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  2. 燃燒學常識


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     燃燒學常識


    燃燒學是研究燃燒現象、實踐和理論的科學。燃燒是涉及到化學、熱力學、傳熱傳質學和流體力學等問題的復雜過程。

    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,并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、傳熱和傳質并存、相互作用的綜合現象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 燃燒學 燃燒學 耗盡,并得出完全燃燒產物。油氣比大于化學恰當比的混合氣稱為富油混合氣,反之為貧油混合氣?;旌蠚獾闹鸱椒ㄓ袃煞N:混合氣達到一定溫度時將發生自燃;否則要借助點火源來著火。發動機中多數使用后者(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借助點火源而著火,此時若將點火源撤離,火焰仍可在其中繼續傳播。因此,這個范圍的邊界稱為著火極限(分富油極限和貧油極限)。

    火焰傳播速度

    在靜止或層流流動的均勻混合氣中,火焰前鋒(簡稱焰鋒)沿法向相對于新鮮混合氣的推進速度稱為層流火焰傳播速度?;鹧嬖谖闪髁鲃踊旌蠚庵械膫鞑ニ俣确Q為紊流火焰傳播速度。由于紊流的影響,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?;鹧鎮鞑ニ俣仁怯脕碛嬎愫徒M織燃燒過程的重要數據,一般通過實驗來確定。

    燃燒波

    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于這種類型。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沖擊波,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。

    火焰穩定

    當氣流沿焰鋒的法向分速度等于火焰傳播速度時,火焰穩定,不會被氣流帶走而熄滅??諝鈬姎獍l動機燃燒室中的平均氣流速度大大超過火焰傳播速度,因此必須采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)。

    擴散火焰

    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,在那里進行混合和燃燒,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。

    火箭.jpg

    液體推進劑的燃燒

    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,并維持恒壓燃燒。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。由于推進劑燃燒過程非常復雜,對它們的分析和組織仍有賴于經驗。噴注器的型式、數量和配置以及燃燒室形狀是影響穩定恒壓燃燒的重要因素。

    固體推進劑的燃燒

    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)也屬燃燒學范疇。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。


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