、链式着火
机理：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中 心产生速率大于销毁速率时，在分支链式反应的作用下，
导致化学反应不断加速，最终实现着火的现象称为链式着
火。
例如H2和O2的化合反应，它满足了分支链式反应的条件， 只要反应一旦开始它就会着火，如果满足一定的浓度条件， 还会发生爆炸。
燃烧学试题及答案
燃烧学试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 燃烧过程中，可燃气体与氧气发生化学反应，产生______。
A. 光B. 热C. 光和热D. 光、热和声答案：C2. 燃烧的三个必要条件是______。
A. 燃料、氧气、点火源B. 燃料、氧气、温度C. 燃料、温度、点火源D. 氧气、温度、点火源答案：A3. 下列哪种物质不是燃烧产物？A. 二氧化碳B. 水蒸气C. 一氧化碳D. 氧气答案：D4. 燃烧过程中，火焰的颜色通常与______有关。
A. 燃料的种类B. 氧气的浓度C. 燃烧的温度D. 环境的湿度答案：A5. 燃烧的类型可以分为______。
A. 缓慢氧化和快速氧化B. 完全燃烧和不完全燃烧C. 有焰燃烧和无焰燃烧D. 所有以上选项答案：D6. 燃烧过程中，火焰的传播速度与______有关。
A. 燃料的种类B. 氧气的浓度C. 环境的温度D. 所有以上选项答案：D7. 在燃烧学中，闪点是指______。
A. 可燃液体开始沸腾的温度B. 可燃液体开始自燃的温度C. 可燃液体开始燃烧的温度D. 可燃液体开始蒸发的温度答案：B8. 燃烧的热效应通常用于______。
A. 发电B. 加热C. 制冷D. 所有以上选项答案：B9. 燃烧过程中，火焰的稳定性与______有关。
A. 燃料的流动性B. 氧气的供应量C. 环境的气流D. 所有以上选项答案：D10. 燃烧的安全性主要取决于______。
A. 燃料的纯度B. 氧气的供应量C. 环境的控制D. 所有以上选项答案：D二、填空题（每题2分，共20分）1. 燃烧过程中，燃料与氧气发生______反应，产生能量。
答案：氧化2. 燃烧过程中，火焰的传播速度与______的浓度有关。
答案：氧气3. 燃烧过程中，火焰的稳定性与______的供应量有关。
答案：氧气4. 燃烧过程中，火焰的颜色通常与燃料的______有关。
答案：种类5. 燃烧的安全性主要取决于环境的______。
热动燃烧学第06章 扩散火焰
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
山东大学工程燃烧学考点整理
第一章：可能出的概念题：1.什么是燃烧？燃烧的分类？每种分类的特征？燃烧是指氧化剂与可燃物混合发生的剧烈化学反应，其过程一般伴随传热传质、发光发烟等现象。
燃烧可分为气相燃烧与固相燃烧，气相燃烧又分为预混燃烧与扩散燃烧，气相燃烧中可燃物与氧化剂均为气体，固相燃烧为表面燃烧，无火焰。
预混燃烧可燃物与氧化剂已提充分混合，燃烧过程只取决于可燃混合气的化学动力过程，扩散燃烧是可燃物在燃烧时才与氧化剂混合，取决于摻混速度。
此外还可以分为表面燃烧、阴燃、蒸发燃烧、分解燃烧等等2.什么是火焰？火焰的分类有哪些？火焰是指发生燃烧反应的气体所占据的空间区域。
火焰可分为预混火焰与扩散火焰等等3.热力学第一定律表达式？简单表述：Q=U+W4.热效应的概念？其中应重点注重的条件有哪些？热效应是指，在定容定压条件下，物质进行反应时不做非体积功，且产物与反应物温度相同，这种情况下反应放出的热量。
重点注意定容定压（体积功=0）、不做非体积功（Wa=0）、产物反应物温度相同（不因为比热容吸收热量）5.生成焓、反应焓、燃烧焓的概念？并注意其中的条件？生产焓是指稳定单质或元素在定压条件下反应生成1mol化合物时的热效应。
反应焓是指某些化合物与化合物或元素在任意温度下进行单位反应产物和反应物的焓差（注意，这些概念末尾的写法都是有说法有讲究的）。
燃烧焓是指1mol化合物完全燃烧时对应的焓差。
注意：因为反应焓与燃烧焓的反应物与产物有可能都是化合物，所以要说焓差，而生成焓的反应物是单质，单质的生产焓为0，故说“热效应”。
*6.拉瓦锡——拉普拉斯定律解释？化学反应的生成焓等于分解焓，符号相反。
*7.盖斯定律描述？无论化学反应是分一步还是多步进行的，其热效应相同。
*8.基尔霍夫定律描述？（写公式）这一定律表明了什么的关系？表明了反应焓随温度的变化规律9.热力学第二定律的两种表述？何为孤立系统熵增原理？克劳修斯表述：热量不可能从低温物体传向高温物体而不产生其他任何影响。
燃烧学期末复习资料
燃烧学期末复习资料1．阿仑尼乌斯定律：在化学反应的反应物浓度相等的条件下，化学反应速率常数随时间变化的关系。
2．质量作⽤定律：在⼀定温度下，基元反应在任何瞬间的反应速率与该瞬间参与反应的反应物浓度幂的乘积成正⽐。
