燃燒學

燃燒學是研究著火、熄火和燃燒機理的學科。燃燒是指燃料與氧化劑發生強烈化學反應，並伴有發光發熱的現象。燃燒不單純是化學反應，而是反應、流動、傳熱和傳質並存、相互作用的綜合現象。

燃燒學的研究內容通常包括燃燒過程的熱力學，燃燒反應的動力學，著火和熄火理論，預混氣體的層流和湍流燃燒，液滴和煤粒燃燒、液霧、煤粉和流化床燃燒，推進劑燃燒，焊震燃燒，邊界層和射流中的燃燒，湍流和兩相燃燒的數學模型，以及燃燒的激光診斷等。

遠古時代，火的使用使人類從野蠻狀態走向文明。十世紀以前，人們認為物質燃燒取決於一種特殊的“燃素”。18世紀中葉，法國化學家拉瓦錫和俄國科學家羅蒙諾索夫根據他們的實驗，分別提出燃燒是物質氧化的理論。

19世紀，人們用熱化學和熱力學方法研究燃燒，發現了燃燒熱、絕熱燃燒溫度和燃燒產物平衡成分等重要特性。20世紀初，蘇聯化學家謝苗諾夫和美國化學家劉易斯等人發現，影響燃燒速率的重要因素是反應動力學，而且燃燒反應有分枝鏈式反應的特點，即中間生成物可以加速燃燒過程。

20 世紀20年代，蘇聯科學家澤利多維奇、弗蘭克·卡梅涅茨基和美國的劉易斯等又進一步發現：燃燒現象，無論是著火、熄滅和火焰傳播，還是緩燃和爆震等，都是化學反應動力學和傳熱傳質等物理因素的相互作用。

在研究了預混火焰和擴散火焰、層流燃燒、湍流燃燒、液摘燃燒和碳粒燃燒等基本規律之後，人們認識到，控制燃燒過程的主導因素往往不是化學反應動力學，而是流動和傳熱傳質，於是初步形成燃燒理論。

20世紀40～50年代，由於航空、航天技術的發展，使燃燒的研究由一般動力機械擴展到噴氣發動機、火箭和飛行器頭部燒蝕等問題中，並取得了迅速的發展。因此，力學家卡門和中國的錢學森建議用連續介質力學方法來研究燃燒，提出了“化學流體力學”這一名稱。許多人運用粘性流體力學和邊界層理論對層流燃燒、湍流燃燒、著火、火焰穩定和燃燒振蕩等問題進行了更深入的定量分析。

到了20世紀70年代初，由於高速電子計算機的出現，英國科學家斯波爾丁等人提出了一系列流動、傳熱傳質和燃燒的數學模型和數值計算方法，把燃燒學的基本概念、化學流體力學理論、計算流體力學方法和燃燒室的工程設計有機地結合起來，開闢了研究燃燒理論及其應用的新途徑。

70年代中期以來，應用激光技術測量燃燒過程中氣體和顆粒的速度、溫度和濃度等，加深了對燃燒現象的認識。

燃燒學是一門正在發展中的學科。能源、航空航天、環境工程和火災防治等方面都提出了許多有待解決的重大問題，諸如高強度燃燒、低品位燃料燃燒、煤漿(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃燒、流化床燃燒、催化燃燒，滲流燃燒、燃燒污染物排放和控制、火災起因和防止等。

燃燒學的進一步發展將與湍流理論、多相流體力學、輻射傳熱學和複雜反應的化學動力學等學科的發展相互滲透、相互促進。

燃料迅速氧化，放出熱量併產生可見火焰的物理化學過程。燃燒時必須同時有燃料和氧化劑。在吸空氣的發動機中燃料往往是燃油，氧化劑一般是空氣中的氧。燃油與空氣以一定的比例混合進行燃燒時，混合氣中燃油與空氣的重量比稱為燃油-空氣比，簡稱油氣比。每一種燃油都有它的化學恰當油氣比數值，在這油氣比下，混合氣燃燒后燃油和氧按化學計量式應同時 耗盡，並得出完全燃燒產物。油氣比大於化學恰當比的混合氣稱為富油混合氣，反之為貧油混合氣。混合氣的著火方法有兩種：混合氣達到一定溫度時將發生自燃；否則要藉助點火源來著火。發動機中多數使用後者（見發動機起動）。靜止的均勻混合氣在一定的溫度和壓力下一般可藉助點火源而著火，此時若將點火源撤離，火焰仍可在其中繼續傳播。因此，這個範圍的邊界稱為著火極限(分富油極限和貧油極限)。

在靜止或層流流動的均勻混合氣中，火焰前鋒(簡稱焰鋒)沿法向相對於新鮮混合氣的推進速度稱為層流火焰傳播速度。火焰在紊流流動混合氣中的傳播速度稱為紊流火焰傳播速度。由於紊流的影響，火焰表面變得非常粗糙，化學反應區擴大，故紊流火焰傳播速度比層流火焰傳播速度大得多。烴類燃料的火焰傳播速度一般層流是數十厘米每秒，紊流約為層流的兩倍。火焰傳播速度是用來計算和組織燃燒過程的重要數據，一般通過實驗來確定。

