1、航空发动机燃烧学,主讲人：范 玮,提 纲:,燃烧学发展前景,绪 论,燃烧定义,燃烧现象,燃烧分类,燃烧学发展简史,燃烧的重要性,本课程内容,燃烧的定义强烈放热和发光的快速氧化反应过程。燃烧现象火焰、放热燃烧现象是流动、传热、传质和化学反应同时发生又相互作用的复杂的物理化学现象。,燃烧分类,（1）按化学反应传播的特性和方式分,强烈热分解 特点：化学反应在整个物质内部展开反应速度与环境温度有关,缓燃 （普通燃烧）deflagration, combustion 特点：产生的能量通过热传导、热扩散及热辐射作用传入未燃混合物，逐层加热、逐层燃烧,爆震detonation 特点：冲击波对可爆震混合物一层
2、层强烈冲击压缩作用使其发生高速化学反应,（2）按是否有火焰,有火焰 举例：火花点火发动机,无火焰 特点：容积释热,（3）按燃料和氧化剂是否预先混合,预混燃烧,非预混燃烧,层流预混火焰湍流预混火焰,层流非预混火焰湍流非预混火焰,预混-非预混复合层流火焰：家用煤气灶,基于流动,预混的层流平面火焰和本生灯火焰示意图,逆流非预混层流火焰和顺流非预混层流火焰,（4）按燃料相态,气体燃料燃烧 ：燃烧相对简单,液体燃料燃烧： 存在燃料雾化、蒸发、混合和燃烧,固体燃料燃烧：以煤为例，燃烧过程由预热、干燥、挥发分析出和焦碳生成、挥发分燃烧与焦碳燃烧等一系列阶段构成，是复杂的多相燃烧,提 纲:,燃烧学发展前景,绪
3、 论,燃烧定义,燃烧现象,燃烧分类,燃烧学发展简史,燃烧的重要性,本课程内容,在今后一个相当长的时间里，燃料燃烧仍然是动力生产的主要来源。,燃烧是一门人类最古老的技术，火是人类最早发现和 应用的现象之一。,大约80%的世界能量供应都是由燃烧生成的。,其地位非常重要，无处不在，各行各业（动力、 冶金、建材、化工、交通）乃至日常生活均离不开 能源，任何生产过程不投入必要的能源，都无法进行， 所以它是国民经济的“基础、龙头”。Engles说：“是火和 燃烧的应用促进了人类和世界走向文明”。,燃烧的重要性,The Major Technology & Societal Drivers,health,p
4、ollution & climate,energy,fuels,defense,space,safety,Energy & Fuels,Dwindling petroleum reserve Geopolitical uncertainty in supply stresses global economy & harmony Increasing prosperity of developing, populous countries aggravates demand & competition,Fossil fuels supply 85% of the US energy needs;
5、 petroleum: 40% Energy crisis = Fuel crisis,Pollution & Climate,Pollution continues to be a major concern; however, it is regional and mostly reversible on short time scales Global warming is reversible only on geological time scales, hence considerably more worrisome,Glacier National Park, Montana,
6、1911,2000,The Climate-Energy Coupling: The Feedback Loop,Fossil fuel burning aggravates global warming,Deteriorating climate requires more energy expenditure to sustain living environment,提 纲:,燃烧学发展前景,绪 论,燃烧定义,燃烧现象,燃烧分类,燃烧学发展简史,燃烧的重要性,本课程内容,燃烧学发展简史,燃烧学作为一门科学同其他科学一样，也是随着人类生产 实践的需要而产生和发展的。人类对火及燃烧现象的实践
7、经验至今最少也有50万年的历史。17世纪以后，工业的发展，特别是冶金和化工工业的发展，火的使用范围和规模扩大了。直到18世纪中叶（1750s），发现了氧元素，由俄国科学家罗蒙诺索夫和法国的拉瓦锡提出了可燃物质氧化的学说，才真正揭开了火的秘密。,ALLavosier,热力学（thermodynamics）由热（thermo）与动力学（dynamics）合成，即因热产生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。 在热力学的发展史中，出现了许多有突出贡献的科学家。这里简单的给出一些：,19世纪由于热力学与热化学的发展，把燃烧过程作为热力学平衡 体系，建立了燃烧热力学。,J .G. Maxwell,RMa
8、yer,JPJoule HHelmholtz LKelvin SCarnotRClausius JWGibbs WHNernst L.Boltzmann,20世纪初，美国化学家路易斯和俄国科学家谢苗诺夫等发展了燃烧反应动力学的链锁反应机理。20世纪初到30年代，开始建立了研究燃烧动态过程的理论，提出了火焰物理的一些基本概念，例如最小点火能、火焰传播等概念；从30年代到50年代，逐步从反应动力学和传热、传质相互作用的观点建立了着火、火焰传播和湍流燃烧的规律。 50年代到60年代，冯卡门首先提出用连续介质力学来研究燃烧基本现象，逐渐发展成反应流体力学。,Karman涡街 湍流的力学相似原理,The
