燃烧学导论：概念与应用_1-280
中文版前言
能源在我们日常生活中的重要性是无论如何也不能低估的。用各种 能源产生的电点亮了我们的家、学校、商业区和工作环境。液体燃料几乎 提供了我们所有的机动车能源：摩托车、小汽车、货车、公交车、火车和飞 机。各种能源还用于各种产品的制造过程：从小小的别针到高达20层楼 高的巨大索斗式掘煤机。大量使用能源正是现代社会的象征。
只要略加注意就会发现，终端使用的能源主要来自矿物燃料的燃烧。对 于所有的终端使用部门，如民用居住、商业、工业和交通都是如此。根据美国 能源信息处的报告，中国在2004年的总发电量为20797亿 kW·h, 其 中 81 .8%来自矿物燃料的燃烧。发电的第二大来源是水电，占15.8%。2004 年中国有总能源消耗是59.6×10¹⁵Btu( 即21 .5亿t 标煤，译注),其中矿物 燃料占了近94%(煤69%,油22%,天然气3%)。这些数字清楚地表明了 燃烧在中国的重要性。尽管不同的国家矿物燃料产生的能源的量有所不 同，但从全球来看，矿物燃料占有绝对主导的地位，这就意味着燃烧在全世 界都是一个重要的问题。
世界根据燃烧这一事实提出一系列有趣且有挑战性的课题：矿物燃料 的采矿和钻探；广泛使用中的燃料的有效使用；燃烧产生的空气污染物的 控制，包括传统的空气污染物(氮氧化物、硫氧化物、 一氧化碳等),也包括 空气毒物(如汞等)和温室气体(二氧化碳、甲烷和氮氧化物等)。空气污 染问题由于将水的使用和垃圾填埋与煤的燃烧交织在一起而更趋复杂， 比如，飞灰和二氧化硫的控制就会带来大量的固体废物需要进行妥善的 处置。
当代的燃烧工程师会感到有很多问题需要去解决。燃烧，特别是煤的 燃烧，它是 CO₂ 的首要来源，是造成全球气候变化的主要温室气体。创造 出零碳(CO₂) 或近零碳排放的有用的能源的可行方法是目前全球研究的热 点。在未来几十年中，产生零碳排放的能源将是一个主导的方向。对燃烧 工程师的一个直接相关的问题是从纤维素生产生物质燃料及其使用。这 些燃料既可以再生，又可实现零碳排放。
要创造有效的、环境友好的用燃烧产生的能源，需要燃烧过程的基础知识和实用知识。作者和译者将这本书呈现给你，就是帮助你理解燃烧原理的基本内容。 而这些基本的原理可以用于解决实际问题，同时还可以作为这一令人兴奋的领域的深入学 习的入门书。我们希望通过对这本书的学习可以帮助你去从事你所在地区、你的国家和全 世界所面临的问题。
Stephen R.Turns
2008年5月于美国宾夕法尼亚州大学城
第2版前言
与第1版一样，第2版的目的有两个：首先是采用相对简单和易于理
解的分析来介绍燃烧的基本概念；第二是引入各种实际应用，并与各种理 论概念相联系以激发学习兴趣。本书既可以用于机械工程和相关领域的 本科教学，又可供工程师们自学。
作者和许多同行还发现本书可以作为研究生在燃烧学领域的初级教 程。当然，本书单独使用可能无法满足这一要求，教师需要提供相应的更 详细的素材和高级课题。尽管如此，许多同行利用本书还是很成功的。 第2版特别为此在某些方面提供了更多及更深入的讨论。如第7章中增 加了一节讨论多组分扩散和热扩散。在第7章和第8章中，还增加了包 括多组分和热扩散的一维能量方程的推导，其形式与位于美国加利福尼 亚州利弗莫尔的圣地亚国家实验室发展的几种火焰程序所用的形式相 同。在课程中，教师可以很好地将这些程序与 CHEMKIN 软件结合起来 使用。同样，第9章中增加了一节来讨论对冲扩散火焰。这些增加的内 容不会降低本书用于更低年级的可能性。这些高级的课题相对独立，可 以略过而不会影响其连续性。此外，增加的内容并不多，这样教材的总长 度也没有明显的增加。本书还保持了原有的通俗易懂和结构紧凑的写作 风格。
