《燃烧学》复习题参考答案集
2009 / 1 / 9
第一章 化学热力学与化学反应动力学基础
1、 我国目前能源与环境的现状怎样？电力市场的现状如何？如何看待燃烧科学的发展前景？
我国目前的能源环境现状： 一、能源丰富而人均消费量少
我国能源虽然丰富，但分布很不均匀，煤炭资源60%以上在华北，水力资源70%以上在西南，而工业和人口集中的南方八省一市能源缺乏。虽然在生产方面，自解放后，能源开发的增长速度也是比较快，但由于我国人口众多，且人口增长快，造成我国人均能源消费量水平低下，仅为每人每年吨标准煤，而1 吨标准煤的能量大概可以把400吨水从常温加热至沸腾。 二、能源构成以煤为主，燃煤严重污染环境
从目前状况看，煤炭仍然在我国一次能源构成中占70%以上，成为我国主要的能源，煤炭在我国城市的能源构成中所占的比例是相当大的。
以煤为主的能源构成以及62％的燃煤在陈旧的设备和炉灶中沿用落后的技术被直接燃烧使用，成为我国大气污染严重的主要根源。据历年的资料估算，燃煤排放的主要大气污染物，如粉尘、二氧化硫、氮氧化物、一硫化碳等，对我国城市的大气污染的危害已十分突出：污染严重、尤其是降尘量大；污染冬天比夏天严重；我国南方烧的高硫煤产生了另一种污染——酸雨；能源的利用率低增加了煤的消耗量。 三、农村能源供应短缺
我国农村的能源消耗，主要包括两方面，即农民生活和农业生产的耗能。我国农村人口多，能源需求量大，但农村所用电量仅占总发电量的14%左右。而作为农村主要燃料的农作物桔杆，除去饲料和工业原料的消耗，剩下供农民作燃料的就不多了。即使加上供应农民生活用的煤炭，以及砍伐薪柴，拣拾干畜粪等，也还不能满足对能源的需求。 电力市场现状：
2008年10月份，中国电力工业出现％的负增长，为十年来首次出现单月负增长。11月，部分省市用电增幅同比下降超过30％。在煤价大幅上涨和需求下滑的影响下，目前火电企业亏损面超过90％，预计全年火电全行业亏损将超过700亿元。 走势分析
2009年，走过今年“寒冬”的电力行业将机遇与挑战并存，挑战大于机遇。受整个经济下滑的影响，“过剩”的尴尬将继续显现。
电价矛盾将更加突出。今年以来，国家制定的煤电价格联动政策迟迟无法实施，导致发电企业亏损不断累积，电价矛盾日益尖锐。面对明年经济形势的复杂情况，电力销售价格能否适时调整，具有很大的不确定性。 结构调整有望借势“提速”。明年宽松的用电环境正好为中国电力结构调整腾出了时间和空间。面对今年的大变局，国内发电企业将从跑马圈地式的快速扩张，转向注重效益的发展模式。 燃烧科学的发展前景
燃烧学是一门正在发展中的学科。能源、航空航天、环境工程和火灾防治等方面都提出了许多有待解决的重大问题，诸如高强度燃烧、低品位燃料燃烧、煤浆(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃烧、流化床燃烧、催化燃烧，渗流燃烧、燃烧污染物排放和控制、火灾起因和防止等。 我国的能源现状也决定了必须大力的发展燃烧学科。
燃烧学的进一步发展将与湍流理论、多相流体力学、辐射传热学和复杂反应的化学动力学等学科的发展相互渗透 、相互促进。
2、 什么叫燃烧？
答：燃烧标准化学定义：燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应．
燃烧的广义定义：燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应，不一定要有氧气参加
3、 什么是简单反应、复杂反应？
答：简单反应：由反应物经一步反应直接生成产物的反应。（也叫基元反应）
复杂反应：反应不是经过简单的一步就完成，而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应，其中每一步反应也称为基元反应。
4、 浓度和化学反应速度正确的表达方法？ 答：浓度：单位体积内所含某种物质的量
1.分子浓度 ni =Ni /V Ni为分子数 1 /m3 2.摩尔浓度 Ci =Mi /V Mi 为摩尔数 mol / m3 3.质量浓度 ρi=Gi /V kg / m3
4.相对浓度 摩尔相对浓度：x i =N i /NΣ=n i /NΣ=C i /CΣ=p i /p
质量相对浓度：f=G i /GΣ=ρi /ρ
化学反应速度：通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。
化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示，也可以用生成物浓度的增加来表 示。但均取正值。W=±d C / dτ
5、 质量作用定律的适用范围？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。 答：①反应应为简单反应
②严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。
③对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液相物质蒸汽分压不考虑。 按质量作用定律，如果反应方程式是aA+bB
（简单反应）则反应速度和反应物浓度[A][B]成如下关系： W =k[A]a[B]b
即：当温度不变时，某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的乘积成正比例，如果该反应按照某化学反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。
6、 什么是反应级数？反应级数与反应物初始浓度（以及半衰期）之间的关系如何？ 答：化学反应速度表达式中浓度指数之和n=α+β就是反应级数。
反应级数与反应物初始浓度无关。 由于 w =-dC/dτ=k[C],可推得： 零级反应： 一级反应： 二级反应：