3．盖斯定律：在条件不变的情况下，化学反应的热效应只与起始和终了状态有关，⽽与变化途径⽆关。
4．着⽕延迟期；在混合⽓体已达到着⽕条件下，由初始状态到温度聚升的瞬间所需的时间。
5．层流⽕焰传播速度：在层流预混可燃⽓体的燃烧过程中焰⾯沿其法线⽅向移动的速度称为层流⽕焰传播速度（⽕焰⾯移动速度：指当预混可燃⽓体在管中燃烧，产⽣的⽕焰不稳定时⽕焰⾯沿管轴线移动的速度。
⽕焰⾯移动速度反映了⽕焰不稳定时⽕焰⾯移动的快慢）6．折算薄膜：把边界层的传热传质近似看作通过球对称的边界层薄膜传热传质阻⼒。
7．淬熄距离：刚刚能够维持⽕焰传播的最⼩管道尺⼨。
8．绝热⽕焰温度：燃料和空⽓的初始状态⼀定，绝热过程燃烧产物能达到的温度。
9．雾化⾓：喷嘴出⼝到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹⾓，也称为喷雾锥⾓。
10．斯蒂芬流：在燃烧问题中，在相分界⾯处存在着法向的流动，多组分流体在⼀定的条件下在表⾯处将形成⼀定的浓度梯度，因⽽可能形成各组分法向的扩散物质流。
如果相分界⾯上有物理或化学过程存在，那么这种物理或化学过程也会产⽣或消耗⼀定的质量流。
于是，在物理或化学过程作⽤下，表⾯处⼜会产⽣⼀个与扩散物质流有关的法向总物质流，称为斯蒂芬流。
11．预混⽕焰和扩散⽕焰：预混⽕焰是燃料和氧化剂充分混合后的燃烧⽕焰。
⽕焰温度很⾼，没有⿊烟，⽕焰短⽽强。
扩散⽕焰是燃料燃烧所需的空⽓全部由外界提供，靠可燃⽓体与空⽓中的氧相互扩散来完成燃烧过程的⽕焰。
燃烧过程较长，⽕焰温度低，燃料不易燃尽，⼀般有碳烟，⽕焰很长。
12．盖斯定律：化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，⽽与反应的途径⽆关13．缓燃与爆燃：缓燃（正常传播）：⽕焰锋⾯以导热和对流的⽅式下传热给可燃混合物引起的⽕焰传播，也可能有辐射（如煤粉燃烧时的⽕焰传播可能以辐射为主，也有可能为对流和辐射并重）。
第八章 扩散燃烧
8.2
高温壁面处
油滴的着火和燃烧
液滴和壁面碰撞，可能会出现两种情况：
壁温较低时，湿壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上 壁温较高时，比湿润碰撞，超过了雷登弗罗斯特温度，出现闪瞬蒸发， 液滴脱离壁面 此外，若液滴接触壁面时有一定的速度，则根据韦伯数的不同来定义， 它代表惯性力和表面张力之比。 l du2
火焰面内R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一对应的关系，因此T (1 R r ) c ( T T ) Q [( B 1 ) 1] 可有bOT推出 g 8-25b W 火焰面外rc<r<r∞,根据bFT的定义和火焰外没有燃料的特性， 即wF=0,推出 cg (Tc TW ) [Q H (wFW wFB )][(B 1)(1R r ) 1] HwFW 8-27 火焰面上，r=rc, cg (T TW） fwO (H Q wFR ) 8-28 cg (Tc TW ) 1 fwO wFR 成立的假设：
轴对称的空气雾化喷嘴上进行的 喷雾燃烧表明，整个火焰可大致 分为三个区域
最外侧的稳定火焰，可观察到火焰 群在闪光、熄灭 最内侧的A区有液滴存在 中间的B区几乎不存在液滴，只是 由A区供给的可燃气（主要是CO） 来燃烧 详细参数研究表明，并不是滴群中 每个油滴都被火焰包围，二是在接 近单纯蒸发的状态下汽化，燃料蒸 汽作为一个整体进行扩散燃烧，形 成喷雾火焰
设圆柱形自由射流的坐标如图所示，忽略体积力，假设物性 是常量且为定常流动的情况下，圆柱坐标系下的质量守恒方 程为： ru rv 0 x r
动量守恒方程： ru
u v u rv ( ) (r ) x r r r
组分守恒方程：ru wF rv wF ( DF D ) (r wF )
《燃烧学》课程教学大纲
《燃烧学》课程教学大纲课程名称：燃烧学课程编号：（英文）：（Combustion Theory）学时45学分 2.5课程性质必修课先修课程：工程热力学、传热学、流体力学适用专业：热力发动机、汽车工程、汽车工程、轮机工程、环境工程开课系（所）：机械与动力工程学院燃烧与环境技术研究中心开课教师：周校平、张武高、乔信起、范浩杰教材和教学参考资料：教材：《燃烧理论基础》周校平、张晓男.上海交通大学出版社，2001教学参考书：《燃烧学》许晋源、徐通模.机械工业出版社，1990《工程燃烧学》张松寿.上海交通大学出版社，1987杂志期刊：《工程热物理学报》一、本课程的性质、地位、作用和任务燃烧学是热力发动机、热能工程、环境工程等专业的一门主要的技术基础课程。
它的主要任务是通过各个教学环节，运用各种教学手段和方法，使学生对燃烧现象和基本理论的认识。
通过本课程的学习掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程的基本知识与基本理论。
