煤燃烧火焰
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燃烧科学的发展简史

对火的认识


燃烧是物质剧烈氧化而发光、发热的现象，这种 现象又称为“火” “摩擦生火第一次使人类支配了一种自然力，从 而最终把人和动物分开” 火的使用是人类出现的标志之一 第一次产业革命(18 世纪60 年代)在英国出现， 其标志就是蒸汽机的产生，这是人类在火(燃烧) 现象的长期知识和经验积累的结果
燃烧学
第一讲 第 讲
李晓东
导论
扩散火焰
预混火焰
为什么学习燃烧学?

火是人类文明的标志 燃烧现象无处不在 燃烧是化学发展的主线 燃烧是能源贡献的主要方式 燃烧是大气环境污染的主要来源
课程目的：从物理化学角度认识燃烧过程
燃烧的定义

燃烧 —燃料和氧化剂两种组分在空间激烈 地发生放热化学反应的过程 燃烧的两个特征：发光、发热 燃烧过程是一个复杂的物理、化学的综合 过程，它包括燃料和氧化剂的混合、扩散、 预热、着火以及燃烧、燃烬等过程


上世纪 80 年代，英、美、俄、日、德、中、法 等的工作，形成了“计算燃烧学” ； 定量预测燃烧过程和燃烧技术，使燃烧理论及 其应用达到了 个新的高度 其应用达到了一个新的高度； 燃烧过程测试手段的进展，先进的激光技术， 现代质谱、色谱等光学，化学分析仪器，改进 了燃烧实验的方法，提高了测试精度，研究燃 烧过程的各种机理； 燃烧学在深度和广度上都有了飞跃的发展。

Reacting flows
从化学反应流到反应流的定义变迁
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课程内容


第六讲：湍流燃烧理论与模型，这是目前发展较快的新 的理论成果，介绍经典的表面皱折和容积燃烧两种湍流 燃烧模型；

第一讲： 导论 第二讲：主要介绍化学热力学基础知识和化学动力学的 基础知识; 第三讲：将对燃烧物理学基本方程进行分析，重点介绍 斯蒂芬 （ Stefen St f ）流和相分界面上边界条件，以加深 ）流和相分界面上边界条件 以加深 对燃烧反应边界条件的认识 第四讲：经典的燃料的着火理论，内容包括经典的热力 爆燃理论，点火理论和强迫着火理论。 第五讲：火焰传播理论，主要介绍正常火焰传播和火焰 稳定的基本原理及这一理论用于燃烧稳定的方法的理论 基础；

新能源和可再生能源
新能源： 新能源又称非常规能源。是指传统化石能源之外的各种 能源形式。新能源通常指核能、太阳能、风能、地热能、 氢气、生物质能等。新能源包括了核能源和可再生能源。 可再生能源： 具有自我恢复原有特性，并可持续利用的一次能源。根 据联合国1981年新型能源和可再生能源会议的定义，包 括太阳能、水力发电、风能、生物质能、海洋热波浪力 能等十多种，主要指常规化石能源以外的可再生能源。 《中华人民共和国可再生能源法》 适用范围为：风力发电、生物质发电（包括农林废弃物 直接燃烧和气化发电、垃圾焚烧和垃圾填埋气发电、沼 气发电）、太阳能发电、海洋能发电和地热能发电。
冯·卡门
燃烧学的不断发展(续）

燃烧学的不断发展(续）

斯波尔丁 (D.B.
Spalding ，国际计算流体与计算传热的主要
创始人、英国帝国理工大学)在上世纪六十年代后期首

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，斯波尔丁和哈洛在 继承和发展了普朗特，雷诺和周培源等人的 工作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的 研究，提出了一系列的湍流输运模型和湍流 燃烧模型，并成功地对一大批描述基本燃烧 现象和实际的燃烧过程进行了数值求解。

The Hottel Lecture

Combustion at a Crossroads: Status and Prospects
C. K. Law Princeton University


Answers to Concerns (2/3)

Extend the scope of combustion:
我国生物质资源
(单位：亿吨标准煤 /年 )
城市垃圾 0.26 禽畜粪便 1.3 工业废弃物 0.35 农作物秸秆 3.3
林业生物质 1.25
中国工程院《中国可再生能源发展战略研究》2007
我国每年可供能源开发的废弃农作物秸秆量相当于2亿多吨标准煤， 如用于发电可提供4551亿度电能，这相当于2005年全国发电量的20%
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激光诱导荧光仪（ PLIF ）
红外热重色谱联用仪
飞行时间质谱仪
原子吸收光谱仪 色质联机

通过检测火焰中活性分子在特定波长的脉冲激光照射 下诱导发射出的荧光光谱信号，获知火焰中气态中间产 物的分布以及温度分布等特性。
Simutaneous PLIF of CH2O & CH
燃烧的应用领域