n7、 常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？ 燃 料 反应级数 煤气 2 轻油 ~2 重油 1 煤粉
1 8、 试用反应级数的概念，讨论化学反应是速度、燃尽时间与压力之间的关系。
答：对于理想气体，，而化学反应速度，故；单位时间的反应（整个燃烧体积内的），所以燃尽时间。（n为反应级数）
9、 涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？
答：涡轮增压装置能提高压强，因而不仅能提高发动机内的燃料气体的化学反应速度，而且能减少气体的燃尽时间，综合提高发动机的功率。（汽油的反应级数一般为2）
10、 Arrhenius定律的内容是什么？适用范围？
答：温度对化学反应速度的巨大影响反映在反应常数上，这个关系称为阿累尼乌斯定律，表达为，其中k0是频率因子，E是活化能，与反应物温度及浓度无关。 适用范围为：
A简单化学反应（基元反应），或复杂化学反应中的每一步基元反应 B有明确反应级数n和速度常数k的复杂反
11、 什么是活化能，其计算的方法是什么？
答：活化能：使普通分子（平均能量）变为活化分子所需能量。可以测定反应级数根据图解法和计算法来见解求得。（详见课本P3）
12、 图解吸热反应和放热反应的活化能和反应放热（吸热）之间的关系。
吸热反应同理
13、 什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？
答：链式反应是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式（如光照射等)将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。 链式反应分为不分支链反应（或直链反应）和分支链反应两类。
链式反应一般分为链的激发（引发）、链的传递和链的断裂（中断）三个阶段。
14、 试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？
答：.在课本第五页下边至六页上边中,(1)-----(3)中分析.
分支链反应中反应活化中心繁殖速度f比较大,极大的加快了化学反应的速度.
15、 烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？
答：烷烃—同原子的醛—低一个原子的烷烃直至甲醛,甲醛分解为一氧化碳和氢气燃烧或直接燃烧.
析炭反应是烃类热裂解过称中的二次反应，二次反应是一次反应产生产生足够的一次反应产生足够的中间产物才显著起来。裂解的过程包括脱氢反应和断链反应，具体反应过程见课本第八页下面至第九页上面的过程。
16、 图解催化剂对化学反应的作用。
对反应的作用有改变的只有两点：活化能E下降，反应途径的变化
17、 什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？解释：碳燃烧的
时候，在低温下发生氧化反应，而在温度很高的情况下，气化反应将变得显著。
答：化学平衡的，可逆反应此时系统内各组成成分不变，计算公式为课本10、11页的1-27和1-28. 。系统变化遵循吕·查德里反抗规则：当化学平衡由于某一外因（T,p或成分含量）而被破坏时平衡将向反抗这一外因的方向移动。温度升高，平衡将向吸热方向移动，抵抗温度升高的影响；温度降低，平衡将向放热方向移动，抵抗温度降低的影响
18、 标准生成焓、生成焓的定义？反应焓的定义及计算方法？燃料发热量（热值）与燃烧焓、反
应焓的关系？
答：生成焓定义：化合物的构成元素（最稳定的单质）经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。kJ/mol， 标准生成焓：是化合物的构成元素在标准状态下（298K,），经化合反应生成1mol该化合物的焓的增量。
在特定的温度压力下（等温等压）进行的反应，反应物与产物具有相同的t,p，则产物与生成物间的焓值之差为该反应的反应焓
如果化合物不是由元素直接反应的生成物，则反应后生成物与反应物间的焓差值，不是生成焓，而是反应焓。
发热量与反应焓、燃烧焓大小相等，符号相反。
19、 过量空气系数（）与当量比（）的概念？
答：过量空气系数是反应供应空气（氧气）与反应恰好完全反应所需空气（氧气）之比 当量比是两种参加反应的反应物的质量之比
第二章 混合与传质
1． 什么是传质？传质的两种基本形式是什么？
答：物质由高浓度向低浓度方向的转移过程叫做传质，也叫质量传递。 传质的两种基本方式是分子扩散传质和对流传质。
2． 什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导
热定律、费克扩散定律）什么是“三传”的比拟？
答：动量传递、质量传递、热量传递。
分子传输定律即牛顿内摩擦定律，傅里叶导热定律和fick扩散定律。 ?
描述动量、热量和质量的规律有相似的数学表达式（傅里叶定律型）和相似的准则数（普朗特数和施密特数、努赛尔数和舍伍德数）叫三传的比拟。
3． 湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？
怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？
答：决定三传的因素为脉动和漩涡（仅供参考）
热量交换与质量交换的强烈程度相当，动量交换的强烈程度不如热量和质量交换强烈。
实验发现普朗特数约为，小于1，即动量交换不如热量交换强烈。施密特数在到之间也小于1，即动量交换不如质量交换强烈。Le数约为1到，说明热量交换和动量交换强度相当。
4． 试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数。 答： 完全根据复习ppt上例题将传质换成传热，求出Nu=2.
