基础燃烧理论义 陈正（比京大学工学院z@pku.sdu.cn)2014/120 目录 第1章引言 11燃烧及其应用 1.2燃烧学发展史 13燃烧研究的动机与目标 2 1.4课程内容. 第2章化学反应热力学 2】基木概念 2.2化学平衡】 23燃烧格 与绝热燃烧温度 2.4本章总结 .19 第3章化学反应动力学 21 3】化学反应速率 1 32化学动力学近似 33单分子反应机理 3 3.4链式反应和链分支反应」 ..34 3.5简单碳氢燃料的化学反应机理 39 3.6本章总结 .45 第4章反应系统化学与热力学耦合 .46 4.1零维均质者火系统 46 42热着火理论 .51 43均匀搅挂反应器 57 4.4均匀搅拌器中的若火与熄火】 58 45柱寒洁后应 63 4.6刚性常微分方程数值求解 64 4.7 CHEMKIN介绍... 68 第5章控制方程 .69 5.1输运讨程 60 5.2控制方程 73 53守恒标量方程 5.4一维问题的简化方程 ...82 第6章层流预混火焰 85 61预混火焰与扩散火焰 85 6)缓恢与爆油 63 维层流预混火焰定性分析 .90 64一维层流预混火焰详细理论分析 .96 6.5层流预混火焰速度及其测量方法 105 6.6影响层流预混火焰速度的因素 111 67层流预混火焰详细结构 112 6.8火焰拉伸率及其对预混火焰的影 .113
基础燃烧理论义 陈正 (北京大学 工学院 cz@pku.edu.cn) 2014/1/20 III 目 录 第 1 章 引言 ................................................................................................................. 1 1.1 燃烧及其应用 .................................................................................................................... 1 1.2 燃烧学发展史 .................................................................................................................... 1 1.3 燃烧研究的动机与目标 .................................................................................................... 2 1.4 课程内容 ............................................................................................................................ 3 第 2 章 化学反应热力学 ............................................................................................. 5 2.1 基本概念 ............................................................................................................................ 5 2.2 化学平衡 ............................................................................................................................ 9 2.3 燃烧焓与绝热燃烧温度 .................................................................................................. 15 2.4 本章总结 .......................................................................................................................... 19 第 3 章 化学反应动力学 ........................................................................................... 21 3.1 化学反应速率 .................................................................................................................. 21 3.2 化学动力学近似 .............................................................................................................. 28 3.3 单分子反应机理 .............................................................................................................. 32 3.4 链式反应和链分支反应 .................................................................................................. 34 3.5 简单碳氢燃料的化学反应机理 ...................................................................................... 39 3.6 本章总结 .......................................................................................................................... 