掌握动力机械工程中气态、液态、固态燃料的燃料特性、燃烧特点和规律，包括着火的形式和条件、火焰的传播、燃烧产物的生成机理等。
通过本课程的学习，能对锅炉、内燃机、涡轮机、火灾、家用炉灶、焊枪等燃烧现象从宏观上能有所认识，微观上能有所解释。
为改进燃烧设备、提高能源利用率、分析有害排放物的生成机理和过程、避免不正常的燃烧现象、控制和降低有害排放物的生成，具有一定的基本理论知识。
为今后从事工程技术工作、科学研究及开拓新技术领域，打下坚实的基础。
二、本课程的教学内容和基本要求（一）燃烧的化学热力学基本知识要点：生成焓、反应焓、燃烧焓（燃烧能）与燃料的热值、高热值与低热值之间的定义及相互关系。
燃烧所需的空气量及燃烧产物组分的计算。
过量空气系数、浓度、当量比。
难点：不完全燃烧时的空气量与燃烧产物组分的计算。
（二）燃烧与化学平衡要点：化学反应速度、化学平衡的概念、自由焓与自由能、自由焓与化学平衡的关系。
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实验现象
富氧扩散火焰：火焰表面逐渐 收缩到圆管的轴线上，成为圆 锥形火焰。 贫氧扩散火焰：空气中的氧气 不足，这时火焰扩展到外管的 壁上形成喇叭形的。
现象解释：一个稳定的火焰边界只能是燃 料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在
火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有
过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不 能稳定。
b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰）
(concentric jet flame)
c）逆向喷流扩散火焰
(counter-flow diffusion flame)
优点：不会发生回火现象 ，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料 与氧化剂进行预先混合 ，操作 方便 ，所以在工业上应用很广。
5.2 气体扩散燃烧火焰
L u0 t 1 2.4 a a f f
1/ 2
d d0
1.5
t
M1 u d 2 / 4 ud 2
1 M 2 Ld D d 1 2 ud Ld D d
ud 2 L D
L ud 2
（5.3.3）
湍流扩散火焰
用湍流涡团扩散系数ε代替（5.3.3）式内的层流扩散系
数D，即
：
ud 2
L ud 2
L
lu ud
通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱(stream)或锥 形空心油片(sheets)； 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动； 在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面 形成油线或空洞； 油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴； 由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力，气体动力， 表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，分散成小油 滴； 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油 滴，这些油滴的综合体称为油束(spray)。
空气 燃料 空气
1-富氧火焰 2-贫氧火焰
同心圆管内的扩散火焰
扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化 学剂量比混合的表面上才是稳定的。
二、扩散火焰高度
1.实验观察
火焰特征随气流喷射速度的变化
2. 数学模型
火焰高度
喷管尺寸（直径d） 流率（u）
层流扩散火焰
推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的 燃料质量M2成比例 。
一、燃料雾化的喷射特性 雾化定义
靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。
液体燃料的喷射雾化方法
用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内； 对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉 碎和分散； 采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎 等等。
燃油的破碎机理
喷雾特性