5． 如图所示：
1 xy 2
两股射流在大空间中交汇。射流的初始温度T1=60℃，T2=室温20℃，实测xy点的Txy=50℃。气流中的初始浓度为C1=3mol/m3，C2=2mol/m3，求点的xy点的浓度Cxy。
答：该题复习为ppt上原题。
6． 自由射流积分（动量守恒）条件、热焓差和浓度差守恒条件的物理意义是什么，数学表达式是什
么？ 答：（1）自由射流动量守恒是指沿射流的轴线方向，在任意断面上，以射流的速度w与速度w2只差(w-w2)计算的动量是一个不变的常数。其值恒等于出口断面上的以出口速度w1与射流的速度w2只差计算的射流初始动量。
（2）同动量守恒条件相似可以得出，沿轴线方向上，任意断面上的热焓差和浓度差都是不变的常数，且恒等于出口断面上的射流与伴随流之间的热焓差和浓度差。 注：相应公式见PPT2.4.2
7． 图解射流断面上的速度分布相似性。
答：见PPT2.4.3 (2)
8． 把热射流射入冷空间中，和把冷射流射入热空间中，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减的情
况有何区别？这对工程燃烧的二次风参数的选取有何指导意义？ 答：（1）把热射流射入冷空间中时，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很快，因为θ（含义见PPT）的值较大。而且随θ值增大，三者衰减速度均明显加快。
（2）把冷射流射入热空间时，很明显θ值相对（1）中要小，所以此时射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减都很慢，而且随θ值减小，衰减更慢。
（3）从这个方面讲，组织锅炉内气流流动时，应用θ值低一些的一次风，从而保证较慢的衰减速度，有足够的扰动范围，以保证气流流动。而从燃烧供氧的角度讲应用θ值高一些的一次风，以加强湍流混合和传质，有利于燃烧。
9． 根据以下物理模型，推导旋转射流中心线上负压的值。
w?w??wrn?1.0w?1 w??常数rn?1.52.0r1 r1r 自由旋转区 核心区（刚体旋转区） 自由旋转区
假定旋转射流的横截面如图所示，流体是无粘性流体，流动区域可以划分为两个区域：外围的自由旋转区（可以按势流处理）和中心的刚体旋转区（不能按势流处理），其分界线为r=r1。 答：中心线上负压即刚体运动区中心线上的负压值，具体推倒见PPT2.5.1（2）
10． 什么是旋流强度，其物理意义是什么？旋流强度的计算公式？ 答：旋流强度（旋流数）：工程上用于反映旋转射流强弱程度的指标。
G
S??计算公式： Gx?R其中，Gφ是角动量的轴向通量（旋转动量矩）， Gx是轴向动量，R为定性尺寸。 物理意义：旋转动量和轴向动量的某种比值。
11． 图示钝体流场的主要特征。
答：见课本P54图2-23.
12． 两股平行射流湍流混合的强弱取决于哪些空气动力学参数条件？
答：① 两者的动压比 ，它是湍流扩散（三传）的动力（能量）来源，它的增加会导
致流体微团可在更大尺度范围内湍流相关，且混合边界层愈偏于动压小的一侧。当动压比趋近于1时，由于动压差引起的湍流扩散已经十分微弱，只能靠射流自身原始扰动度来维持。
② 决定于射流自身动压 ，它是射流内部进行三传的动力（能量）源。一般自身湍动度总是维持射流内部的小尺度湍动。
③ 系数k，决定于射流喷口的结构特征和速度分布特征
13． 两股相交射流湍流混合的强弱取决于哪些空气动力学参数条件？
答：相交射流混合传质的动力学条件是两射流的动量（流率）比M=1时混合最强烈。
第三章 气体燃料燃烧
1. 什么是热着火？什么是链式着火？其区别是什么？热着火需要满足的条件是什么？化学链着火需要满足的条件是什么？ 答：什么是热着火？什么是链式着火？其区别是什么？热着火需要满足的条件是什么？化学链着火需要满足的条件是什么？
热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致着火。——大多数气体燃料着火特性符合热着火的特征。 链式着火：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。 ——某些低压下着火实验（如 H2+O2，CO+O2的着火）和低温下的“冷焰”现象符合链式着火的特征。
热着火过程与链式着火过程区别——热着火通常比链式着火过程强烈得多。
条件：
热着火过程：温度升高引发的，将使得系统中整体的分子动能增加，超过活化能的活化分子数按指数规律增加。导致 燃烧反应自动加速。