9、odore von Karman (1881-1963),1960s，在测试方面，由于激光技术的兴起，将光测这种非接触性测量技术引入到燃烧学的研究，提高了对燃烧条件下各种参数的测量精度，发展了燃烧试验和诊断理论。,1970s初，随着大型计算机的出现，英国斯帕尔汀（Spalding）、Partanker、Swithenbank比较系统地把计算流体力学方法用于燃烧研究，建立了燃烧的物理模型和数值计算方法，形成了“计算燃烧学”。从此燃烧学的研究进入从定性到定量、从宏观到微观的新阶段。,目前，燃烧学在实验、计算、测试等方面形成了几大分支，齐头并进，正朝着更深入、全面、精确的方向发展。,提 纲:,燃烧学
10、发展前景,绪 论,燃烧定义,燃烧现象,燃烧分类,燃烧学发展简史,燃烧的重要性,本课程内容,Concerns on the Future of Combustion,Is combustion still intellectually stimulating? Is combustion a mature science? Is there future in combustion?,Some Roles of Combustion,Combustion characteristics of fuels that are hydrogen-enriched, carbon-neutral in
11、production, or coal-derived System studies of combustor, sensors, fuels, & processes as an integral unit (e.g. design engine based on fuel) Apply combustion knowledge to alternate energy/fuel productions: fuel cells, nuclear, & biological,Combustion at the Extreme,The supers: Supercritical combustio
12、n Supersonic combustion Supernova,The minis & micros: Micro-combustors, micro-sensors Lab-on-a-chip, Chemical plant on a chip Nano-particles,Phenomena prevail at the edge of the envelop of usual combustion parameters,Supernovae,Exploding stars of few seconds duration; light emission entire galaxy Fu
13、ndamental phenomena:- Rayleigh-Taylor unstable (106g)- Highly turbulent (Re1014) - Highly temperature sensitive (T12 at 1010 K) and complex nuclear reactions- Deflagration-to-detonation transition (DDT),E.S. Oran,The New Sciences,Materials science,Nano-science & technology,Info science & cyber combu
14、stion,Bio-inspired science,Answers to Concerns (1/3),Combustion is a beautiful science, and remains intellectually stimulating Combustion has entered the period of quantitative science Combustion remains vital to technological and societal needs Heightened relevance with recent concerns on energy an
15、d climate Combustion has much to offer to the new sciences: embrace them!,Answers to Concerns (2/3),Extend the scope of combustion:,Answers to Concerns (3/3),Current slowdown is cyclical; anticipate a period of robust growth Future in combustion is bright for the younger generation,提 纲:,燃烧学发展前景,绪 论,燃烧定义,燃烧现象,燃烧分类,燃烧学发展简史,燃烧的重要性,本课程内容,本课程内容,燃烧学是一门研究燃烧现象及其基本规律的科学。 涉及热力学、化学动力学、流体力学、传热学等诸多学科。本课程包含燃烧学基础部分和应用部分两个方面内容。基础部分包括：热化学、一维燃烧波、化学动力学、多组分输运、理想反应气体混合物的守恒方程、预混层流火焰的传播和稳定、着火和熄火、预混湍流火焰、气相非预混火焰、高速气流中点火、火焰传播和稳定、液体燃料的扩散火焰等，这是各类与燃烧相关专业的通用内容；应用部分主要叙述航空发动机中的燃烧相关问题，占总学时的1/4。,谢 谢！,
