燃燒學(xué)

徐通模，1939年11月生，西安交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國家級(jí)有突出貢獻(xiàn)中青年專家。1961年7月畢業(yè)于西安交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械制造系鍋爐制造專業(yè)。近50年來.一直從事熱能工程領(lǐng)域氣固兩相流及燃燒學(xué)科的教學(xué)和科研工作。主講燃燒學(xué)、流體力學(xué)、鍋爐原理、燃燒科學(xué)與技術(shù)的近代進(jìn)展等本科及研究生課程。

前言

第一篇 燃燒基礎(chǔ)

第一章 燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述

第二節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)速率

一、濃度

二、化學(xué)反應(yīng)速率

三、基元反應(yīng)與總包反應(yīng)

四、質(zhì)量作用定律

五、反應(yīng)級(jí)數(shù)

六、基元反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率

七、總包反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率

第三節(jié) 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

一、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響阿累尼烏斯定律

二、活化能丑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

三、壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

四、反應(yīng)物濃度和摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

五、催化作用對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

第四節(jié) 鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)

一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)

二、不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

三、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)

四、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的孕育與爆炸特點(diǎn)

第五節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)平衡

第六節(jié) 氮氧化物形成的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第二章 燃燒空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)——混合與傳質(zhì)

第一節(jié) 湍流的物理本質(zhì)和數(shù)學(xué)描寫

一、湍流脈動(dòng)

二、湍流的數(shù)學(xué)描寫——雷諾方程組

三、湍流附加應(yīng)力的假定

第二節(jié) 動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的比擬

一、分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散和湍流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散

二、熱量交換和質(zhì)量交換的比擬

第三節(jié) 湍流射流中的積分守恒條件

一、湍流自由射流的特性

二、伴隨流射流中的積分守恒條件

三、自由射流的積分守恒條件

四、“三傳”過程中普遍適用的二元微分方程組

第四節(jié) 湍流自由射流中的混合與傳質(zhì)

一、湍流自由射流軸心線上參數(shù)的變化規(guī)律

二、大溫差不等溫自由射流的湍流混合與傳質(zhì)

三、射流本身因燃燒而不斷升溫情況下的混合與傳質(zhì)

四、氣．固（液）兩相射流中的混合與傳質(zhì)

第五節(jié) 旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)

一、旋轉(zhuǎn)射流的特性

二、旋流強(qiáng)度及旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)形式

三、各種旋流器旋流強(qiáng)度的計(jì)算

四、旋轉(zhuǎn)射流的一些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果介紹

第六節(jié) 鈍體射流中的混合與傳質(zhì)

一、鈍體射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)

二、鈍體射流的流動(dòng)特性

第七節(jié) 平行與相交射流中的混合與傳質(zhì)

一、混合與傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件

二、平行射流

三、相交射流

四、橫向射流

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第二篇 燃燒原理

第三章 著火理論

第一節(jié) 著火的基本概念

一、著火過程

二、著火方式與機(jī)理

三、著火條件的數(shù)學(xué)描述

第二節(jié) 熱自燃理論

一、熱自燃條件

二、熱自燃溫度

三、熱白燃界限

四、熱自燃孕育期

第三節(jié) 鏈鎖白燃理論

一、鏈鎖自燃與熱自燃

二、鏈鎖自燃條件

三、鏈鎖自燃孕育期

第四節(jié) 強(qiáng)迫點(diǎn)燃理論

一、強(qiáng)迫點(diǎn)燃與熱自燃

二、強(qiáng)迫點(diǎn)燃方法

三、熾熱物體點(diǎn)燃理論

第五節(jié) 燃燒熱工況

一、零元系統(tǒng)的燃燒熱工況

二、一元系統(tǒng)的燃燒熱工況

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第四章 氣體燃料燃燒

第一節(jié) 火焰?zhèn)鞑?

一、火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象

二、正常火焰?zhèn)鞑?

第二節(jié) 正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣?

一、正常火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊睦碚撉蠼饧胺治?

二、正常火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊闹饕绊懸蛩?