第2版的变化还包括第2章中附加了一个燃料分子结构的简单讨论。 这一附录对于领会第2章中许多热化学概念是很有用的，同时也为第4章 和第5章中出现的化学动力学概念提供了背景知识。第4章中还增加了关 于局部平衡和特征时间尺度的讨论。而第5章则加入了甲烷燃烧动力学方 面的最新成果(GRI-Mech), 并且引入了甲烷-空气燃烧反应途径的图解以 给出甲烷燃烧动力学的清晰和完整的图像。第6章增加了一个全混流反应 器化学反应动力学的例子，是与CHEMKIN 软件联用的又一个例子。在第 8章中，增加了对预混火焰结构方面的讨论，使我们对这一重要课题有更清 晰、更详细的了解。另外还专门增加了爆震一章(第16章),以满足在课堂 上希望包括这一内容的要求。逻辑上讲，这一部分内容可以跟在第2章或
第8章后。许多章节中还增加了习题和例题。对于那些需要用或最好用计算机来求解的习题进行了专门标注。配书光盘中的计算机软件也根据 Windows 操作系统 的要求进行了更新。
作者希望这一新版书能继续为把本书作为基础教程的人员服务，同时本版中新增加的 内容能使本书用于高年级的课程学习。
Stephen R.Turns
于美国宾夕法尼亚州大学城
第1版前言
许多学工程的学生对燃烧和燃烧应用有很高的兴趣。尽管在许多大 学中开设有燃烧或与燃烧相关的大学生高年级课程，然而为这样的课程找 一本合适的教科书却是一件难事。本书是为满足燃烧入门的课程，特别为 大学生学习而设计的。作者在美国宾夕法尼亚州州立大学讲授一门燃烧 导论课，并需要写出一本导论性的教科书，这两个因素促成了本书的产生。
本书最初设想的对象是机械和相关工程领域的高年级学生，其他的读 者亦可发现此书为应用热学知识解决高等燃烧问题提供了桥梁。本书给 出了许多实例和习题，便于读者理解或联系实际。因此，希望一年级的研 究生和工程师们也可以从这些内容中获益。
在结构上，本书具有很大的灵活性。总共15章的内容对于只有一个学 期的课程显得太多了。本书可以使教师在规划—门课的内容时满足不同 内容和组合的需求，同时可以方便地使主题进行延伸或转换。以一个学期 的课程为例，选择第1～6,15,8,9,14章可以组成一个最通用的课程；而 如果是一门以火花点火的发动机为主的课程则可以选第1～6,8,12,15, 9 章。
第1～3章的内容对于本科生来说是最基本的。第1章给出了燃烧和 火焰的定义及种类，介绍了燃烧产生的大气污染物的影响与控制，这部分 内容在第15章中有更详细的介绍。
第2章提供了学习燃烧所需的热化学知识。这一章强调了化学平衡对 燃烧的重要性。本书光盘中的软件给学生提供了一个简便的方法来计算 燃烧产物的复杂平衡。这一软件还可用于许多有趣的和辅助教学的项目 训练。第3章介绍传质，在全书中都采用将所有的传质处理为简单的二元 系统以简化理论推导的方法。除了在第7章中简单提到外，多元扩散的问 题留给更高级的课程去讲授。这样的简化有利于没有接触过传质的学生 很好地理解传质问题而不陷入其固有的复杂性。第3章采用了经典的斯蒂 芬问题和单液滴蒸发问题来阐明传质理论。
第4章和第5章讨论化学动力学问题，首先介绍基本概念(第4章),然 后讨论对于燃烧来说重要的化学机理和燃烧产生的大气污染物(第5章)。 除了介绍不可避免的复杂的碳氢化合物燃烧化学外，还引入了简化的一步 和多步反应动力学，并将化学动力学用于简单的分析与模型中，据此了解 简化动力学的作用与缺陷。
第6章的主要内容是将化学动力学与热力学模型进行关联。导出了定压和定容反应 器、全混流和柱塞流反应器四种模型。这些简化的模型可以让学生清楚地掌握化学动力学 是如何用于更大的实际情形的。第6章也提供了许多用于反应器分析与设计的项目。本章 的有效性和独特性相映成趣。
在前几章学习了热化学、分子输运和化学动力学后，第7章导出了在后续各章中将用到 的反应系统的简化守恒方程。这一章引入了两个守恒标量的方法来简化反应流的求解问 题。目的是为更严格的推导提供基础。对于本科生来说，这一章可任选，完全可以跳过去； 但是对于研究生的入门课程，这一章还是很有用的。
第8～13章是对各种火焰基本问题的描述。第8章讨论层流预混火焰，第9章和第10 章讨论层流非预混火焰。湍流火焰问题在第12章(预混)和第13章(非预混)中讨论，主题 包括火焰传播、着火、灭火和火焰稳定。尽可能地采用简化的分析方法，并强调实际的应用。 为了更好地理解最基本的内容，尽可能地避开了严谨的数学推导。这样做有时可能对某些 现象无法完全解释。对于这些情况， 一般会提醒读者注意并提供相关的参考文献，以利读者 能找到更完全的理解。由于这些材料很丰富，读者完全可以方便地只选择层流火焰(第8, 11,12章)或只选择非预混火焰(第9,10,13章)来读。如果课程特别强调某方面的应用，可 以提出特定的内容。
