燃燒與燃燒室

前言

如果以德國學(xué)者Jost于1938年編寫第一本燃燒學(xué)教材開始算起，燃燒理論的教學(xué)至今已有80年。在這期間，燃燒理論系統(tǒng)不斷完善，有關(guān)燃燒的新技術(shù)不斷發(fā)展。由于其涉及的深度與廣度的不斷加強，目前在絕大多數(shù)大學(xué)中，都開始進行不同層次的有關(guān)燃燒理論與技術(shù)研究的教學(xué)活動。北京航空航天大學(xué)的燃燒與燃燒室教學(xué)也是如此。借助于教育部的教學(xué)改革運動，我們一直在思考，如何為本科生、研究生、博士生等不同層次的教學(xué)對象，構(gòu)建一個能很好地結(jié)合燃燒理論與航空燃氣輪機燃燒室，以及其他各種新技術(shù)國防動力裝置燃燒室的合理的燃燒教學(xué)體系。我們的基本思路是：在本科生教學(xué)階段，重點放在理論性、準確性、易讀性等基礎(chǔ)知識方面；而在研究生以后的教學(xué)階段，再注重先進性、完備性、專題性等問題。鑒于本教材的教學(xué)對象為本科生，因此，在編寫時特別注意與先修課程的無縫銜接（易讀性）、前人研究的成熟結(jié)論（準確性）及各章節(jié)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系（理論性）。為了很好地做到這3點，我們組織北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院從事燃燒與燃燒室教學(xué)和研究的幾乎所有學(xué)者成立了寫作班子，參考了美國大學(xué)有關(guān)燃燒學(xué)的8本主要教材（在Bor·man&Ragland的教材中有專門介紹），以及有關(guān)燃氣輪機燃燒室的5本主要專著。當然，考慮到國情，我們也參考了國內(nèi)燃燒學(xué)大師編寫的近20本教材和專著。與美國工程院院士、國際燃燒協(xié)會前主席、美國Princton大學(xué)教授、我校名譽教授C．K．Law的觀點不謀而合的是，我們都認為，燃燒學(xué)主要涉及兩個基礎(chǔ)學(xué)科：化學(xué)動力學(xué)及流體動力學(xué)。因此，本書在編寫時，將燃燒流動的控制方程組放在了第2章進行介紹，試圖從中引出后面的各章節(jié)內(nèi)容；而把化學(xué)熱力學(xué)與動力學(xué)的內(nèi)容放在了緊跟其后的第3章進行介紹。隨后根據(jù)燃料種類，在后續(xù)各章節(jié)逐步展開介紹氣體燃料燃燒（包括擴散燃燒、預(yù)混燃燒、爆震燃燒、著火與熄火等）、液體燃料燃燒（包括單滴蒸發(fā)與燃燒、液霧形成機理）、航空燃氣輪機燃燒室（包括主燃燒室概述、工作特性、加力燃燒室、燃燒室污染排放機理及低污染燃燒室等）等知識。為便于學(xué)生掌握所學(xué)內(nèi)容，各章節(jié)都給出了大量習(xí)題（這在國內(nèi)外幾乎所有燃燒教材中都是最完整和全面的）。為便于進行各章節(jié)習(xí)題計算，附表中還比較詳細地給出了各種物性參數(shù)及美國JANAF數(shù)據(jù)表。書中所用所有符號都在目錄后面的符號表中給出。