45 第 4 章 反应系统化学与热力学耦合 ....................................................................... 46 4.1 零维均质着火系统 .......................................................................................................... 46 4.2 热着火理论 ...................................................................................................................... 51 4.3 均匀搅拌反应器 .............................................................................................................. 57 4.4 均匀搅拌器中的着火与熄火 .......................................................................................... 58 4.5 柱塞流反应器 .................................................................................................................. 63 4.6 刚性常微分方程数值求解 .............................................................................................. 64 4.7 CHEMKIN 介绍 ............................................................................................................... 68 第 5 章 控制方程 ....................................................................................................... 69 5.1 输运过程 .......................................................................................................................... 69 5.2 控制方程 .......................................................................................................................... 73 5.3 守恒标量方程 .................................................................................................................. 79 5.4 一维问题的简化方程 ...................................................................................................... 82 第 6 章 层流预混火焰 ............................................................................................... 85 6.1 预混火焰与扩散火焰 ...................................................................................................... 85 6.2 缓燃波与爆震波 .............................................................................................................. 85 6.3 一维层流预混火焰定性分析 .......................................................................................... 90 6.4 一维层流预混火焰详细理论分析 .................................................................................. 96 6.5 层流预混火焰速度及其测量方法 ................................................................................ 105 6.6 影响层流预混火焰速度的因素 .................................................................................... 111 6.7 层流预混火焰详细结构 ................................................................................................ 112 6.8 火焰拉伸率及其对预混火焰的影响 ............................................................................ 113