第三節(jié) 擴(kuò)散火焰與預(yù)混火焰

一、燃燒方式與火焰結(jié)構(gòu)

二、氣體燃料的預(yù)混燃燒

三、氣體燃料的擴(kuò)散燃燒

第四節(jié) 火焰穩(wěn)定的原理和方法

一、火焰穩(wěn)定的基本條件

二、火焰穩(wěn)定機(jī)理

三、高速氣流中火焰的穩(wěn)定

四、火焰穩(wěn)定的主要方法

第五節(jié) 湍流燃燒火焰特點(diǎn)

一、湍流火焰?zhèn)鞑サ陌櫿郾砻嫒紵碚?

二、湍流火焰?zhèn)鞑サ娜莘e燃燒理論

三、湍流擴(kuò)散燃燒

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第五章 液體燃料燃燒

第一節(jié) 液體燃料的特性

一、油類燃料特性

二、其他液體燃料

第二節(jié) 液體燃料的霧化

一、霧化過程及機(jī)理

二、噴嘴

三、液體燃料霧化性能

第三節(jié) 液滴的蒸發(fā)

一、液滴蒸發(fā)時(shí)的斯蒂芬流

二、相對(duì)靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)

三、強(qiáng)迫氣流中液滴的蒸發(fā)

四、液滴群的蒸發(fā)

第四節(jié) 液滴燃燒

一、靜止液滴的燃燒

二、強(qiáng)迫氣流中液滴的燃燒

三、液滴群的燃燒

四、合理配風(fēng)

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第六章 煤的燃燒

第一節(jié) 煤的燃燒過程、特點(diǎn)及其熱解

一、煤的燃燒過程

二、水分的蒸發(fā)過程及對(duì)燃燒的影響

三、煤的熱解與揮發(fā)分的燃燒

四、煤粒的著火

五、煤粒燃燒的一些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

六、影響煤粒著火的因素

七、焦炭的燃燒特性

第二節(jié) 碳燃燒化學(xué)反應(yīng)的過程

一、碳燃燒化學(xué)反應(yīng)的步驟

二、碳燃燒過程中的吸附和解吸

三、碳燃燒過程中的擴(kuò)散

第三節(jié) 碳的動(dòng)力燃燒與擴(kuò)散燃燒

第四節(jié) 碳的燃燒化學(xué)反應(yīng)

一、碳的品格結(jié)構(gòu)

二、碳與氧的反應(yīng)機(jī)理

三、碳和二氧化碳的反應(yīng)機(jī)理

四、碳與水蒸氣的反應(yīng)

五、表面反應(yīng)的碳球燃燒速率

六、二次反應(yīng)對(duì)碳燃燒過程的影響

七、具有空間二次反應(yīng)的碳球燃燒速率

第五節(jié) 多孔性碳球的燃燒

第六節(jié) 灰分對(duì)焦炭燃燒的影響

一、碳粒燃燒過程的物理模型

二、不同燃燒溫度下灰分對(duì)燃燒的影響

三、灰分對(duì)焦炭燃燒的其他影響

第七節(jié) 煤粉燃燒

一、煤粉氣流的輸送與分配

二、煤粉氣流的著火

三、旋轉(zhuǎn)射流中煤粉的著火

四、直流射流中煤粉的著火

五、煤粉氣流的燃盡過程

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第三篇 燃燒科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展

第七章 燃燒科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的幾個(gè)科學(xué)問題

第一節(jié) 氮氧化物的生成機(jī)理及燃燒控制

一、概述

二、煤燃燒過程中NOx的生成機(jī)理

三、煤燃燒過程中N0x的破壞機(jī)理

四、影響煤粉爐內(nèi)Nox生成的因素

第二節(jié) 催化燃燒

一、催化燃燒控制NOx和CO生成的原理

二、典型催化燃燒室

三、催化燃燒催化劑的研究進(jìn)展

第三節(jié) 燃燒過程的相似與?；?

一、相似理論在燃燒過程中的應(yīng)用

二、燃燒空氣動(dòng)力過程的物理?；?

