燃燒學(xué)—第2章

1、燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系1燃燒學(xué) 燃燒學(xué)燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系2第2章燃燒的物理基礎(chǔ) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 熱對流熱對流 熱輻射熱輻射 傳質(zhì)傳質(zhì)dxdTkqx ThTThqfw4TEyDJAABA燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系3第第2 2章章 燃燒物理基礎(chǔ)燃燒物理基礎(chǔ) 2.1 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)v 傅立葉定律傅立葉定律 熱通量，熱通量，W/m2; dT/dx, 溫度梯度，溫度梯度，/m; k k, ,導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m K）v 導(dǎo)熱微分方程導(dǎo)熱微分方程 k k /c 導(dǎo)溫系數(shù)，導(dǎo)溫系數(shù)， 內(nèi)部熱源，內(nèi)部熱源，J/（m3s）

2、無內(nèi)熱源時三維溫度場的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程無內(nèi)熱源時三維溫度場的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程 dxdTkqx xqcqzTyTxTtT/ 222222q0222222zTyTxTkqzTyTxTtT1222222燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系4v 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱t(yī)TkqxT122hh2LT t0Tt0T=T0f=0 無限大平板的瞬態(tài)導(dǎo)熱簡化為一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱簡化為一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱TT 令tx122初始條件和邊界條件初始條件和邊界條件 TTt00 0,0 0,xxkhxLx/ ,)cos()exp()(cos)(sinsin2 解為210 xtLLLLnnnnnnn/ / 0 0是比渥數(shù)（

3、是比渥數(shù)（Bi=hL/k ）、傅立葉數(shù)（）、傅立葉數(shù)（F0=t/L2）和）和x/L三個無量綱數(shù)的函三個無量綱數(shù)的函數(shù)數(shù) 當(dāng)當(dāng)BiBi很小時很小時，如薄片狀固體，采用集總熱容法，如薄片狀固體，采用集總熱容法 近似處理近似處理燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系5半無限大固體半無限大固體(Bi數(shù)大）一面受熱問題數(shù)大）一面受熱問題解為：解為：tx122初始條件和邊界條件初始條件和邊界條件 0 0,t0,x0 令TT )( ,)(khxxkhTT0 x)/2/()/exp()2/(2200kthtxerfckthkxhtxerfcTTTT其中其中erfc（x x）1erf（x x）, e

4、rf（x x）高斯誤差函數(shù)）高斯誤差函數(shù) erf（0 0）=0 =0 erf（）=1 =1 erfc（0 0）=1 =1 erfc（）=0=0燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系6分析分析：x=0（固體表面），（固體表面）， erfc（0 0）=1=1 )/2/()/exp()2/(2200kthtxerfckthkxhtxerfcTTTT)/()/exp(1/22ktherfckthst = ， erfc（）=0=0TTss , 1/在熱流作用下，固體表面的升溫速度，與固體本身的在熱流作用下，固體表面的升溫速度，與固體本身的/k2=1/(kc) kc-熱慣性熱慣性. 熱慣性較小

5、的材料，其表面溫度在加熱的同時上升很快，熱慣性較小的材料，其表面溫度在加熱的同時上升很快，易點燃易點燃 0510時間（時間（min）鋼鋼161080.51.0橡木橡木780103石棉石棉90103FIB20103PVC950圖圖2-2 熱慣性對半無限大固體表面升溫速率的影響熱慣性對半無限大固體表面升溫速率的影響erfc（0 0）=1 =1 erfc（）=0=0/s燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系7分析分析：當(dāng)：當(dāng)Bi(=hL/k)很大時，很大時， erfc（） 0 0)/2/()/exp()2/(2200kthtxerfckthkxhtxerfcTTTTtxerftxerfc

6、21)2(例題：例題：一房間發(fā)生火災(zāi)，室內(nèi)溫度達(dá)一房間發(fā)生火災(zāi)，室內(nèi)溫度達(dá)1000，墻壁厚，墻壁厚0.15m，導(dǎo)溫系數(shù)導(dǎo)溫系數(shù)5.210-7m2/s。經(jīng)過多長時間，掛在隔壁房間墻壁。經(jīng)過多長時間，掛在隔壁房間墻壁(初初始溫度始溫度10）上的衣物有著火的危險（衣物的自燃點）上的衣物有著火的危險（衣物的自燃點200）？）？解：解：terf7102 . 5215. 0110100010200terf7102 . 5215. 0808. 0hst55. 312780 92. 0102 . 5215. 07t燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系82.2 2.2 對流換熱對流換熱 對流換熱過

7、程的三個基本因素對流換熱過程的三個基本因素v 流體的運動狀態(tài)流體的運動狀態(tài)v 流體與固體壁面溫度差流體與固體壁面溫度差v 流體的熱物性，即流體的熱物性，即k k和和c cp p。 ThTThqfw牛頓公式牛頓公式對流換熱系數(shù)：對流換熱系數(shù)：h h，W/W/（m m2 2 K K）熱邊界層熱邊界層2/1Re8lhl0 yyTkqsTTkq 35. 0PrRe/83/12/1lkh普朗特數(shù)Prv/ 3/12/1PrRe35. 0khlNu努塞爾數(shù)努塞爾數(shù)2323vTglvglGr葛拉曉夫數(shù)葛拉曉夫數(shù)31Prh燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系9yxxUU（a）（b）h（x）U（y）

