第3章燃燒的物理基礎(chǔ)

1、燃燒學(xué) 主編第3章 燃燒的物理基礎(chǔ)3.1燃燒的熱量傳遞3.2燃燒的物質(zhì)輸運3.3燃燒物理學(xué)基本方程3.1燃燒的熱量傳遞3.1.1引言3.1.2熱傳導(dǎo)3.1.3熱對流3.1.4熱輻射3.1.5發(fā)光火焰和熱煙氣的輻射3.1.1引言燃燒現(xiàn)象總是伴隨著熱量的傳遞。傳熱學(xué)理論認(rèn)為，熱量傳遞有傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種基本方式。3.1.2熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(heat conduction)又稱導(dǎo)熱，屬于接觸傳熱，是指在熱量傳遞過程中，物體各部分之間沒有相對位移，僅依靠物質(zhì)分子、原子及自由電子等微觀粒子的碰撞、轉(zhuǎn)動和振動等熱運動等方式產(chǎn)生熱量從高溫部分向低溫部分傳遞的現(xiàn)象。如果定義熱流密度q，則傅里葉定律可以用下式表

2、達(dá)：（3-1）3.1.3熱對流熱對流(heat convection)又稱對流，是指由于流體的宏觀運動而引發(fā)的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混引起熱量傳遞的方式。對流傳熱服從牛頓冷卻公式：3.1.3熱對流 （3-3）（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）表3-2幾種對流換熱過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值范圍3.1.3熱對流圖3-1平板上的絕熱流動邊界層系統(tǒng)(虛線為流動邊界層)3.1.3熱對流圖3-2非絕熱平板上流動邊界層和熱邊界層(虛線表示流動邊界層，實線表示熱邊界層)3.1.3熱對流表3-3常用無量綱數(shù)3.1.3熱對流3.1.4熱輻射物體因其自身溫度而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻

3、射(Radiative heat transfer)。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度越高，輻射出的總能量就越大。黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱輻射能量由斯忒藩-玻耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann)確定，如下式所示：（3-9）實際物體輻射熱流量的計算一般采用斯忒藩-玻耳茲曼定律的經(jīng)驗修訂形式，即：（3-10）3.1.5發(fā)光火焰和熱煙氣的輻射火焰(熱煙氣)輻射依賴于溫度、顆粒濃度和火焰的“厚度”或射線行程平均長度(L)，其輻射率的經(jīng)驗公式與克?；舴蚨上嗨?，即：（3-11）（3-12）（3-13）表3-4部分燃料火焰中碳顆粒的輻射特性3.1.5發(fā)光火焰和熱煙氣的輻射表3-4部

4、分燃料火焰中碳顆粒的輻射特性3.1.5發(fā)光火焰和熱煙氣的輻射3.2燃燒的物質(zhì)輸運物質(zhì)的輸運可以通過以下幾種方式進(jìn)行：(1)分子擴散。這種方式是組分在靜止流體中的輸運，而組分的濃度梯度則成為分子擴散的驅(qū)動力。(2)斯忒藩流。在不可透過的相分界面上有組分產(chǎn)生或消耗，而出于維持組分分布穩(wěn)定的需要產(chǎn)生了流體整體輸運，這中流動即為斯忒藩流。斯忒藩流的驅(qū)動力是除了組分的濃度梯度，還有就是相分界面上組分的產(chǎn)生或消耗源。(3)對流傳質(zhì)。流體流過壁面或液體界面時，在主流與界面間存在濃度差條件下，組分邊混合邊流動的輸運，稱為對流傳質(zhì)。其驅(qū)動力是組分的濃度梯度和整體流(的驅(qū)動力)。(4)煙囪效應(yīng)。氣體組分溫度升高、