第四節(jié) 燃燒過程數(shù)值模擬

一、基本原理、算法與程序特點(diǎn)

二、數(shù)值模擬的結(jié)果

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn) 2100433B

《燃燒學(xué)》共三篇，從內(nèi)容編排上分三個(gè)層次和七個(gè)章節(jié)展開。第一篇為學(xué)習(xí)燃燒學(xué)必須掌握的燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和以動(dòng)量、熱量、質(zhì)量傳遞為核心的燃燒空氣動(dòng)力學(xué)，這是燃燒學(xué)的理論基礎(chǔ)；第二篇為燃燒科學(xué)內(nèi)在的基本原理和規(guī)律，著重介紹燃料著火理論，氣、油、煤燃燒過程特點(diǎn)；第三篇為啟迪讀者深入思考的幾個(gè)熱門科技命題：燃燒過程中NOx的生成和控制、催化燃燒，燃燒數(shù)值模擬及燃燒實(shí)驗(yàn)的相似原理和?；椒ǖ取Ｈ珪髡露几接兴伎碱}和習(xí)題，有些還附有參考答案和提示，以幫助讀者理解和掌握書中的核心內(nèi)容。《燃燒學(xué)》可作為高等學(xué)校動(dòng)力工程與工程熱物理學(xué)科本科生教材，也可作為燃燒科技領(lǐng)域的研究生和工程技術(shù)人員以及廣大燃燒科學(xué)愛好者有益的參考書。

測定燃燒熱的方法一般分為定容和定壓兩種。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，定容燃燒熱等于燃燒反應(yīng)的內(nèi)能變化ΔUc，定壓燃燒熱等于燃燒反應(yīng)的焓變化 ΔH,式中Δn為燃燒反應(yīng)中氣相物質(zhì)增加的摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為反應(yīng)溫度。

燃燒熱與溫度的關(guān)系可用基爾霍夫定律表示：

式中的下標(biāo)p、V分別表示定壓或定容過程;ΔC表示產(chǎn)物和反應(yīng)物總熱容之差。

燃燒熱應(yīng)指明相應(yīng)的燃燒反應(yīng)的熱化學(xué)方程，其中反應(yīng)物和產(chǎn)物都要標(biāo)明它的狀態(tài)，方程中的系數(shù)表示物質(zhì)的摩爾數(shù)。按熱力學(xué)規(guī)定，放熱反應(yīng)的熱效應(yīng)為負(fù)值。例如:H2(氣，1大氣壓,25℃) 0.5O2(氣,1大氣壓,25℃)=H2O(液，1大氣壓，25℃)，ΔH懢=-285.830±0.042千焦/摩爾。

熱力學(xué)中采用標(biāo)準(zhǔn)態(tài)作為參考態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的燃燒熱用ΔH懢或ΔU懢表示。標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的燃燒反應(yīng)是一個(gè)理想的過程，其反應(yīng)物和產(chǎn)物分別處在各自的熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)（見標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)函數(shù)）。

由于燃燒反應(yīng)比較完全，熱效應(yīng)大且副反應(yīng)少，燃燒量熱法準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。燃燒熱主要用來求出物質(zhì)的生成焓。在工業(yè)上，燃燒熱值是煤、石油等能源的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)。

氧彈量熱學(xué) 氧彈是一種耐壓的金屬密封容器，內(nèi)部充入約30大氣壓的氧氣。大多數(shù)有機(jī)物在彈中能迅速、完全地燃燒，生成二氧化碳和水以及其他產(chǎn)物。氧彈量熱計(jì)從結(jié)構(gòu)上可分為：①靜止氧彈量熱計(jì)，有環(huán)境等溫和絕熱跟蹤兩類，工業(yè)上用于熱值的測定,精密度可達(dá)0.1%～0.2%。圖1是研究用的儀器，精密度可達(dá)0.01%左右。②轉(zhuǎn)動(dòng)氧彈量熱計(jì)，除氧彈轉(zhuǎn)動(dòng)裝置外，其余和靜止氧彈量熱計(jì)類似（圖2）。根據(jù)需要，彈內(nèi)可以加入一些試劑與燃燒產(chǎn)物進(jìn)一步反應(yīng)。轉(zhuǎn)動(dòng)氧彈可以增加反應(yīng)速率和加速氣液平衡，得到確定的終態(tài)。例如，燃燒含氯化合物時(shí)，彈中加入三氧化二砷溶液，與燃燒產(chǎn)物氯發(fā)生反應(yīng)，最后得到均勻的鹽酸溶液?！≡谘鯊椓繜釋W(xué)中，視研究對(duì)象所含元素的不同，燃燒技術(shù)、產(chǎn)物分析和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)更正都將不同。為了核對(duì)各類物質(zhì)測試方法的可靠性，已分別推薦了一些燃燒熱已準(zhǔn)確測定過的試驗(yàn)物質(zhì)。