动力来源：锅炉、蒸汽动力、发动机 热源：冶金、化工、玻璃、化肥、水泥、 陶瓷 石油化 陶瓷、石油化工 生活：采暖、做饭 高温高压高速燃烧：火箭

燃烧技术的研究
主要是应用上述理论研究的结果来解决工程技术中 的各种实际问题：

燃烧科学研究方法

燃烧方法的改进及新的燃烧方法的建立 燃 燃 燃烧过程的组织，提高燃料利用率，拓宽燃烧 利用范围 改善燃烧产物的组成，实现对燃烧过程的控
燃烧科学发展最重要的形式是理论的更替，而理 论的更替正是科学实践的结果，也就是研究方法 的更替，从燃烧学发展的简史可以看出，仅有实 验的力量并不能决定理论的正确与否，如燃素说 的基础也是实验，但得到的却是错误的理论，燃 烧理论的建立是实验研究和理论总结的结合。 由于燃烧过程的复杂性，到目前为止，燃烧科学 的研究，仍然以实验研究为主，但理论和数学模 型的方法正显得越来越重要。

Answers to Concerns (1/3)

Combustion is a beautiful science, and remains intellectually stimulating 美丽的科学! Combustion has entered the period of quantitative science Combustion remains vital to technological and societal needs Heightened relevance with recent concerns on energy and climate Combustion has much to offer to the new sciences: embrace them! 值得我们去拥抱它!
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燃烧的危害

大气有害污染物质

火灾：损失无法估量 大气污染：酸雨、温室效应
颗粒物： 指大气中液体、固体状物质，又称总悬浮物 硫氧化物： 是硫氧化物的总称 氮氧化物： 是氮氧化物的总称 碳的氧化物： 主要包括二氧化碳和 主要包括二氧化碳和一氧化碳 氧化碳 其它特殊有害物质： ※ 碳氢化合物：是以碳元素和氢元素形成的化合物， 如甲烷、乙烷以及多环芳烃等 ※ 持久性有机污染物（含氯有机污染物二恶英） ※ 重金属


制，控制燃烧过程污染物的形成与排放等等
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燃烧过程的数学方法

数学模型方法


在流体力学、反应动力学和其他物理化学方程的 基础上，提出化学流体力学的全套方程组 目前的数学尚无力论证这组方程的通解和解的存 在性，这与通常的人们在一般条件下通过把体现 燃烧理论的那些基本方程的解与实验研究对比的 方法来检验和发展理论的过程不相一致，致使燃 烧学长期停留在实验、总结的阶段。
火是神的贡献，是普鲁米修斯为了拯 救人类的灭亡，从天上偷来的 在我国，燧人氏钻木取火的故事更为 切合实际和动人 但这些离火的本质相距甚远


燃素论

十七世纪末叶德国化学家贝歇尔(J.J.Becher) 和斯塔尔(G.E.Stahl,1660～1734)提出燃素论解 释燃烧现象 一切物质之所以能够燃烧，都是由于其中含有被 称为燃素的物质 一切与燃烧有关的化学变化都可以归结为物质吸 收燃素与释放燃素的过程
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燃烧学的不断发展(续）

燃烧学的不断发展(续）


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， 从而阐明了燃烧过程中一些最重要的平衡 热力学特性，如燃烧反应的热效应、 力学特 如燃烧 应 效应 燃烧 产物平衡组成、绝热燃烧温度、着火温度 等 热力学成为燃烧现象认识的重要而唯一的 基础

燃素逸至空气中时就引起了燃烧现象，逸出的 程度愈强，就愈容易产生高热、强光和火焰。 物质易燃和不易燃的区别，就在于其中含有燃 素量的多寡不同

这一学说对于许多燃烧现象无法说明：


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?
燃烧学的不断发展

燃烧学的不断发展(续）
OLD DEFINITION
Answers to Concerns (3/3)

Chemically reacting flows with large exothermicity Reacting flows activation energy
NEW DEFINITION
Current slowdown is cyclical; anticipate a period of robust growth Future in F i combustion b i is i bright b i h for f the h younger generation 周期性低潮, 光明的未来!
近年来计算机的迅猛发展，提供了一套在一般条 件下用数值方法求解上述方程组的可能性，可以 求出各种理论数学模型的解，通过把该解与相应 的实验 究结 的实验研究结果对比、检验、发展和优化的理论 检验 发 优化的 论 模型，从而深入认识现有燃烧过程，预示新的燃 烧现象，进一步揭示燃烧规律。 燃烧理论与错综复杂的燃烧现象有机地联系起来， 使燃烧学科上升到系统理论的高度。