链式着火过程：主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“冷焰”。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就形成爆炸。
2. 自发着火与强迫着火的区别是什么？
答：自燃：自发的着火，依靠系统自身化学反应的放热来维持系统的升温。
强燃：强迫着火，借助外部能量（固壁、火花塞），使其局部着火，然后火焰传播到整个可燃混合物中。
3. 自燃必要条件有两个判据，他们的表达式怎样，物理意义是什么？燃料的活化能、系统初始温度、散热系数对自燃温度的影响如何？请图示。试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些？
答：自燃必要条件有两个判据，他们的表达式怎样，物理意义是什么？燃料的活化能、系统初始温度、散热系数对自燃温度的影响如何？请图示。试讨论影响自燃着火温度的主要因素有哪些？ 两个判据:产热散热相等，产热散热变化率相等即：
Q?Q1 ?2? ?dQdQ21 ??dT ?dT影响因素：图见PPT
η(散热系数)↓有利着火
燃料活性强（E小或k0大）易着火 T0(系统初始温度)↑ 容易着火
4. 什么是着火的孕育时间？请图示。并解释：为何堆放在煤场上的煤在常温下也经常会发生自燃，而直吹式煤粉锅炉一次风管道中的煤粉在高于150℃的条件下也不发生自燃？
答：自然过程中，系统温度达到拐点温度（即临界温度）时对应的时间为孕育时间。图见PPT
原因需从自燃的临界条件来找煤场上的煤发生化学反应时产热不易散去，即Q1≥Q2，在常温下随产热蓄积温度不断升高，孕育时间不会很长，故而易着火自燃。相应地，直吹式煤粉锅炉一次风管道中的煤粉流动快，散热也快，尽管当温度高于150℃，仍无法蓄热以进一步提高温度，故孕育时间无限长，最终也不会自然。
5. 图示着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数）的关系。并解释：1）为什么在点燃气体燃料的时候必须“火等气”？2）煤矿巷道中发生瓦斯爆炸的原理是什么，如何防范瓦斯爆炸？ 答：图示着火温度与燃料空气混合物的浓度（过量空气系数α）的关系。并解释：1）为什么在点燃气体燃料的时候必须“火等气”？2）煤矿巷道中发生瓦斯爆炸的原理是什么，如何防范瓦斯爆炸？
着火温度与燃料空气混合物的浓度有关；通常用过量空气系数α来表示
（2）参照上图不要让（α，T）进入U型虚线区
6. 什么叫强迫着火？请图示强迫着火的过程。热壁面强迫点燃的临界条件是什么，其物理意义是什么？
答：强迫点燃：用炽热物体使可燃混合物着火
炽热物体向周围可燃混合气散热，在边界层中可燃混合物由于温度升高而进行化学反应，反应产热使气体温度不断升高而着火。 再加热高温火源向可燃混合物加热
在高物物体边界层中着火反应热量
整个可燃混和物点着
强燃的临界条件应为：
Tqr22k0C1nQRNuE???exp(?)?7. 试根据强迫点燃温度的方程讨论：1）炽热平板的长度；L?E(Tqr?T0)2RTqr?2）对流换热Nu数；3）气流的压力；4）气流的导热系数；5）燃料的活化能；6）燃料的发热量；
对强迫点燃难易程度的影响。
Tqr22k0C1nQRNuE???exp(?)?L?E(Tqr?T0)2RTqr?答：试根据强迫点燃温度的方程讨论：1）炽热平板的
长度；2）对流换热Nu数；3）气流的压力；4）气流的导热系数；5）燃料的活化能；6）燃料的发热量；对强迫点燃难易程度的影响。
① L↓，Tqr↑
② Nu（气流速度上升，η↑，散热增大）↑，Tqr↑
③ P↑（C↑）, Tqr↓ ④ λ、E↑，Tqr↑
8. 燃用高活性的褐煤的锅炉中，常出现以下现象：一次温度大约150℃，风管道中漏出的煤粉在地⑤ Q↑, T↓
面堆积，有时能呈现暗红色燃烧的状态（温度大约700℃），而一次风管内的煤粉却不燃烧或爆炸。请用自燃和强燃着火的模型给予解释。
该问为开放性题，为不局限大家思维，请各位互相讨论啊 ^.^
9. 什么是缓燃？什么是爆燃？
答：缓燃（正常传播）：火焰锋面以导热和对流的方式下传热给可燃混合物引起的火焰传播，也可能有辐射（如煤粉燃烧时的火焰传播可能以辐射为主，也有可能为对流和辐射并重）。传播速度较低（1～3m/s，远小于声速），传播过程稳定。一般的工程燃烧均为此类。
爆燃：绝热压缩引起的火焰传播，是依靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度升高而引起化学反应，从而使燃烧波不断向未燃气推进，传播速度大于1000m/s，大于声速。如爆炸、压燃式内燃机的火焰传播。