燃燒量熱學(xué)氧火焰量熱學(xué)

分為連續(xù)氣流和不連續(xù)氣流兩類，研究所用儀器的精密度約為0.01%，除燃燒室和供氣系統(tǒng)外,其余與氧彈量熱計(jì)類似。圖3為燃燒室示意圖，氣體或蒸氣（用氬氣作載氣）燃料與氧氣在燃燒室內(nèi)混合后燃燒，產(chǎn)生平穩(wěn)火焰。產(chǎn)物恒溫后流出量熱計(jì)，通過產(chǎn)物分析進(jìn)行化學(xué)計(jì)量。量熱計(jì)可用電能法或氫和氧燃燒反應(yīng)來標(biāo)定能當(dāng)量。推薦的試驗(yàn)物質(zhì)是甲烷。研究對(duì)象包括含碳、氫和碳、氫、氧的有機(jī)化合物。對(duì)含氮和氯的化合物研究得很少，主要困難是不易燃燒完全和不易得到完全確定的終態(tài)。

燃燒量熱學(xué)氟彈量熱學(xué)

一些物質(zhì)在氧中燃燒不完全或生成物復(fù)雜，使測量不準(zhǔn)確。如用氟（或其他鹵素）代替氧作氧化劑，可以燃燒完全或形成單一含氟產(chǎn)物。但需要特別注意氟的腐蝕性和毒性。彈的結(jié)構(gòu)有各種不同的設(shè)計(jì)，常分作單室的和雙室的兩種。雙室氟彈適合于對(duì)氟敏感的物質(zhì)，點(diǎn)火前把氟單獨(dú)貯存在另一室中。對(duì)單室氟彈，建議用鎢作試驗(yàn)物質(zhì)，對(duì)雙室氟彈建議用鎢或硫作試驗(yàn)物質(zhì)。研究對(duì)象有元素氟化物、元素氯（溴）化合物等。

燃燒量熱學(xué)氟火焰量熱學(xué)

包括用氟或具有反應(yīng)活性的氟化物、鹵素等代替氧的火焰量熱學(xué)研究。燃燒室分為單相和雙相結(jié)構(gòu)兩類。單相結(jié)構(gòu)中反應(yīng)物和產(chǎn)物都是氣體。但當(dāng)產(chǎn)物中有氟化氫生成時(shí)，由于它的非理想性和實(shí)際氣體熱焓的不準(zhǔn)確性，帶來較大誤差。雙相結(jié)構(gòu)使氣體產(chǎn)物通過水溶液進(jìn)一步反應(yīng)，以克服上述缺點(diǎn)。單相儀器可用電能法標(biāo)定，雙相儀器可用氫和氧的燃燒反應(yīng)標(biāo)定。研究對(duì)象有：①氫－鹵素反應(yīng);②鹵素－氫－水反應(yīng);③鹵素間化合物；④鹵素氧化物；⑤鹵素氮化物等。

自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用使量熱工作比過去容易多了。當(dāng)前燃燒量熱學(xué)正繼續(xù)向精密、準(zhǔn)確和新化合物領(lǐng)域發(fā)展。在儀器方面，量熱計(jì)小型化是一個(gè)發(fā)展動(dòng)向，以便解決那些非常昂貴、難于合成或提純、易于爆炸的化合物的測定。此外，為了避免攪拌水型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，無液型量熱計(jì)的研究也受到重視。在研究對(duì)象方面，當(dāng)前對(duì)于含碳、氫、氧、氮的化合物已測得了大量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；對(duì)含硫和鹵素的化合物，準(zhǔn)確測定的方法已基本建立，但數(shù)據(jù)還有待積累。對(duì)其他化合物，特別是有機(jī)金屬化合物的研究剛開始，許多重要的數(shù)據(jù)缺乏。目前影響測量準(zhǔn)確性的困難仍然主要來自化學(xué)部分。應(yīng)當(dāng)指出，生成熱數(shù)據(jù)除可用熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)測定外，原則上也可用量子化學(xué)計(jì)算。但除極簡單的分子外，準(zhǔn)確性都不如實(shí)驗(yàn)結(jié)果高。對(duì)于半經(jīng)驗(yàn)的量子化學(xué)或分子力場計(jì)算來說，準(zhǔn)確的量熱結(jié)果始終是它們建立模型和檢驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)。2100433B