燃烧学课件.

燃烧学第一章—导论教材和参考书：•（1）周力行：湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟,科学出版社，1994•（2）F.A.Williams：CombustionTheory,Adison-Wisley，19851-1燃烧技术和燃烧科学的发展--------（1）燃烧技术发展史•我国传说:燧人氏钻木取火•希腊传说:普罗米休斯把火带给人间。至少50万年前人类学会用火。•恩格斯：“火”使人类脱离野蛮进入文明•“庄子”：木与木相摩则燃。•战国齐国田单：火牛阵•晋代张华“博物志”：四川用天然气煮盐•火药和火箭：我国首先发明（至少在宋代）•燃烧技术的三次大发展：蒸汽机和内燃机（产业革命）；航空航天技术（二次世界大战）；能源危机（70年代末）（2）近代燃烧技术的发展•燃烧的强化---高能，高压，高温，高速燃烧。•节能—高效率，低品位燃料燃烧•环保—低污染（低NOx，SOx，CO2，粉尘，噪音，有毒气体）燃烧•火灾防治—森林，建筑和仓库火灾，矿井防爆•几种近代燃烧技术：氢氧燃烧；超音燃烧；高推重比燃烧；旋流（风）燃烧；流化床燃烧，磁控燃烧；脉动燃烧；催化燃烧；自蔓延燃烧（3）燃烧科学的发展•燃素论—18世纪中叶前•燃烧的氧化论—Lavosier，Lomonosov（1756-1771）•燃烧热力学—Kirshoff，Hess（19世纪）•燃烧反应动力学—Simonov，Lewis（20世纪初）•燃烧学—Zeldovich，Frank-Kamenetsky，Spalding，Predvoditelev，Khitrin（20世纪30到50年代），Williams•化学（反应）流体力学—VonKarmen，钱学森（20世纪60年代），Williams•燃烧的计算流体力学—Spalding，Gosman，Smoot，Swithenbank•多相湍流反应流体力学—周力行•燃烧的激光诊断学—Durst，Bachalo，Adrain1-2燃烧•有强烈放热和发光的化学反应固液气燃料（煤，非金属的碳，硅，硼，金属如钨钼钛锆，钾钠钙镁，固体推进剂；石油产品和液态烃；天然气和气态烃）氧化类氧化—氮化，氯化分解—联氨分解为氮和氢代替反应—钠加水成为氢和氧化钠的反应•流动，传热，传质和反应的相互作用1-3火焰•有浓度和温度剧烈变化的区域（不是发光的燃烧产物）•火焰能自动传播—缓燃（〈1m/s）和爆震（3000m/s）•火焰的辐射，生碳和电离现象•层流和湍流火焰•扩散火焰和预混火焰（前者局部高温，辐射强，效率差，后者反之）•化学平衡流动和冻结流动•扩散控制和动力控制的燃烧•绝热燃烧温度三种特征时间（流动，反应和扩散时间）和两种Damkohler数cdIIcfI/D/D/ku/lD/L)Qw/()TT(cv/LTT2dfffpcf反应流的两种极限情况反应平衡流反应冻结流1D1DIII燃烧的两种极限情况动力（控制的）燃烧扩散（控制的）燃烧1D1DIIII绝热燃烧温度)1(]c)L1/[(QL23.0TT)1(]c)L1/[(QTTp0ox0mp0fm第二章多组分有反应流动基本方程2-1多组分有反应流体基本性质和关系式（1）多组分完全气体混合物ssssppp/pX/YssssnMsssMnnRTM/RTpRTnM/RTpssssn/np/pXsssnMMnnnssss多组分完全气体混合物（续）1ssss1sssssssss)M/YM(M/M)M/Y(M1)M/MY(M/MYXMXM（2）三种速度和三种物质流•v——混合气相对于实验室坐标系的速度•vS——s组分相对于实验室坐标系的速度•VS——s组分相对于混合气的运动速度，即由于分子不规则运动引起的扩散漂移速度•VS=vS–v三种速度和三种物质流（续）gvsssgvssSJVjssjsjssjsjssjvVvYJvgjsjssjssjjjvVvgvg0JVsjsjs三种速度和三种物质流（续）•混合气中各组分的物质流不等于该组分的扩散流•各组分扩散流的总和为零•扩散流的总和对混合气整体运动没有影响•各组分扩散线速度的总和不为零（3）多组分有反应流动分子输运定律jsxY12sjDJjsxYssjDJssjsxTjhVqjdTchdTcYhYhYhTTp0TTpsss0sss00ijxv32xvxvijij)()(ppjjijji多组分有反应流动分子输运定律（续）•组分焓和混合物焓都包括物理焓(热焓）和化学焓。•组分生成焓是常数，混合物生成焓是组分浓度的函数。•组分的比热与组分浓度无关，混合物的比热取决于组分浓度。•三种混合物的焓：热焓、热焓十化学焓、滞止焓=热焓十化学焓十动能。