在燃燒室中混合氣點燃后，火焰前鋒即向新鮮混合氣推進形成燃燒。在混合氣中傳播的焰鋒表面稱為燃燒波。燃燒波的類型有兩種：爆燃波和爆震波，視油氣比大小和容器封閉情況而定。爆燃波的傳播速度是低亞音速的，噴氣發動機中的燃燒過程屬於這種類型。當燃燒區的壓力和溫度高達一定數值后，燃燒波就成為爆震波，爆震波的傳播速度為超音速，可高達5000米/秒。它是一種伴有化學反應的衝擊波，波后的壓力和溫度可增高很多，具有很大的破壞性，必須避免在一般發動機中發生爆震波。

當氣流沿焰鋒的法向分速度等於火焰傳播速度時，火焰穩定，不會被氣流帶走而熄滅。空氣噴氣發動機燃燒室中的平均氣流速度大大超過火焰傳播速度，因此必須採用各種有效方法造成局部低速區來滿足火焰穩定條件（見燃燒室、加力燃燒室）。

在發動機燃燒室中的混合氣實際上不是均勻的，在混合氣中燃油蒸氣和周圍空氣中的氧氣相互擴散到達反應區，在那裡進行混合和燃燒，這時形成的火焰稱為擴散火焰。擴散火焰的燃料可以是氣態的（如氣態燃料射流火焰）、液態的(如液滴和液滴群燃燒)和固態的（如煤粉燃燒）。同時存在氣體、液體和固體燃料或任意兩種相態時，稱為兩相或多相燃燒。擴散火焰又可分為層流擴散火焰和紊流擴散火焰。

液體火箭發動機使用的液體推進劑一般是二元或單元的。它們又可分為自燃和非自燃的。二元推進劑的燃料和氧化劑通過燃燒室頭部的噴注器以高速射流注入燃燒室，形成液滴群，它們相互撞擊，霧化，蒸發，同時伴隨傳熱傳質過程。在正常情況下，點火后燃燒室內發生氣相和液相化學反應，並維持恆壓燃燒。單元推進劑是能進行可控放熱分解或燃燒的液體，因此只要把它噴射到燃燒室中去即可。由於推進劑燃燒過程非常複雜，對它們的分析和組織仍有賴於經驗。噴注器的型式、數量和配置以及燃燒室形狀是影響穩定恆壓燃燒的重要因素。

見火箭發動機燃燒不穩定性。燃燒學還研究點火、燃油的霧化和蒸發、油珠和油霧的燃燒、不穩定燃燒和超音速燃燒等問題。燃燒引起的污染（見排氣污染）也屬燃燒學範疇。隨著計算機技術的迅速發展，一門新的計算燃燒學學科正在興起，用數學模型研究燃燒過程，可以減少大量的試驗工作，使許多問題研究得更加深入。

燃燒學是一門正在發展中的學科。能源、航空航天、環境工程和火災防治等方面都提出了許多有待解決的重大問題，諸如高強度燃燒、低品位燃料燃燒、煤漿(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃燒、流化床燃燒、催化燃燒，滲流燃燒、燃燒污染物排放和控制、火災起因和防止等。燃燒學的進一步發展將與湍流理論、多相流體力學、輻射傳熱學和複雜反應的化學動力學等學科的發展相互滲透、相互促進。

機械學、傳熱學、工效學、機械動力學、摩擦學、汽車力學、地面車輛力學、機構學、工程熱力學、人機工程學、系統工程學。

書 名: 燃燒學

作　者：徐通模

出版社：機械工業出版社

出版時間： 2011年1月1日

ISBN: 9787111314417

開本： 16開

定價: 36.00元

《燃燒學》共三篇，從內容編排上分三個層次和七個章節展開。第一篇為學習燃燒學必須掌握的燃燒化學反應動力學和以動量、熱量、質量傳遞為核心的燃燒空氣動力學，這是燃燒學的理論基礎；第二篇為燃燒科學內在的基本原理和規律，著重介紹燃料著火理論，氣、油、煤燃燒過程特點；第三篇為啟迪讀者深入思考的幾個熱門科技命題：燃燒過程中NOx的生成和控制、催化燃燒，燃燒數值模擬及燃燒實驗的相似原理和模化方法等。全書各章都附有思考題和習題，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容。《燃燒學》可作為高等學校動力工程與工程熱物理學科本科生教材，也可作為燃燒科技領域的研究生和工程技術人員以及廣大燃燒科學愛好者有益的參考書。

徐通模，1939年11月生，西安交通大學教授、博士生導師，國家級有突出貢獻中青年專家。1961年7月畢業於西安交通大學動力機械製造系鍋爐製造專業。近50年來。一直從事熱能工程領域氣固兩相流及燃燒學科的教學和科研工作。主講燃燒學、流體力學、鍋爐原理、燃燒科學與技術的近代進展等本科及研究生課程。

前言

第一篇 燃燒基礎

第一章 燃燒化學反應動力學基礎

第二章 燃燒空氣動力學基礎——混合與傳質

第二篇 燃燒原理

第三章 著火理論

第四章 氣體燃料燃燒

第五章 液體燃料燃燒

第六章 煤的燃燒

第三篇 燃燒科學技術的新發展

第七章 燃燒科學技術發展中的幾個科學問題

參考文獻