5、密度減小時，在空氣浮力作用下的向上輸運稱為煙囪效應(yīng)。冷氣體的向下輸運，則稱逆煙囪效應(yīng)。其驅(qū)動力是浮力與重力共同作用下的體積力。3.2.1分子擴散3.2.2斯忒藩流3.2.3對流傳質(zhì)3.2.4煙囪效應(yīng)3.2燃燒的物質(zhì)輸運3.2.1分子擴散1.費克擴散定律2.組分?jǐn)U散系數(shù)1.費克擴散定律圖3-3費克擴散定律1.費克擴散定律（3-14）（3-15）（3-16）（3-17）（3-18）（3-19）（3-20）（3-21）2.組分?jǐn)U散系數(shù)（3-22）（3-23）（3-24）（3-25）（3-26）2.組分?jǐn)U散系數(shù)圖3-4等摩爾逆向擴散時分壓力變化2.組分?jǐn)U散系數(shù)3.2.2斯忒藩流（3-27）（3-28）

6、（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斯忒藩流圖3-5水面處水蒸氣蒸發(fā)時的斯忒藩流3.2.3對流傳質(zhì)1.對流傳質(zhì)與對流傳質(zhì)系數(shù)2.層流與湍流的影響1.對流傳質(zhì)與對流傳質(zhì)系數(shù)圖3-6平板上的組分濃度邊界層對流傳質(zhì)的總輸運效果也常用類似于對流換熱中牛頓冷卻公式的形式來表達(dá)計算：(3-44)(3-45)1.對流傳質(zhì)與對流傳質(zhì)系數(shù)2.層流與湍流的影響圖3-7平板上速度邊界層的開展2.層流與湍流的影響圖3-8平板流動的邊界層厚度和局

7、部對流傳質(zhì)系數(shù)的變化(2)沉降速率。在計算邊界層特性時，假定發(fā)生過渡的位置在xc處，那么這個位置可用雷諾數(shù)來確定：(3-46)(3-47)3.2.4煙囪效應(yīng)(1)當(dāng)管內(nèi)溫度等于管外溫度，即T0=Ts，0=s時，管內(nèi)外流體處于平衡狀態(tài)，不產(chǎn)生流動，則根據(jù)平衡方程有：(3-48)(2)當(dāng)管內(nèi)溫度不等于管外溫度，即T0Ts時，有：(3-49)(3-50)(3-51)(3-52)3.2.4煙囪效應(yīng)圖3-9煙囪效應(yīng)（3-53）（3-54）3.2.4煙囪效應(yīng)3.3燃燒物理學(xué)基本方程3.3.1引言3.3.2多組分氣體基本參量3.3.3基本方程3.3.4多組分反應(yīng)系統(tǒng)的相似準(zhǔn)則3.3.1引言燃燒(burnin

8、g)是固體、液體或氣體燃料與氧化劑之間發(fā)生的一種猛烈的發(fā)光放熱的多組分化學(xué)反應(yīng)流現(xiàn)象，其反應(yīng)過程總是全部地或者部分地在氣相中進(jìn)行，并且總是伴隨著火焰?zhèn)鞑ズ土鲃?，甚至部分燃燒就發(fā)生在流動的系統(tǒng)中。3.3.2多組分氣體基本參量（3-55）（3-56）（3-57）（3-58）（3-59）（3-60）（3-61）3.3.2多組分氣體基本參量（3-62）（3-63）（3-64）（3-65）（3-66）（3-67）（3-68）（3-69）3.3.3基本方程1.質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)2.組分守恒方程(擴散方程)3.動量守恒方程4. 能量守恒方程1.質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)圖3-10總質(zhì)量守恒微元正六面體1.質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)1.質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)2.組分守恒方程(擴散方程)圖3-11組分守恒微元正六面體2.組分守恒方程(擴散方程)2.組分守恒方程(擴散方程)2.組分守恒方程(擴散方程)3.動量守恒方程4. 能量守恒方程3.3.4多組分反應(yīng)系統(tǒng)的相似準(zhǔn)則1.傳熱與流動準(zhǔn)則2.化學(xué)反應(yīng)或燃燒相似準(zhǔn)則1.傳熱與流動準(zhǔn)則表3-6傳熱與流動準(zhǔn)則2.化學(xué)反應(yīng)或燃燒相似準(zhǔn)則(1)DI1時，tftc，為凍結(jié)流動。(2)DI時，