內(nèi)容概要

　　《燃燒與燃燒室》針對航空燃氣輪機燃燒及燃燒室教學(xué)，內(nèi)容包括燃燒學(xué)基礎(chǔ)及燃氣輪機燃燒室兩大部分。其中基礎(chǔ)部分以動態(tài)流動（氣體動力學(xué)）和燃燒反應(yīng)化學(xué)（熱力學(xué)及動力學(xué)）為兩大基礎(chǔ)，推演出相關(guān)章節(jié)，涉及燃燒流動控制方程組、燃燒熱力學(xué)、燃燒反應(yīng)動力學(xué)、氣體燃料擴散燃燒、層流及湍流預(yù)混火焰、爆震燃燒、非定常燃燒（包括著火、熄火、火焰穩(wěn)定等）、液體燃料燃燒、液體燃料霧化、燃氣輪機燃燒室概述及工作特性、加力燃燒室、燃燒污染排放機理及控制等?！　　度紵c燃燒室》詳細參考了美國大學(xué)生所使用的標準燃燒學(xué)教材（8本）及燃氣輪機燃燒室專著（4本），并結(jié)合了20多部國內(nèi)燃燒學(xué)及燃燒室研究專家的教材和專著，深入介紹了各章節(jié)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，較為詳細地給出了JANAF參數(shù)表，提供了大量的例題，并附有非常豐富的習(xí)題?！　　度紵c燃燒室》重點放在講清問題的來龍去脈，追求知識點的準確性、理論性及深人性，并不過于追求技術(shù)的先進性和完整性，以便讀者容易閱讀和理解。因此，《燃燒與燃燒室》特別適合作為動力機械與工程熱物理、航空宇航推進理論與工程、熱能動力工程等專業(yè)的本科生教材，也可作為從事與燃燒、燃燒室以及燃氣輪機等有關(guān)工作的工程技術(shù)人員及研究人員的參考書。

書籍目錄

第1章 緒論1．1 燃燒與燃燒室本質(zhì)1．2 燃燒學(xué)的發(fā)展1．3 燃料的發(fā)展1．4 燃燒技術(shù)的發(fā)展1．5 權(quán)威學(xué)術(shù)文獻與獎項1．6 本書各章 節(jié)安排習(xí)題參考文獻第2章 燃燒物理學(xué)基本方程2．1 引言2．2 多組分氣體基本參量2．2．1 組分2．2．2 多組分氣體基本參量的定義2．3 分子輸運定律2．3．1．Newton(牛頓)粘性定律2．3．2 Fourier(傅里葉)導(dǎo)熱定律2．3．3 Fick(費克)擴散定律2．4 基本守恒方程2．5 Zeldovich(澤爾多維奇)轉(zhuǎn)換及廣義Reynolds(雷諾)比擬2．5．1 Zeldovich轉(zhuǎn)換2．5．2 廣義Reynolds比擬2．6 Steran(斯蒂芬)流習(xí)題參考文獻第3章 燃燒化學(xué)熱力學(xué)與化學(xué)動力學(xué)基礎(chǔ)3．1 燃燒化學(xué)熱力學(xué)3．1．1 基本概念3．1．2 熱力學(xué)第一定律在燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用3．1．3 熱力學(xué)第二定律在燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用3．1．4 Gibbs(吉布斯)函數(shù)在燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用3．2 燃燒化學(xué)動力學(xué)3．2．1 化學(xué)動力學(xué)基本規(guī)律3．2．2 燃燒反應(yīng)速率理論習(xí)題參考文獻第4章 氣體燃料燃燒4．1 氣體燃料的擴散燃燒4．1．1 圓形自由射流流體力學(xué)特征4．1．2 層流擴散火焰4．1．3 湍流擴散火焰4．1．4 擴散火焰的簡化理論模型4．2 預(yù)混可燃氣的層流燃燒4．2．1 火焰前沿的物理描述4．2．2 一維層流火焰?zhèn)鞑セ痉匠?．2．3 一維層流火焰簡化分析解4．2．4 一維層流火焰分區(qū)近似解4．2．5 層流火焰速度和厚度的影響因素4．2．6 層流火焰速度的測量4．3 預(yù)混可燃氣的湍流燃燒4．3．1 湍流火焰的物理描述4．3．2 湍流預(yù)混火焰的結(jié)構(gòu)4．3．3 湍流預(yù)混火焰理論4．3．4 湍流火焰的數(shù)值模擬4．3．5 湍流預(yù)混火焰的實驗研究4．4 爆震燃燒4．4．1 一維燃燒波的基本關(guān)系式4．4．2 休貢紐曲線性質(zhì)4．4．3 爆震波波速4．4．4 爆震波的結(jié)構(gòu)4．4．5 緩燃一爆震轉(zhuǎn)捩(DDT)過程習(xí)題參考文獻第5章 著火、熄火及火焰穩(wěn)定5．1 著火5．1．1 熱自燃5．1．2 強迫著火(點燃)5．1．3 可燃性邊界5．2 熄火5．2．1 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的影響5．2．2 系統(tǒng)特征尺度的影響(淬熄距離)5．2．3 著火與熄火的差異5．3 火焰穩(wěn)定5．3．1 低速氣流下火焰穩(wěn)定原理5．3．2 高速氣流下火焰穩(wěn)定習(xí)題參考文獻第6章 液霧燃燒基礎(chǔ)6．1 單滴蒸發(fā)過程分析6．2 單滴燃燒過程分析6．3 對流環(huán)境下的單滴蒸發(fā)和燃燒6．4 液滴群的蒸發(fā)燃燒6．5 熱壁面上液滴的蒸發(fā)習(xí)題參考文獻第7章 液霧形成原理7．1 液霧衡量參數(shù)7．1．1 液滴尺寸分布7．1．2 霧化細度7．1．3 霧化均勻性7．1．4 噴霧錐角7．2 液霧形成的基本過程7．2．1 二次霧化過程分析7．2．2 初始霧化現(xiàn)象觀察7．3 液體圓柱自由射流的線性穩(wěn)定性分析7．3．1 線性穩(wěn)定性分析基本理論7．3．2 圓形射流初始霧化的線性分析7．4 其他霧化機理7．4．1 氣泡霧化技術(shù)7．4．2 超聲波霧化習(xí)題參考文獻第8章 航空燃氣渦輪發(fā)動機燃燒室概述8．1 燃燒室的作用8．2 燃燒室基本設(shè)計特點8．3 燃燒室結(jié)構(gòu)和類型8．3．1 燃燒室典型結(jié)構(gòu)8．3．2 燃燒室類型8．4 燃燒室的性能要求8．4．1 燃燒效率8．4．2 啟動點火和高空再點火8．4．3 穩(wěn)定工作范圍8．4．4 總壓損失8．4．5 容熱強度8．4．6 出口溫度分布8．4．7 排氣污染8．4．8 耐久性8．4．9 燃燒不穩(wěn)定性8．4．10 維護性習(xí)題參考文獻第9章 航空燃氣輪機主燃燒室工作特性第10章 燃氣輪機加力燃燒室第11章 燃燒污染形成機理及低污染燃燒室附表1 常見燃料蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)、粘性系數(shù)及質(zhì)量定壓熱容隨溫度變化的擬合公式附表2 常見燃料在標準狀態(tài)（即25℃、1atm）下的燃燒性能參數(shù)（與靜止空氣恰當混合）附表3 常壓下空氣的物性參數(shù)附表4 常壓下N2及O2的物性參數(shù)附表5 JANAF表節(jié)選附表6 常見碳氫燃料的單步反應(yīng)速率參數(shù)

