燃烧理论第3章补充

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1、第3章燃烧学的数学物理基础本章内容：Ø燃烧中的物理现象Ø张量基础Ø多组分混合气体流动的基本参数Ø分子传输的几个基本定律Ø基本守恒方程：质量守恒方程、组分守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程Ø斯蒂芬流问题3.1燃烧中的物理现象从可燃混合气的形成、升温、着火燃烧、火焰传播到散热等都是通过一系列的物理、化学变化过程来完成的。在这些过程中有介质的流动、传热、蒸发、对流、扩散、传质等物理现象。这些现象有些是相继发生的，有些则是同时发生的。根据燃烧条件的不同，有些是定常问题，有些是非定常问题。一般说来，这些现象可以用质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒等基本方程

2、来描述。而牛顿粘性定律、傅里叶导热定律及费克扩散定律又是各守恒方程的基础。燃烧现象中的流动问题常常涉及到两种不同性质的介质间的相互运动以及流体与固定壁面间的相对运动。因而，许多现象又与边界层问题有关。从可燃混合气的形成及燃烧的方式可将燃烧现象分成预混燃烧及扩散燃烧两类。预混合燃烧是燃料与氧化剂事先混合成可燃混合气以后才进行燃烧的，在预混可燃气体的燃烧中，化学动力学过程和流动（传热、传质）过程几乎起着同样重要的作用。预混燃烧不仅仅存在于气体中，许多液体、固体的燃烧也同样属于预混燃烧。如在一定条件下，使液体燃料雾化蒸发，其蒸气与氧化性气体混合酒形成了可燃混

3、气，此时的燃烧就属于预混燃烧。再如，军事技术上，固体火箭发动机中双基推进剂（火药）、复合推进剂、火炸药工业中的粉状铵梯炸药、黑火药等等，它们的燃烧都属于预混燃烧的范围，都是固体可燃物与富氧物质的混合物。图3-1所示的是:（a）喷灯及（b）家用煤气灶。有一定流速的煤气将外界的空气卷吸进混合腔，形成可燃混合气后在喷口外燃烧形成火焰，此为预混合火焰。(a)喷灯(b)家用煤气灶图3-1对混合火焰而言，反应物在达到反应区（又称火焰区、火焰锋面、燃烧波）之前已经将可燃物与氧化性物质混合好。因此，可以将预混火焰看做是由无数个叠加在一起的无限小的扩散火焰而组成的。参考

4、7—P102如下图3-2所示，焊接用的喷枪与喷灯相似。当用氧炔焰焊接或切割金属时，C2H2与O2在混合腔内形成预混可燃气，然后，在喷嘴处作预混火焰燃烧。其他多种工业用煤气炉或天然气炉常常也采用预混合气的燃烧方式。图3-2焊接用的喷枪但是，喷灯及焊接喷枪的空气及氧气进口都是可调的。当切断空气及氧气通孔时，从喷嘴处仅喷出煤气或C2H2，燃气在喷嘴外与空气相互扩散。在某个位置上形成最佳计量比的可燃混合气并在那里燃烧成火焰，此为扩散燃烧及扩散火焰。例如当工人使用氧炔焰焊枪而处于临时停止焊接或切割时，将氧气阀关闭，从喷嘴仅喷出乙炔。这时的火焰是靠外界空气与喷出乙

5、炔相互混合而形成的扩散火焰，如图3-3(a)所示。当喷灯的空气进口调得较小，混合腔内混合气处于空气不足时，在喷口外会形成二层火焰：里面一层蓝色火焰为预混火焰，此处燃料还不能全部烧完，多余燃料在外层火焰处形成扩散火焰，依靠外界卷吸扩散来的空气将全部燃料烧完，如图3-3(b)。在使用液体燃料的设备中，根据燃料的性质不同有不同燃烧方式:汽油、苯、酒精等挥发性很强的燃料大多用于火花引燃式内燃机中，并采用准预混合燃烧方式。在传统的汽油机(见图3-4)吸气行程中，空气流经化油器的喉口处时流速增加、压力降低将汽油从量孔吸出，在喉口及进气管中与空气混合并迅速蒸发形成油

6、-空气混合气进入气缸。当活塞将混合气压缩接近至上止点时，在燃烧室内由图3-3火焰特征图3-4汽油机火花塞点火，火焰从火花塞处向外传播直至最远处。此为准预混合燃烧。现代电控汽油喷射式汽油机中，一般在吸气过程中将汽油喷至进气门前，在吸气和压缩两过程实现油-气混合。其他如航空煤油、柴油、重油、渣油等则因其挥发性较差，难以迅速与空气在低温下形成蒸气—空气混合气，而采用喷射方式将燃油喷成极细的油滴在高温的燃烧室内蒸发、扩散与空气形成可燃混合气后燃烧。图3-5(a)所示为单油滴的蒸发与燃烧，(b)为液体燃料喷雾燃烧，(c)为燃气轮机燃烧室中的喷雾燃烧，(d)为柴油

7、机中的喷雾燃烧。根据燃烧过程中火焰与燃烧室有无相对运动又可分为定置火焰与行进火焰。定置火焰在其燃烧过程中位置与燃烧室系统或某一固定坐标系统没有行进性的运动，看起来火焰与上述固定体系是相对不动的，如各种类型的喷雾燃烧(如涡轮机、锅炉、窑炉、柴油机等)及喷灯火焰等。而行进火焰则在着火后，火焰阵面相对于燃烧系统有行进性的运动。例如，汽油机的燃烧便是从火花塞处着火后火焰逐渐向外传播，直到将燃烧室内的混合气烧完为止。又如点着泼在地面上的一层可燃性油，其火焰也是从点火源处着火后向四周传播直到烧光燃油为止。在动力机械及热能工程上除火花引燃式汽油机、煤气机外大多数情况

8、为定置火焰，而火灾中的矿井坑道煤气着火后的燃烧、宏观上鸟瞰草原或森林火灾则为行进火焰。图3-5