10. 层流火焰传播的速度是怎么定义的？
答：层流火焰传播的速度定义为流动状态为层流时的火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。
11. 火焰传播速度的定义式数学表达式是什么？随各个主要影响因素（热扩散率、燃尽时间等）的变化规律是什么？ 答：火焰传播速度定义式的数学表达式为：uce??wn（火焰锋面相对静止时）。
根据
auce?Tlr?T0a?2Q??TlrBwmdT?2QwmRTlr2a?Cp?Tb?T0?2E 可知：
??Cp??uce?热扩散率：。
?uce?a?rj?燃尽时间：
?Cp?Tlr?T0?wmQ?rj，因此
?rj??uce?。
uce?过量空气系数：α = 1时，uce最高（理论）；α ≈ 1且小于1时， α >> 1 或α << 1时，Q放↓，Tlr↓可燃气初温：
T0??Tlr??uce??uce??uce?（实验）
。
。
?uce?火焰锋面形状： 凹
； 凸 ? 散热多
。
12. 本生灯火焰稳定的机理是什么？如何使用本生灯测量层流火焰传播速度？试写出测量的过程和计算式。 答：本生灯的火焰稳定机理：本生灯出口处Re较小，一般属层流，火焰锋面以合气以w速度前进，合成速度的结果就是形成了的圆锥面。这也称为
w?wcos??uce律：n。wn的存在使得火焰锋面上质点沿a-b方向移动，
uce传播，可燃混
余弦定为使火焰
b 稳定，当质点由a移至b时，必须有另一质点补充上来。因此在接近火炬根部的焰锋表面上，必须存在一固定的点火源（不断点燃火焰根部附近的可燃气体
a 以补充被气流带走的质点）。此即圆锥面火焰锋面的策源，底部四周一圈环形火
焰锋面——点火环。点火环的存在是由于燃料混合物喷出本生灯后在边缘上速度很低，有一些地方射流速度正好等于uce，即形成了点火环。
如图所示，当火焰稳定时，混合气体在火焰锋面法向的分速度就等于气体火焰的传播速度。测量空气与燃气流量，可得混合气体流量，根据已知的喷嘴直径，可计算出混合气体的流速；再测量火焰的高度，算出火焰圆锥投影的半角，即可得到混合气体在火焰锋面法向的分速度 —— 气体火焰传播速度。 测量过程：
① 分别测出空气与燃气的流量 Qkq和 Qrq（据流量计的不同可能需要修正），计算总的混合气体流量
Q = Qkq + Qrq ；
② 测出喷嘴内径 R，计算出喷嘴截面积 A = πR2，从而可算出混合气体流速 W=Q/A ；
sin??RR2?h2 。
③ 测量火焰高度 h，可计算出火焰圆锥投影半角
uce?Wsin??Qkq?Qrq综上可得，测得的层流火焰传播速度表达式为
?RR2?h2
13. 燃烧速度（化学反应速度）与火焰传播速度是什么关系？区别是什么？(火焰速度、燃烧速度、新混合气速度关系)
答：燃烧速度（化学反应速度）与火焰传播速度是什么关系？区别是什么？(火焰速度、燃烧速度、新混合气速度关系)
燃烧速度越大层流火焰传播速度越大。燃烧速度的单位是摩尔每立方米每秒，表示单位时间单位体积内说消耗的燃料量，而火焰传播速度单位是米每秒，是化学反应燃烧区在空间的移动。层流火焰传播速度定义：火焰锋面在其法线方向相对于新鲜混合气的传播速度。
14. 燃料气的热扩散系数、燃料的发热量、化学反应速度、气体的密度、气体的压力、可燃气体初温、锋面形状等因素如何影响层流火焰传播速度？
答：燃料气的热扩散系数、燃料的发热量、化学反应速度、气体的密度、气体的压力、可燃气体初温、锋面形状等因素如何影响层流火焰传播速度？
燃料气的热扩散系数增大、燃料的发热量增大、化学反应速度增大、气体的密度减小、可燃气体初温越大，层流火焰传播速度都会增大。
层流火焰传播速度与压力的1/2*(n-2)次方成正比。
火焰锋面凹，层流火焰传播速度增大，火焰锋面凸散热增多，层流火焰传播速度减小。
15. 过量空气系数如何影响层流火焰传播速度？请图示。 答：过量空气系数如何影响层流火焰传播速度？请图示。 教材101页图3-18
理论燃烧温度：在α= 1时最高。α>>1空气多或α<<1燃料多都会导致散热多使理论燃烧温度降低，层流火焰传播速度降低。实验证明α ≈1且小于1时层流火焰传播速度最大。
16. 火焰锋面厚度的计算式是什么？真实的火焰锋面厚度大约是多少？ 答：火焰锋面厚度的计算式是什么？真实的火焰锋面厚度大约是多少？ 第三章课件40页。
17. 什么是淬熄距离？