与实际装置有关的液滴蒸发理论属于第10章后半部分的内容，推导了一维蒸发控制的 燃烧室模型。这一节的基本目的就是加强前面的平衡和蒸发的概念，帮助提高学生分析问 题的能力，并提供在工程应用项目中要用到的思路与概念。设计项目可以很方便地加入到 第10章的构架中。按课程的目的，第10章的这一节也是可选的。
第14章中以碳燃烧作为原型系统介绍固体的燃烧，同样使用简化的分析方法来阐释非 均相燃烧的概念并引入了扩散控制和动力学控制燃烧的概念。这一章中也给学生提到了煤 的燃烧及其应用的初步概念。
在现代的燃烧学书中完全忽略燃烧产生的污染问题是不可想象的。第15章是专门针 对这一问题而写的。这一章介绍污染物的定量概念并讨论了污染物产生的机理及其控制方 法。这一章强调应用，对于专门的读者会有特别的吸引力。这一章的位置并不意味着其不 重要。取决于课程的目标，这些素材可以跟在第1～6章后用。
最后总结一下，本书的目的是为机械工程和相近专业领域的本科高年级学生提供一个 易于理解的燃烧学入门课程的教材。通过例题和作业，学生可以在他们的理解力方面以及 进一步应用到不同的项目和“实际世界”的问题方面产生自信心。希望这本教科书能满足教 师的需求，同时也能为那些渴望获得结构简化和恰当的素材的读者，提供燃烧这一引人入胜 的领域的学习入门书。
Stephen R.Turns
于美国宾夕法尼亚州大学城
致谢
许多人给本书的第1版或第2版提供了时间和精神上的支持。首先， 我要感谢在整个过程中作出贡献的评审人，特别要提到的是密歇根大学的 吉姆 德里斯科尔( Jim Driscoll)、普渡大学的诺姆 罗兰度( Norm Laurendeau), 密歇根州立大学的约翰 劳埃德( John Lloyd),康奈尔大学 的米高 卢格(Michel Louge),爱荷华州立大学乔恩 范 吉平(Jon Van Gerpen) 和阿肯色大学的卡尔 维克斯特朗( Carl Wikstrom)。他们对本书 第1版的草稿提出了许多有价值的意见。同时，在瑞萨莱尔理工学院 (RPI) 采用本书的不同版本讲授课程的史蒂夫 高贝尔( Steve Goebel)和 艾伦 法伊特尔贝格(Alan Feitelberg)提出的详细意见也弥足珍贵。他们 还慷慨地将一些有趣的习题提供给大家分享，这些习题已经收入在第2版 中。我的同事与朋友查克 默克勒(Chuck Merkle)在第1版中对内容和教 学方法两个方面都给予了持续的精神鼓励和积极宣传。宾州大学的许多 学生也用各种方式作出了他们的贡献。特别是杰夫 布朗( Jeff Brown)、 李钟根(Jongguen Lee)和迈克尔先生( Don Michael)。还要特别感谢桑卡 兰 温卡特斯沃伦(Sankaran Venkateswaran)提供了湍流射流火焰模型的 计算。同样的还有戴夫 克兰多尔( Dave Crandall)为第2版的软件包提供 的帮助。穆勒先生( Donn Mueller)对第1版的所有习题进行了艰苦的求解 工作。还要感谢挚友凯西 温德兰德(Kathy Wendland),她为第2版的编 辑工作提供了帮助。还要感谢气体研究所多年来对我研究工作的支持，这 些研究工作为写作本书提供了最初的灵感和动力。对于我来说，最宝贵的 是来自家里的不倦的支持，他们惊人地容忍着我将周末和假期的时间花费 在写作上，这些时间本来是应该与他们在一起度过的。最后要感谢的是谢 丽尔 亚当斯(Cheryl Adams)。没有她，这两个版本的完成都是难于想象 的。她对草稿进行打字及文字处理并制作了书中的许多图表。正是谢丽 尔的可靠技能使我感到写这本书是一段愉快的经历。
关 于 作 者