空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角，输送 的空气或氧气的速度场等)； 喷射横截面上的液体分布； 雾化液体的液滴大小； 雾化液体液滴大小的均匀性。
1. 喷雾油束的空间形状 油束锥角(spray angle) —— 喷油嘴孔口处油束外包络 线的两条切线之间的夹角 s Sitkei给出的经验公式：
第五章 扩散燃烧及火焰
（diffusion combustion） 扩散燃烧火焰类型
气体扩散燃烧火焰
基本概念 扩散火焰高度 燃料雾化的喷射特性
单液滴燃烧
液体燃料的喷射燃烧火焰 油雾燃烧 燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧
燃料膜的蒸发燃烧
扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点， 扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型 喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点
一、基本概念
扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中，燃
料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。
已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而燃料 气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点燃后相互接 触。
着火前燃料气和空气分子的扩散过程
着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散
在具有理论燃烧剂量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃烧 表面。 燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。
a 2 d c s 3 10 l f
0.3
Re 0.7
0.1
增大喷射压差则流出
喷孔燃油流速增大，使Re
增加，造成 s增大。 增加喷孔直径与喷孔
通道长度比也可增大
s 。
喷雾油束的贯穿距离(spray penetration) —— 在给定时间内， 油束顶端实际到达的位置与喷油嘴喷孔间的距离称为喷雾油 束的贯穿距离。 经验公式： 分析： 1°喷射压差↗ ：u0 ↗ 3°ρa、μa ↗ ：空气阻力 ↗ 4° ρf 、 μf ↗ ：液滴直径 dp ↗ L↗
d （5-4）
湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与 气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 L/d = 定值。实验结果证实了这一点。
5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰
燃烧 气态 蒸发 燃料雾 化
原因：使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气 接触表面，同时还尽可能将液滴合理地分布在燃 烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性 能好的要求。 因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧 性质及燃烧效率都有重要影响 。
基本性质：控制燃烧速率 的 是混合过程的快慢。
（更为常见）
分类
层流扩散燃烧
（分子扩散）
气体扩散燃烧 扩散燃烧 湍流喷雾燃烧
液体喷雾燃烧
（涡团扩散）
5.1扩散燃烧火焰的类型
按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：
a）自由射流火焰
(free jet flame)
层流射流扩散火焰 紊流射流扩散火焰
单液滴燃烧模型的建立与求解
喷雾燃烧观察与分析
扩散燃烧基本概念
概念
燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混 合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边 扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称 为扩散控制燃烧，扩方面：燃烧氧化的化学动力过程 和燃料与氧化剂混合的过程。 根据燃烧过程进展条件的不同： 化学动力燃烧 （混合速度大于燃烧速度 ） 燃烧过程 扩散燃烧 （混合速度小于燃烧速度 ）