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 燃燒物理學(xué)基本方程2.1 引言　在現(xiàn)有的燃燒學(xué)教材中，有不少都將本章內(nèi)容作為附錄列在書后。本書作者認為，雖然燃燒現(xiàn)象的本質(zhì)是發(fā)光、發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，但它完全不同于我們中學(xué)時代常見的試管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。其主要差別在于，一般試管內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)研究的是靜態(tài)反應(yīng)，而燃燒反應(yīng)的絕大多數(shù)氧化劑都是空氣，因此，我們無法回避空氣(甚至燃料本身)的運動特性。換句話說，燃燒學(xué)所研究的問題應(yīng)當包括動態(tài)流動以及靜態(tài)燃燒反應(yīng)兩大部分，它們構(gòu)成了燃燒學(xué)研究的兩大基礎(chǔ)。本章先介紹描述動態(tài)燃燒流動的控制方程組，下一章再介紹描述靜態(tài)燃燒反應(yīng)的燃燒熱力學(xué)與動力學(xué)。 本章的先修知識包括流體力學(xué)、氣體動力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)等。對于這種帶燃燒化學(xué)反應(yīng)的流動系統(tǒng)，我們一般稱為燃燒流動系統(tǒng)。與流體力學(xué)、傳熱學(xué)等相似，我們必須首先建立能夠準確描述燃燒流動的基本控制方程組。不同的是，燃燒是燃料與氧化劑之間發(fā)生的一種激烈放熱的化學(xué)反應(yīng)。因此，在燃燒流動過程中，必然涉及多種化學(xué)成分(通常稱為多組分)和化學(xué)反應(yīng)的存在。在推導(dǎo)燃燒流動的基本控制方程組之前，有必要先復(fù)習(xí)一下多組分基本參量，以及在推導(dǎo)燃燒流動基本控制方程組時必須用到的三大輸運定理。

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