Stephen R.Turns 于1970年、1974年和1979年分别在宾夕法尼亚州立大学、韦恩州立 大学和威斯康星大学麦迪逊分校获得机械工程学士、硕士和博士学位。1970年到1975年 在通用汽车公司研究实验室任研究工程师。1979年成为宾夕法尼亚州立大学教师，目前是 机械工程教授。 Turns 博士讲授热科学方面的多门课程，并多次获得宾州大学的杰出教师 奖。他在燃烧研究方面十分活跃，发表了许多论文，而且是国际燃烧学会、美国机械工程师 学会和美国汽车工程师学会一名活跃的会员。
相对而言，人类通过洞穴中出现的第一缕闪烁的火光认识了自己的存在，感 受到了自己的成功，体验了对自然的把握。在那残忍的黑暗和隐现的阴影中，火 的发现象征着对化学过程的理解、蒸汽动力时代的到来和整个工业的革命。它还 预示着整个人类的未来。
Loren Eiseley
The Unexpected Universe( 神奇的宇宙)
第1章 导论
1.1 学习燃烧学的动机
正如我们所知，燃烧及其控制对于我们在这个星球上的生存是十分重 要的。1996年，美国消费的能源中大约85%来自于燃烧源12](表1. 1)。 向周围随意一瞥，就可以发现燃烧在我们日常生活中的重要性。例如，你 的房间或家里的供热若不是直接来自燃烧(燃气或燃油的炉子或锅炉),就 是间接地来自矿物燃料燃烧所产生的电能。美国的电力需求主体上是通 过燃烧来满足的。目前，只有32.7%的电力来自核能和水力发电，超过一 半的电力来自煤的燃烧，如表1.2所示L¹ 。 我们的运输系统几乎完全依赖 于燃烧。1989年，在美国，地面交通和航空业一年烧了3991百万桶各种 石油产品，相当于美国进口和自己生产的石油的2/3。飞机完全由自身 携带燃料的燃烧来提供动力，绝大部分火车的动力也是来自柴油机。近 来越来越多的如割草机、抛树叶机、链锯、振动除草机等采用汽油机来提 供动力。
工业生产过程也大量依赖于燃烧。钢铁、铝业和其他金属冶炼工业 都先采用窑炉来生产粗产品，然后在下游工艺中采用热处理炉和退火炉 或其他炉子提高粗产品的价值并转变为最终产品。其他的一些工业燃烧
设施还包括锅炉、炼油厂和化学加热炉、玻璃熔化炉、固体物料烘干机、表面涂层加工、烘 干炉和有机臭气焚烧炉 等，这种例子不胜枚举。水泥制造业也大量使用燃烧产生热 能。1989年美国用来生产水泥熟料回转窑消耗了0.4×10¹⁵ Btu 的能源，相当于全年工业 用能的1 . 4%。 目 前 ，回转窑是效率不高的设备，改进这些设备可以有很大的节能 潜力⁵。
在帮助我们生产产品的同时，在产品寿命周期的另一端，燃烧又可作为废物处置的一种 手段。焚烧是一项古老的技术，但是由于在人口密集地区填埋场地的限制使其又重新受到 关注。此外，焚烧技术的吸引力还在于其能够为有毒有害废物提供安全妥善的处置。当前， 焚烧地点的确定依然是一个在政治上有争议和敏感的话题。
在简单地回顾了燃烧是如何有益于人类之后，我们现在来看一下燃烧伴随着的不利的 一面——环境污染。燃烧产生的主要污染物有未燃尽(亦称部分燃尽)的碳氢化合物、氮氧 化物( NO 和 NO₂) 、一氧化碳、硫氧化物( SO₂ 和 SO₄) 及各种形式的颗粒物。表1.3列出了 不同的污染物与不同的燃烧设备之间的关系。这些关系在许多情况下服从于法规的要求。 初始污染产生的主要问题包括特殊的健康损害、烟雾、酸雨、全球气候变暖和臭氧减少等。 1940年到1996年美国全国的不同源的污染物产生的趋势如图1. 1～图1.5所示L6」。在这 些图中可以清楚地看出1970年清洁空气修正案的影响。
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。
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(a) 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。
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。
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