第1章导论 口■他口是整”口”盟 APTER 19401945195019551960196519701975198019851990199g 年份 图1.1美国1940一1996年间颗粒物污染的趋势。（图例从左到右相应在图中标 识为从上到下。资料来源：文献[6]。注：1短吨=907.1847kg) 35 1940 1950 1960 970 1980 1990 年 图1.2美国1940一1996年间硫氧化物污染的趋势。（图例从左到右相应在图中 的标识为从上到下。资料来源：文献[6]) 令人惊讶的是，只有极少的工程师有一些粗略的燃烧知识，这与我们社会中燃烧的重要 性不相配。然而由于已经存在的课程结构，期待对这一主题比现在得到更多的关注是不现 实的。但是，具有一些燃烧知识背景的工程师可以获得更多的机会来发挥他们的专长。学 习燃烧除了上述纯粹的实用动机外，这一课题本身可以把所有热科学问题结合在一起，同时 还将化学引人了实际的工程中，从而激发我们的兴趣
口他■鞋口化工口”口然口道路 25 三15 194019501960197019801990 年份 图1.3美国1940一1996年间氨氧化物污染的趋势。（图例从左到右相应在图中 的标识为从上到下。资料来源：文献[6]) 3为口其他国杂混项口化工■储运业口装■斑数口该州口道路颜 1940 1950. 1960 1970 1980 1990 年份 图1.4美国1940-1996年间挥发性有机物污染的趋势，（图例从左到右相应在图 中的标识为从上到下。资料来源：文献[6])
第1章导论 150口其他■垃圾口化工■治金口杂混项■其他口非道口道路源 处置 燃烧源路源 25 19401945195019551960196519701975198019851901995 年份 图1.5美国1940一1996年间一氧化碳污染的趋势。（图例从左到右相应在图中的标 识为从上到下。资料来源：文献[6]) 1.2燃烧的定义 韦伯词典提供了一个最基本的燃烧定义：“产生热或同时产生光和热的快速氧化反应； 也包括只伴随少量热没有光的慢速氧化反应”。在本书中，我们将燃烧定义限定在快速反应 的部分，因为绝大部分燃烧设备属于这一范畴。 这一定义强调了化学反应在燃烧中固有的重要性。它也强调了燃烧为什么是这样重 要：燃烧将储存在化学键中的能量转变为热，并用于很多用途。本书会阐释许多实际的燃 烧应用。 1.3燃烧方式与火焰种类 燃烧以有火焰和无火焰两种方式进行。火焰依次可以划分为预混火焰和非预混（扩散】 火焰。燃烧的有火焰和无火焰方式的不同可以用发生在电火花点火发动机中的过程来解释 (图1.6)。在图1.6()中，存在一个在非燃烧的燃料-空气混合物中传播的很薄的区域，其 中发生着激烈的化学反应。这一很薄的区域就是我们通常说的火焰。在火焰后面是灼热的 燃烧产物。随着火焰在燃烧空间的运动，未燃气体中的温度与压力升高，在一定的条件下 (图1.6(b),未燃气体中的很多部位都发生了快速的氧化反应，导致了在整个区域的非常 快速的燃烧。这一在发动机内十分重要的空间热释放现象叫作自点火。非常快速的压力升 高导致了典型的发动机爆震声。爆震是不希望发生的，最新的艰巨任务就是在采用了无铅
汽油后如何最大限度地减少爆震的发生①。当然，在柴油机的压燃中，采用自动点火来开始 燃烧过程。 火花闲 正在传播中的火焰 火花塞 未燃烧燃料与 空气的混合物 ( (b) 图1.6火花点火引擎中的火焰(a)和无火焰(b)燃烧模式。 两种典型的火焰，顾名思义，预混合非预混（扩散）是表示了反应物的混合状态。在预混 火焰中，燃料与氧化剂在有明显的化学反应发生之前达到在分子水平上的混合。电火花点 火是典型的预混火焰的例子。相对地，在扩散火焰中，反应物开始是分开的，反应只发生在 燃料与氧化剂的交界面上。在这一交界面上混合与反应同时发生。蜡烛燃烧就是扩散火焰 的例子。在实际的设备中，两种不同的火焰形式都会有不同程度的体现。柴油发动机燃烧 一般来说既有预混的燃烧又有扩散（非预混）燃烧，而且同等重要。术语“扩散”严格地用于 化学组分之间的分子扩散，即燃料分子从一个方向向火焰扩散，同时氧化剂分子从另一个方 向向火焰扩散。在湍流非预混火焰中，湍流将燃料和空气在更宏观的层次上进行对流混合。 然后在更小的尺度上进行分子混合，即分子扩散，完成混合过程且发生化学反应。 1.4学习方法 我们从考察最重要的物理过程或科学原理来开始燃烧的学习。这些过程形成了燃烧科 学最基本的框架：第2章中的热化学；第3章中质量（和热）的分子传递；第4章和第5章 的化学动力学，以及在第6章和第7章中将上述这些与流体力学联系起来。在后续的章节 中，我们将应用这些基本原理来理解层流预混火焰（第8章）和层流扩散火焰（第9章和第 10章)。在这些层流火焰中，相对比较容易看出基本的守恒原理是如何应用的。绝大部分 的燃烧设备是在湍流流动中工作的，但在这种情况下应用理论概念要困难得多。第11~13 章涉及湍流火焰及其应用。最后的章节包括以碳的燃烧为例的固体燃烧（第14章）；污染 昌功朵都是资“My发男的四乙蓬经具有诚少强发的作用·这使得内慈机的压缩比得到带大，从面使效事
第1章导论 物（第15章）和爆震（第16章）。 本书的主要目的是尽可能提供一个足够简单的处理燃烧的方法，以使从来没有涉及过 这一主题的学生能够对其原理和实用两个方面都能有所领会。此外，还希望由此激发出同 学学习的动力，从而成为更高级的研究者或实际的工程师，进一步去学习这一令人神往的 领域。 1.5参考文献 1.U.S.Department of Energy,"1996 Annual Energy Review,"DOE/EIA-0384(96). 199.(Sce also http://www.eia.doe.gov/bookshelf.html.) 2.Corporation for Public Access to Science and Technology.http://www.cpast.org/. DepartmenMav99 Consumption Estimates 3 US Department of Ene rgy 4.Bluestein,J.,"NOs Controls for Gas-Fired Industrial Boilers and Combustion Equipment:A Survey of Current Practices,"Gas Research Institute,GRI-92/ 0374.October 1992. 5.Tresouthick.S.W.."The SUBJET Process for Portland Cement Clinker Production."presented at the 1991 Air Products International Combustion Symposium,24-27 March 1991. 6.U.S.Environmental Protection Agency."National Air Pollutant Emission Trends 1940-1996."EPA-454/R-97-011.December1997