基础燃烧理论义 陈正(d北京大学工学院z@pku.edu.cn)2014/120 6.9预混火焰稳定性 114 6.10预混火焰的若火与熄少 115 第7章层流扩散火焰 …123 7.1扩散火焰的结构及控制方程。 .123 72一维静态扩散火焰 129 7.3伯克-舒曼(Burke-.Schumann)火焰 137 74中装芬Stefan)流 141 7,5液滴燕发与燃烯 14 7.6碳的燃烧 .152 7.7对型流扩散火焰 .156 注：S1.1-1.3,S4.7,S6.1,s6.5-6.9为Powerpoint讲义，没有被包含进来
基础燃烧理论义 陈正 (北京大学 工学院 cz@pku.edu.cn) 2014/1/20 IV 6.9 预混火焰稳定性 ............................................................................................................ 114 6.10 预混火焰的着火与熄火 ............................................................................................... 115 第 7 章 层流扩散火焰 ............................................................................................. 123 7.1 扩散火焰的结构及控制方程 ........................................................................................ 123 7.2 一维静态扩散火焰 ........................................................................................................ 129 7.3 伯克-舒曼(Burke-Schumann)火焰 ................................................................................ 137 7.4 史蒂芬(Stefan)流 ........................................................................................................... 141 7.5 液滴蒸发与燃烧 ............................................................................................................ 144 7.6 碳的燃烧 ........................................................................................................................ 152 7.7 对型流扩散火焰 ............................................................................................................ 156 注：§1.1-1.3，§4.7，§6.1，§6.5-6.9 为 Powerpoint 讲义，没有被包含进来
基础燃烧理论义 陈正(d北京大学工学院2@pk.eucm)2014/120 第1章引言 1.1燃烧及其应用 燃烧：社会发展与科技进步的推动力 世界总能源的80%来自于燃烧矿物燃料，绝大部分大气污染物和CO2也源 自于燃烧。 燃烧定义：“产生热或同时产生光和热的快速氧化反应：也包括只伴随少量 热没有光的慢速氧化反应”。 燃烧过程：将化学能转化为热能：CHm+O2→CO2+H,0+Q 燃烧的分类 预混燃烧vs.非预混（扩散）燃烧 层流燃烧vs湍流燃烧 均相燃烧vs.非均相燃烧 亚音速燃烧vs.超音速燃烧 燃烧的应用 能源动力：煤炭发电、石油、天然气 工业生产：钢铁、玻璃、陶瓷、塑料、纳米粒子… 日常生活：火锅、壁炉、生日蜡烛… 安全防范：森林火灾、建筑物火灾、煤矿爆炸… 环境与气候：氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、炭黑… [注：具体内容见ppt讲义] 1.2燃烧学发展史(copy自姚老师的讲义) 人类对火及燃烧现象的实践经验至今最少有50万年的历史！ 燧人氏钻木取火普罗米修斯(Prometheus) 1703年，德国化学家GE.Stal燃素论：一切物质之所以能够燃烧，都是由 于其中含有着被称为燃素的物质。燃素的本质是什么？为什么物质燃烧重量反而 增加？为什么燃烧使空气体积诚少？被证明完全错误 1772年11月1日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇论文发表了，其要点 是由燃烧而引起的重量增加。这种“重量的增加”是由于可燃物同空气中的一部
基础燃烧理论义 陈正 (北京大学 工学院 cz@pku.edu.cn) 2014/1/20 1 第 1 章 引言 1.1 燃烧及其应用 燃烧：社会发展与科技进步的推动力 世界总能源的 80％来自于燃烧矿物燃料，绝大部分大气污染物和 CO2 也源 自于燃烧。 燃烧定义：“产生热或同时产生光和热的快速氧化反应；也包括只伴随少量 热没有光的慢速氧化反应”。 燃烧过程：将化学能转化为热能：CnHm+O2→CO2+H2O+Q 燃烧的分类 预混燃烧 vs.非预混(扩散)燃烧 层流燃烧 vs.湍流燃烧 均相燃烧 vs.非均相燃烧 亚音速燃烧 vs. 超音速燃烧 燃烧的应用 能源动力： 煤炭发电、石油、天然气 … 工业生产：钢铁、玻璃、陶瓷、塑料、纳米粒子 … 日常生活：火锅、壁炉、生日蜡烛 … 安全防范：森林火灾、建筑物火灾、煤矿爆炸 … 环境与气候：氮氧化物、一氧化碳、硫氧化物、炭黑 … [注：具体内容见 ppt 讲义] 1.2 燃烧学发展史 （copy 自姚老师的讲义） 人类对火及燃烧现象的实践经验至今最少有 50 万年的历史！ 燧人氏钻木取火 普罗米修斯（Prometheus） 1703 年，德国化学家 G.E.Stahl 燃素论：一切物质之所以能够燃烧，都是由 于其中含有着被称为燃素的物质。燃素的本质是什么? 为什么物质燃烧重量反而 增加? 为什么燃烧使空气体积减少? 被证明完全错误 1772 年 11 月 1 日法国科学家拉瓦锡关于燃烧的第一篇论文发表了，其要点 是由燃烧而引起的重量增加。这种“重量的增加”是由于可燃物同空气中的一部