答：火焰传播过程中，在距离壁面数MM的地方，壁面温度低，dT/dr较高，散热强烈，使Uce下降，造成火焰无法传播的临界便捷厚度成为淬熄距离。
18. 什么是湍流火焰传播的表面燃烧理论和容积燃烧理论？ 答：表面燃烧理论（舍谢尔金）
火焰面使层流型的，湍流脉动在一定空间内使燃烧面弯曲，皱折，乃至破裂，成“小岛”状的封闭小块，这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。 容积燃烧理论
湍流燃烧速度的增加是因为在湍流中热量和活化中心湍流转移速度都大大高于层流中同类型的分子迁移速度率，因而加速了火焰中化学反应，从而提高了实际的法向燃烧速度。
19. 什么是扩散火焰？什么是预混火焰？什么是全预混火焰？其火焰的形状和结构有何区别？——通过火焰的图像特征辨别火焰的种类。
答：扩散火焰：燃料和氧化剂边混合边燃烧，这时由于扩散作用对燃烧起控制作用，又称扩散火焰。
预混火焰：燃料和氧化剂预先混合好，这时化学动力学因素对燃烧起控制作用，亦称动力燃烧。 全预混火焰：若一次预混空气系数α1k>=1，一级空气氧已足够，此时也只有一个内火焰锋面，此时为全预混火焰。
具体图像参考教材或PPT。
20. 什么是脱火和回火？图解火焰的脱火区、回火区、稳定区和黄色火焰区。 答：
21. 为什么说扩散火焰不容易脱火也不容易回火？为什么全预混火焰既容易脱火也容易回火？结合火焰区域的图进行解释。（需要解释，为什么全预混火焰的稳定区比较窄？）
答：当1K=0，纯扩散火焰，不可能回火，因为管道中没有氧气，火焰传播速度为0。
也不易脱火，因为，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。 火焰极为稳定，但化学不完全燃烧损失大。 1K=~，稳定区域很大，运行较为可靠。 混合物中火焰传播速度很低，不容易回火。
与纯扩散火焰类似，随着燃料在环境中的扩散，与氧气混合，火焰传播速度上升，而流速却在扩散过程中不断下降，很容易出现火焰稳定点。
1K太小时，气体中烃缺氧，发生高温裂解，产生炭黑，火焰呈明亮黄色，发光火焰，黑度大，有利于炉内传热。
1K≥1时，既容易回火，也容易脱火，火焰很不稳定。 火焰传播速度很快，管道内供氧充分，很容易回火。
混合气流离开喷嘴以后，火焰传播速度不断下降，虽然流速也不断下降，但是，火焰传播速度的下降更快，很容易脱火。
22. 常用的防止回火的措施有哪些？常用的防止脱火的措施有哪些？ 答：
采用喉口设计：加装收缩段；直径变小
使用冷却装置：降低混合物温度，从而降低火焰传播速度，甚至直接淬熄火焰。 防止1K>
加稳焰器——使用钝体或者旋流，形成中心回流区，起到稳定点火源的作用 稳焰方法：利用钝体，旋转射流稳焰，利用逆向喷流稳焰，等等。
第四章 液体燃料燃烧
1. 液体燃烧的过程是什么？
答：雾化、受热蒸发、扩散混合、着火燃烧
2. 图解单个液滴燃烧时的空间区域划分，以及油蒸汽浓度、氧气浓度和温度分布。
3. 油滴燃烧属于扩散燃烧还是预混燃烧？为什么？
答：属于扩散燃烧限制油滴燃烧的主要因素是与空气的混合速度，即取决于空气向油滴表面扩散所需的时间，属扩散燃烧。
4. 液体燃料喷雾特征的评定指标有哪几项？索太尔平均直径的计算式和物理意义？ 答：① 雾化粒度：表示油滴颗粒大小的指标 ② 雾化油滴均匀性 ③ 雾化角： ④ 流量密度
5. 简述机械雾化和介质雾化的过程。 答：① 机械式雾化器
依靠油泵的压力将液体燃料的压力提高，使以较高的压力喷进燃烧室 ②介质式雾化器
用蒸汽做雾化介质，则还可以在雾化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空气压力低，雾化质量较差。
6. 单个油滴的蒸发过程的物理模型怎样？油滴蒸发满足什么定律？试推导之。 7. 请推导单个油滴燃烧时间的表达式。
（6、7）合答：①油滴球形，??2r，其周围温度场(
)，浓度场均匀(D)
②油滴随气流而动，与气流间无相对运动（Re=0） ③油滴表面温度近似等于饱和温度T0=Tb ④火焰锋面向内向外导热传递（忽略辐射），向内导热量=产生的油气量+油气温度升高，且忽略斯蒂芬流（油蒸汽穿过锋面逃逸的量）=0
⑤O2 从远方扩散而来在锋面上全部消耗掉，锋面O2 的C=0，且O2 扩散到锋面的量符含化学反应中氧与油的化学计量比
油滴蒸发满足平方直线定律。 另：“平方直线定律”推导见 复习PPT 或 课本 8. 燃油燃烧器的调风器应具备哪些功能？
答：① 有根部风（在油还未着火燃烧之前，在油雾根部已有一部分空气混入油雾中，15~30%一次风）——油料相对易燃，应该及早与氧气混合