1-3化学反应动力学基本关系式ssssAAchemss)dt/d(w22112211/w/w/w/wz1smssssCkwz1smsrsrrsrssrCkwwsmsssmsssssssCkCk化学反应动力学基本关系式（续）smssrsmsrsrrsrssrsrCkCk(wwsmsmssY)RT/Eexp(Bw第二章层流多组分有反应单相流动基本方程组2.1Reynolds输运定理和通用守恒律VjxtVjxtSntdtdV)]v([V)v(dSvjjVV0S)v(0VSjxtVdtdjjxjtdtdv2.2连续方程00Sdtddtdxjtxjxvjxjxtjjjjjjvv)v(0)v(0jjxvdtd2.3组分质量守恒方程(扩散方程)ssYVsSsVVwdSjVSsxYxjsxstw)D()vY()Y(jsjjsxYxdtdYw)D(jsjs2.4动量守恒方程ivVVsisxpVvidtdV)F(VSVvjijijxvxvijVijVxitidtdp)(pV)]vv()v([VvijjijsisxvxvxxpijxitF)]([)vv()v(ijjijj2.5能量守恒方程--能量变化和换热)e(2v2能单位体积内的内能加动V)]}e(v[)]e({[V)e(VV2vjx2vt2vdtd2j22动能的变化内能V2vdtdV)e(2V)hDq(ssxYVrjxTxjsjj热交换能量守恒方程(续1)-体积力功和总能量守恒V)vp(V)VFFv(VvFiSijxsisissisViVsisisj表面力功体积力功)vp(VFFv)hD()()e(iijxsisissisissxYxxqxTx2vdtdjjsjjrjjj2能量方程的完整形式能量守恒方程(续2)-膨胀功和耗散能压力功加变形功jijijjxvijxpiiijxpv)vp(sisixpi2vdtddtdviFvv)(vjij2i压缩功膨胀/pp)p(pjjjijjjijixvxvijxvxvijijxvijjijjjixvijxv32ijxvij])(S2[耗散能能量守恒方程(续3)--内能形式jjjiijjiijjijixvxvijijijijijijijijijxvxvxvxv21xv,0,0,0SS)]()[(张量运算2332211322312232122332222112xv32ij)SSS()SSSSSS(2)(S2jj耗散能最终形式sisissxYxxqxTxxvdtdeVF)hD()()(pjsjjrjjjjj内能形式的能量方程能量守恒方程(续4)•和单组分流动相比，多组分有反应流动的能量方程中多出了两项:各组分扩散流所携带的净焓值和各组分体积力与该组分扩散漂移速度所构成的外功之和.•扩散流的总和为零,但扩散流所携带的净焓值以及与扩散流有关的体积力所做的功之和都不为零.•完整形式的能量方程包括内能和动能的变化,热交换和机械功.•动能守恒方程包括动能和一部分机械功的变化,和传热无关.•内能形式的能量方程包括内能变化,传热和另一部分机械功,与动能无关.能量守恒方程(续5)--焓形式dtdpxvdtdpdtdp1dtdedtddtdhjj2p)/pe(sisissxYxxqxTxdtdpdtdhVF)hD()(jsjjrjjj焓形式的能量方程jjsjxTpxYssxhpspsspss0sssch,ccY,dTchh,hYh]h)([jsjjxYssPr1Sc1xhPrxdtdpdtdh)()hv()h(1LeScPrjjjxhxdtdpjxt时能量守恒方程(续6)-温度形式dTch)dTch(Yhp0pss0sss0ss0xYxdtdTpsxYxs0dtdTpdtdYs0dtdTpdtdhhw)hD(c]w)D([hchcjsjjsjssss0spss0sQwhwdTchhsisissspsxYxxqxTxdtdpdtdTpVFQw)dTcD()(cjsjjrjjj2-6低M数常比热无辐射无体积力的层流多组分有反应流动基本方程组ss212sssxTxtppjxptsxYxsjxstixvxvxxpijxitjxtM/YRTp)RT/Eexp(YYBwQw)()Tcv()Tc(w)D()Yv()Y(g)]([)vv()v(0)v(jjjjsjjijjijijj2.6相分界面上边界条件和Stefan流--（1）相分界面•气固或气液相分界面可能是通道壁、烧蚀表面、有催化作用的表面、固体燃料或液体燃料面•相分界面上，往往有物理变化或化学变化，如蒸发或凝结、升华、挥发和异相（固气）反应•惰性表面上，如无催化作用的陶瓷壁上，没有物理和化学变化•相分界面上的这些物理及化学过程，决定了分界面上传热传质过程的基本特点（2）Stefan流--水面蒸发水面蒸发（续1）0vY)(DvYJgvY)(DvYJg)Y1()(Dvv)YY(vY)(DvY)(Dg121水面蒸发（续2）•水的蒸发率是水汽总质量流，不是水汽扩散流。•水汽总质量流等于水汽扩散流加上混合气整体流动所携带的水汽质量流部