基础燃烧理论义 陈正（比京大学工学院2@pku.edu.cn)2014/120 分物质化合的结果。燃烧是一种化合现象。拉瓦锡尚未完全弄清楚这空气的一部 分是什么物质。 1774年，普利斯特列发现了氧 拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为15，并命名这一物 质为“氧”（原义为酸之源） 拉瓦锡正确的燃烧学说得到确立，并因此而引起了化学界的一大革新。 这仅仅是揭开了燃烧的本质 19世纪，由于热力学和热化学的发展，燃烧过程开始被作为热力学平衡体系 来研究。 20世纪初，美国化学家刘易斯和俄国化学家谢苗诺夫等人将化学动力学的机 理引入燃烧的研究。 20世纪的30年代，刘易斯等人开始建立燃烧动态过程的理论，提出了火焰 物理的一些基本概念，如最小点火能、火焰传播等 从30年代和50年代，逐步从反应动力学和传热、传质相互作用的观点建立 了着火，火焰传播，湍流燃烧的规律 50年代到60年代，冯·卡门首先提出用连续介质力学来研究燃烧基本过程， 逐渐建立了反应流体力学 60年代到80年代，燃烧理论迅速发展 斯波尔丁(D.B.Spalding)在60年代后期首先得到了层流边界层燃烧过程控制 微分方程的数值解，并成功地接受了实验的检验。 遇到了湍流问题的困难，斯波尔丁和哈洛：继承普朗特，雷诺和周培源等的工 作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了湍流燃烧模型 80年代：“计算燃烧学” 自从60年代，在测试方面，由于激光技术的兴起，将光测这种非接触测量 技术引入到燃烧学的研究，提高了对燃烧条件下各种测量参数的测量精度 [注：具体内容见pm讲义] 1.3燃烧研究的动机与目标 燃烧研究的动机：1，能源与气候
基础燃烧理论义 陈正 (北京大学 工学院 cz@pku.edu.cn) 2014/1/20 2 分物质化合的结果。燃烧是一种化合现象。拉瓦锡尚未完全弄清楚这空气的一部 分是什么物质。 1774 年，普利斯特列发现了氧 拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为 1/5，并命名这一物 质为“氧”(原义为酸之源) 拉瓦锡正确的燃烧学说得到确立，并因此而引起了化学界的一大革新。 这仅仅是揭开了燃烧的本质。 19 世纪，由于热力学和热化学的发展，燃烧过程开始被作为热力学平衡体系 来研究。 20 世纪初，美国化学家刘易斯和俄国化学家谢苗诺夫等人将化学动力学的机 理引入燃烧的研究。 20 世纪的 30 年代，刘易斯等人开始建立燃烧动态过程的理论，提出了火焰 物理的一些基本概念，如最小点火能、火焰传播等 从 30 年代和 50 年代，逐步从反应动力学和传热、传质相互作用的观点建立 了着火，火焰传播，湍流燃烧的规律 50 年代到 60 年代，冯·卡门首先提出用连续介质力学来研究燃烧基本过程， 逐渐建立了反应流体力学 60 年代到 80 年代，燃烧理论迅速发展 斯波尔丁(D.B.Spalding)在 60 年代后期首先得到了层流边界层燃烧过程控制 微分方程的数值解，并成功地接受了实验的检验。 遇到了湍流问题的困难，斯波尔丁和哈洛:继承普朗特，雷诺和周培源等的工 作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了湍流燃烧模型 80 年代:“计算燃烧学” 自从 60 年代，在测试方面，由于激光技术的兴起，将光测这种非接触测量 技术引入到燃烧学的研究，提高了对燃烧条件下各种测量参数的测量精度 [注：具体内容见 ppt 讲义] 1.3 燃烧研究的动机与目标 燃烧研究的动机：1, 能源与气候
基础燃烧理论义 陈正(d北京大学工学院2@pk.edu.cn)2014/120 燃烧研究的动机：2，环境污染 燃烧研究的动机：3，推进技术 燃烧研究的目标：开发替代燃料、研制高性能燃烧器 新型替代燃料 油砂、油岩层(oil sand/shale) 煤基燃料(coal-based synthetic fuel) 乙醇(ethanol) 生物柴油(bio-diesel) 高效低排放燃烧技术 均质压燃(HCCD 直喷技术(Direct Injection) 低温燃烧(LTC) [注：具体内容见ppt讲义] 1.4课程内容 )导论(1课时) 2)化学热力学(3课时) 能量守恒与绝热燃烧温度 化学平衡与燃烧平衡产物 3)化学反应动力学(7课时) 基元反应理论 碳氢燃料的化学反应机理 4)反应系统化学与热力学耦合(7课时) 各种零维均质反应模型、热着火理论 化学反应模拟软件CHEMKIN 刚性问题及求解方法 5)控制方程(4课时) 质量、动量、能量的扩散过程 守恒方程、方程简化
基础燃烧理论义 陈正 (北京大学 工学院 cz@pku.edu.cn) 2014/1/20 3 燃烧研究的动机：2, 环境污染 燃烧研究的动机：3, 推进技术 燃烧研究的目标：开发替代燃料、研制高性能燃烧器 新型替代燃料 油砂、油岩层 (oil sand/shale) 煤基燃料 (coal-based synthetic fuel) 乙醇 (ethanol) 生物柴油 (bio-diesel) 高效低排放燃烧技术 均质压燃(HCCI) 直喷技术(Direct Injection) 低温燃烧(LTC) [注：具体内容见 ppt 讲义] 1.4 课程内容 1) 导论 (1 课时) 2) 化学热力学 (3 课时) 能量守恒与绝热燃烧温度 化学平衡与燃烧平衡产物 3) 化学反应动力学 (7 课时) 基元反应理论 碳氢燃料的化学反应机理 4) 反应系统化学与热力学耦合 (7 课时) 各种零维均质反应模型、热着火理论 化学反应模拟软件 CHEMKIN 刚性问题及求解方法 5) 控制方程 (4 课时) 质量、动量、能量的扩散过程 守恒方程、方程简化