② 早期混合要强烈——扩散燃烧，应重点强化空气与油雾的混合 ③ 有一大小位置适当的回流区——防止脱火 ④ 加强后期混合——利于残余的难燃组分的燃尽
9. 如何强化油雾燃烧？
答：增强雾化功能，减小油滴尺寸，提高雾化的均匀性； 提高燃烧室的温度水平，强化蒸发阶段的传热。
第五章 固体燃料燃烧
1. 图示煤燃烧过程的主要特点。 煤的燃烧过程有自己的特点：
气态产物： 挥发分V 受热裂解 热 供O2 着火燃烧 煤 剩余固态产物： 焦炭C 加热 着火燃烧 放热Q 燃尽
2. 煤种焦炭的质量大约占多少比例？焦炭的发热量大约占多少比例？焦炭的燃烧时间大约占多少比例？ 答： 焦炭占可燃成分的质量百分焦炭发热量占煤总发热量比，% 的百分比，% 无烟煤 烟煤 褐煤 泥煤 木柴 57-78 55 30 15 95 66 20 可见：焦炭（C）无论在煤中的质量百分比或燃烧放热（发热量）的百分比都是占主要地位。
① 煤中焦炭量占%，发热量占66-95%。
② 焦炭燃烧是异相化学反应，反应速度慢。焦炭燃烧的时间约占全部燃烧时间的90%，也就是说，挥发分燃烧时间仅约10%。这也说明了焦炭燃烧比气体燃料燃烧要困难的多。 ③ 从提供热量的角度，焦炭具有主要意义，∵它提供了大量的热量。
3. 什么叫异相燃烧？异相化学反应分为几个步骤？
答：异相燃烧是指不同相的物质之间发生的燃烧反应。
通常气固异相反应包括如下步骤：
第一步：O2必须通过扩散到达碳的表面，并被碳表面吸附 第二步：在碳表面上进行碳—氧反应，并生成反应产物 第三步：反应产物从碳的表面上脱离（解吸），并从碳表面向外扩散开去
4. 焦炭的反应活性跟哪些因素有关？
答：由于碳晶体边界与中心的活性不同（键能低）——边界反应活性更好。 基面上与基面间的活性不同（间隙大）——基面间反应活性更好。 内、外表面积大小不同，活性不同——表面积大反应活性更好。
所以不同的焦炭其化学反应速度相差甚大。一般密度小孔隙率高（疏松）的焦炭，粒径小的焦炭（比表面积大，内空隙易暴露），反应活性更强。
5. 写出异相化学反应速度的计算式，并结合图线探讨异相化学反应速度随温度和质量交换系数的变化规律。说明，什么是动力燃烧区？什么是扩散燃烧区？什么是过渡燃烧区？
KCbwm?k?q?k?1?KCb 反应速率当温度T很高时 很大 11O2=Kk?zlb??zlC?C?O2Kb?11??zlk结论： ①此时燃烧反应速度完全决定于扩散（αzl）——称为扩散燃烧（区）（或扩散燃烧控制） ②此时，碳表面化学反应很快，∴Ｏ2一扩散到碳表面就完全燃烧掉，∴燃烧决定于Ｏ2供应的多少，决定于碳表面的Ｏ2浓度，即为≥1级反应。
4x107O2 Kb kC?C?11??zlk3x107 ?zl KbO2?2x107 ?zlC?1x10700400800120016002000温度T/K③举例：气体燃料的扩散火焰中，只要Ｏ2一到火焰锋面就很快消耗掉。因此，强化燃烧唯一的办法就是增加扩散供Ｏ2，即↑αzl
6. 颗粒直径、温度和颗粒与气流之间的相对速度对燃烧区域（动力区、扩散区）的影响是什么？
讨论： ①颗粒直径δ0↓ Sm?②当T↑
↑S m?Sm??zlk↑→向动力区移动；
?zlk↓→向扩散区移动；
↑→向动力区移动；
③当相对速度Re↑
?zlk
7. 简述碳球燃烧的两种机理。碳燃烧过程中的氧化反应和气化反应是什么？图示这两种反应的反应
速度常数k随温度变化的规律。 答：反应机理1：
碳和氧气在中低温下反应，一次产物是二氧化碳和一氧化碳，一氧化碳再燃烧生成二氧化碳。 反应机理2： 在高温下，碳和二氧化碳发生气化反应生成一氧化碳，一氧化碳再在碳球附近燃烧生成二氧化碳。 碳燃烧的氧化反应是：4C + 3O2 = 2CO2 + 2CO
气化反应是：C + CO2 = 2CO
注意这两张图，温度向右是减小，k随t减小。
8. 为什么说碳的氧化反应是自我促进的，而气化反应是自我抑制的？请图示。
9. 请推导理想碳球燃尽时间与直径的关系。并根据其数学表达式讨论，影响碳球燃尽速度的主要因素有哪些？如何影响？ 答：一、假设
①燃烧反应在扩散区燃烧，即C球表面O2浓度很低，Cb≈0
②碳球表面进行氧化一次反应C+O2=CO2，生成物CO2向外扩散，没有气化反应CO2+C=2CO发生 ③碳球相对运动Re=0(与周围气体之间无相对运动) ④碳球周围气体浓度分布均匀 二、碳球表面扩散燃烧的燃烧速度
o2Kb??zlC? kg/(m2s)
那么单位时间单位C表面积上消耗的C量应为：
KCb??KO2b???zlC??2?DC??
