第3章--燃烧的物理基础

燃烧学主编第3章燃烧的物理基础3.1燃烧的热量传递3.2燃烧的物质输运3.3燃烧物理学基本方程3.1燃烧的热量传递3.1.1引言3.1.2热传导3.1.3热对流3.1.4热辐射3.1.5发光火焰和热烟气的辐射3.1.1引言燃烧现象总是伴随着热量的传递。传热学理论认为，热量传递有传导、对流和热辐射三种基本方式。3.1.2热传导热传导(heatconduction)又称导热，属于接触传热，是指在热量传递过程中，物体各部分之间没有相对位移，仅依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子的碰撞、转动和振动等热运动等方式产生热量从高温部分向低温部分传递的现象。如果定义热流密度q，则傅里叶定律可以用下式表达：（3-1）3.1.3热对流热对流(heatconvection)又称对流，是指由于流体的宏观运动而引发的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混引起热量传递的方式。对流传热服从牛顿冷却公式：3.1.3热对流（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）表3 - 2几种对流换热过程的表面传热系数取值范围3.1.3热对流图3 - 1平板上的绝热流动边界层系统(虚线为流动边界层)3.1.3热对流图3 - 2非绝热平板上流动边界层和热边界层(虚线表示流动边界层，实线表示热边界层)3.1.3热对流表3 - 3常用无量纲数3.1.3热对流3.1.4热辐射物体因其自身温度而发出辐射能的现象称为热辐射(Radiativeheattransfer)。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度越高，辐射出的总能量就越大。黑体在单位时间内发出的热辐射能量由斯忒藩-玻耳兹曼定律(Stefan-Boltzmann)确定，如下式所示：（3-9）实际物体辐射热流量的计算一般采用斯忒藩-玻耳兹曼定律的经验修订形式，即：（3-10）3.1.5发光火焰和热烟气的辐射火焰(热烟气)辐射依赖于温度、颗粒浓度和火焰的“厚度”或射线行程平均长度(L)，其辐射率ε的经验公式与克希霍夫定律相似，即：（3-11）（3-12）（3-13）表3 - 4部分燃料火焰中碳颗粒的辐射特性3.1.5发光火焰和热烟气的辐射表3 - 4部分燃料火焰中碳颗粒的辐射特性3.1.5发光火焰和热烟气的辐射3.2燃烧的物质输运物质的输运可以通过以下几种方式进行：((1)分子扩散。这种方式是组分在静止流体中的输运，而组分的浓度梯度则成为分子扩散的驱动力。(2)斯忒藩流。在不可透过的相分界面上有组分产生或消耗，而出于维持组分分布稳定的需要产生了流体整体输运，这中流动即为斯忒藩流。斯忒藩流的驱动力是除了组分的浓度梯度，还有就是相分界面上组分的产生或消耗源。(3)对流传质。流体流过壁面或液体界面时，在主流与界面间存在浓度差条件下，组分边混合边流动的输运，称为对流传质。其驱动力是组分的浓度梯度和整体流(的驱动力)。(4)烟囱效应。气体组分温度升高、密度减小时，在空气浮力作用下的向上输运称为烟囱效应。冷气体的向下输运，则称逆烟囱效应。其驱动力是浮力与重力共同作用下的体积力。3.2.1分子扩散3.2.2斯忒藩流3.2.3对流传质3.2.4烟囱效应3.2燃烧的物质输运3.2.1分子扩散1.费克扩散定律2.组分扩散系数1.费克扩散定律图3 - 3费克扩散定律1.费克扩散定律（3-14）（3-15）（3-16）（3-17）（3-18）（3-19）（3-20）（3-21）2.组分扩散系数（3-22）（3-23）（3-24）（3-25）（3-26）2.组分扩散系数图3 - 4等摩尔逆向扩散时分压力变化2.组分扩散系数3.2.2斯忒藩流（3-27）（3-28）（3-29）（3-30）（3-31）（3-32）（3-33）（3-34）（3-35）（3-36）3.2.2斯忒藩流（3-37）（3-38）（3-39）（3-40）（3-41）（3-42）（3-43）3.2.2斯忒藩流图3 - 5水面处水蒸气蒸发时的斯忒藩流3.2.3对流传质1.对流传质与对流传质系数2.层流与湍流的影响1.对流传质与对流传质系数图3 - 6平板上的组分浓度边界层对流传质的总输运效果也常用类似于对流换热中牛顿冷却公式的形式来表达计算：(3-44)(3-45)1.对流传质与对流传质系数2.层流与湍流的影响图3 - 7平板上速度边界层的开展2.层流与湍流的影响图3 - 8平板流动的边界层厚度δ和局部对(2)沉降速率。在计算边界层特性时，假定发生过渡的位置在xc处，那么这个位置可用雷诺数来确定：(3-46)(3-47)3.2.4烟囱效应(1)当管内温度等于管外温度，即T0=Ts，ρ0=ρs时，管内外流体处于平衡状态，不产生流动，则根据平衡方程有：(3-48)(2)当管内温度不等于管外温度，即T0＜Ts时，有：(3-49)(3-50)(3-51)(3-52)3.2.4烟囱效应图3 - 9烟囱效应（3-53）（3-54）3.2.4烟囱效应3.3燃烧物理学基本方程3.3.1引言3.3.2多组分气体基本参量3.3.3基本方程3.3.4多组分反应系统的相似准则3.3.1引言燃烧(burning)是固体、液体或气体燃料与氧化剂之间发生的一种猛烈的发光放热的多组分化学反应流现象，其反应过程总是全部地或者部分地在气相中进行，并且总是伴随着火焰传播和流动，甚至部分燃烧就发生在流动的系统中。3.3.2多组分气体基本参量（3-55）（3-56）（3-57）（3-58）（3-59）（3-60）（3-61）3.3.2多组分气体基本参量（3-62）（3-63）（3-64）（3-65）（3-66）（3-67）（3-68）（3-69）3.3.3基本方程1.质量守恒方程(连续性方程)2.组分守恒方程(扩散方程)3.动量守恒方程4.能量守恒方程1.质量守恒方程(连续性方程)图3 - 10总质量守恒微元正六面体1.质量守恒方程(连续性方程)1.质量守恒方程(连续性方程)2.组分守恒方程(扩散方程)图3 - 11组分守恒微元正六面体2.组分守恒方程(扩散方程)2.组分守恒方程(扩散方程)2.组分守恒方程(扩散方程)3.动量守恒方程4.能量守恒方程3.3.4多组分反应系统的相似准则1.传热与流动准则2.化学反应或燃烧相似准则1.传热与流动准则表3 - 6传热与流动准则2.化学反应或燃烧相似准则(1)DI＜＜1时，tf＜＜tc，为冻结流动。(2)DI→∞时，将DI改写成：(3)D􀰓＜＜1时，tD＜＜tc，为动力控制的反应性流动。(4)D􀰓＞＞1时，tD＞＞tc，为扩散控制的反应性流动。(5)D􀰓＝1~20时，扩散和动力均起作用，称为扩散-动力控制反应性流动。(6)Ar准则。(7)无量纲热释放准则。表3 - 7化学反应或燃烧相似准则2.化学反应或燃烧相似准则