单位时间内烧掉的C量应为：
Cm?(??2)Kb?(??2)2?DC? 三、单位时间内，碳球质量的减少量为
?d??3??2d?m??(?r)???rd?62d?
两个m相等，移项积分
积分区间τ：从0→τ δ：从δ0→δ
4?DC?8?DC?22??0?d????0?rd???0????r??K???
K?8?DC?式中
?r
得到碳球燃尽时间与直径的关系（即碳球扩散燃烧时的直径平方直线定律）为：
?02??2?K?
当δ→0时, τ→τrj
可知：影响碳球燃尽速度的主要因素是碳球直径
煤燃烧时，磨得越细(↓δ0)，反应越快，燃尽时间τrj越短
10. 图示碳球表面的C燃烧速度Kcb与与温度T的关系，并标示其分段区域。 答：
11. 通过提高气流与固体颗粒之间相对速度来强化燃烧的原理是什么？在什么情况下适用？ 答：原理：根据式
Nuzl?2?0.37Pr13Re0.6，可以看出，提高气流速度与固体之间相对速度即增大
Re，有利于传质，相当于适当提高氧气的浓度。这对于燃烧处于扩散区时较为适用。
12. 焦炭的内孔隙在什么条件下对燃烧有促进作用，而在什么情况下则无促进作用？请解释：为什么一块灼热的木
炭在空气中仍然可以继续燃烧，而一块灼热的煤在空气中则渐渐熄灭？
答：在低温下，化学反应速度慢。内表面上的O2浓度就等于外表面O2浓度Cb，此时内空隙对燃烧有促进作用。
随着温度T的↑化学反应速度↑↑，以至O2的扩散跟不上内表面的化学速度，此时内表面O2浓度↓到0。即Cb内=0，内空隙对燃烧无促进作用。 简单的说，在动力区中（低温），内表面参与化学反应。在扩散区中（高温），内表面对化学反应已无作用。
13. 根据零维燃烧热工况的模型，系统的产热率的计算式是什么？系统散热率的计算式是什么？请图示炉膛容积、燃料流量、燃料发热量、气流初温、炉膛吸热和烟气回流量对系统燃烧稳定性的影响。——使用零维燃烧热工况模型对燃烧设备的性能进行分析。 答：
产热计算： 炉膛容积中的产热率
Q1?k0CVQexp(?E)RT
按气流可燃成分的消耗率计算消去C就得到
Q1?CQ1k0Vexp(?E)RT?Q1?qV(C0?C)Q
(C0?C)Q?1qVCQ?(C0?C)QC0Q?11E?exp()EqVRT?1k0Vexp(?)k0VqVRT
Q：燃料与空气混合物的发热量
：气流的密度 单位产热量为：
q1?Q1?qV1?C0Qexp(E)RTk0?0
散热计算：
气流所带走的散热量：
Q2?qV?cP(T?T0)
q2?气体的单位散热量 ：
Q2??cP(T?T0)qV
14. 根据一维燃烧系统的模型，图示以下4种配风方案的升温曲线。1）空气完全由一次风送入；2）一半的空气从二次风送入，但较早送入二次风；3）一半的空气从二次风送入，但较迟送入二次风；4）二次风也分为两次送入，而且较迟送入。 答：
15. 结合零维燃烧系统和一维燃烧系统的主要结论，简述煤粉旋流燃烧器的燃烧特点。
答：煤粉与一次风气流喷入炉膛后与回流区流来的回流气体混合，并受到火焰的辐射，同时二次风与一次风混合，增大了着火所需热量；在这样三个因素起作用的条件下煤粉与一次风气流升温到着火温度而着火。
着火后一部分煤粉与一次风气流转而流入回流区，其他部分继续与二次风混合而燃烧，并向下游流去。
16. 简述煤粉的四角切圆燃烧方式的主要燃烧特点。
答：四角切圆燃烧方式：将直流燃烧喷出的煤粉气流在炉内呈切圆布置，形成切向燃烧（四角或四墙切圆燃烧）。
角置直流燃烧器的煤粉一次风气流所获得的对流传热来自炉内正在旋转的火焰，其中尤其是上邻角燃烧器的火炬冲撞；炉内旋转火焰的旋转速度主要决定于二次风；除了保持一、二次风以合适的方式混合，以及充分的烟气回流之外，切圆燃烧还必须防止一次风或整组射流偏转贴壁；一次风喷口的假想切圆选用得小一些；设计燃烧器时避免整组喷口过分高而瘦；或者把炉角做成大倒角，直流燃烧器放在大倒角后形成的炉角壁面上。
西安交大燃烧学课件燃烧学习题答案