8、U（0）0h（x）過渡區(qū)過渡區(qū)層流邊界層層流邊界層湍流邊界層湍流邊界層流線流線層流內(nèi)層層流內(nèi)層圖圖2-3 平板上的絕熱流動邊界層系統(tǒng)平板上的絕熱流動邊界層系統(tǒng)xU TUTT（y）h（x）（x）Ts圖圖2-4 平板上的非絕熱流動邊界層系統(tǒng)平板上的非絕熱流動邊界層系統(tǒng)（虛線表示流動邊界層，實線表示熱邊界層）（虛線表示流動邊界層，實線表示熱邊界層）燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系102.32.3熱輻射熱輻射 QQdQrQa吸收率吸收率=Qa/Q, 黑體為黑體為1 反射率反射率r=Qr/Q, 白體為白體為1透射率透射率d=Qd/Q, 透明體為透明體為1輻射強度輻射強度4TEStefa

9、n-Boltzman常數(shù)，常數(shù)，輻射率，黑體，輻射率，黑體，=1?；馂?zāi)火災(zāi)時，火焰的熱輻射：時，火焰的熱輻射：T=1100T=1100，若，若=1, E=200kW/m2克?；舴蚨煽讼；舴蚨?蘭貝特定律蘭貝特定律1drEI 燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系112.3.2熱氣體和非發(fā)光火焰的輻射熱氣體和非發(fā)光火焰的輻射 N N2 2、H H2 2、O O2 2等，無紅外輻射等，無紅外輻射COCO2 2、H H2 2O O、COCO、和碳?xì)浠衔?，有不連續(xù)的紅外輻射，、和碳?xì)浠衔?，有不連續(xù)的紅外輻射， I0IdxCIKdIxCLKIIxexp0CLKIIILexp100當(dāng)當(dāng)

10、L時，時， 和和趨于趨于1 燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系122.3.3發(fā)光火焰和熱煙氣輻射發(fā)光火焰和熱煙氣輻射 發(fā)光火焰：煙氣中含有炭粒，發(fā)光火焰：煙氣中含有炭粒，輻射光譜是連續(xù)，輻射光譜是連續(xù)，炭炭粒粒的輻射率的輻射率如下：如下： KLexp1svTfCCK2072. 3C C0 0為為2 26 6之間的常數(shù)，之間的常數(shù)，C C2 2為為PlankPlank第二常數(shù)，第二常數(shù)，f fv v為炭顆粒的體積分?jǐn)?shù)。為炭顆粒的體積分?jǐn)?shù)。T Ts s為輻射溫度為輻射溫度 。炭粒的輻射率遠(yuǎn)大于氣體炭粒的輻射率遠(yuǎn)大于氣體例題例題2-32-3：在尺寸為在尺寸為2.42.43.63.62

11、.4m2.4m（高）的木制房間的頂棚中心（高）的木制房間的頂棚中心位置安放了火災(zāi)探測器。與其相連的水噴淋系統(tǒng)最大滅火能力可將位置安放了火災(zāi)探測器。與其相連的水噴淋系統(tǒng)最大滅火能力可將直徑直徑0.5m0.5m、高為、高為1.0m1.0m的火焰撲滅。試按照最不利的情況，即在房間的火焰撲滅。試按照最不利的情況，即在房間上角著火的情況，設(shè)定火災(zāi)探測器的報警熱流上角著火的情況，設(shè)定火災(zāi)探測器的報警熱流 。燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系131m1.4m2 . 4m3 . 6m0.5m1.8m1 . 2m火焰探 測器圖2-7 火焰到目標(biāo)元區(qū)熱流量計算舉例4fTq020cos112LrFd

12、AAL L0 0為柱體中心到表面微元的距離為柱體中心到表面微元的距離 mL818. 125. 02 . 125. 08 . 1220068. 11/818. 1tan)/(tan1010HL0102. 0068. 1cos818. 125. 012從表從表2-62-6中查中查得得K=0.8K=0.8，T Tf f1732K1732K，L L取火焰直徑取火焰直徑0.5m0.5m 33. 0115 . 08 . 0eeKL24114/7 . 1173210667. 533. 00102. 0mkWTqf燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系142.4 2.4 物質(zhì)的傳遞物質(zhì)的傳遞 物質(zhì)

13、傳遞的方式物質(zhì)傳遞的方式v 分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散v 界面上的斯蒂芬流界面上的斯蒂芬流v 浮力引起的物質(zhì)流動浮力引起的物質(zhì)流動v 由外力引起的強迫流動由外力引起的強迫流動v 湍流運動引起的物質(zhì)混合湍流運動引起的物質(zhì)混合 2.4.1 物質(zhì)的擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散 v 費克（費克（Fick)Fick)擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律 yDJAABAyDJSSS對于氣體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于氣體，質(zhì)量分?jǐn)?shù) f fA A=A A/yfDJAABA燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系15 2.4.2 斯蒂芬流斯蒂芬流 v 例例1 水的蒸發(fā)水的蒸發(fā)yABfair,0fH2Ofair0V0f圖圖2-102-10水面蒸發(fā)時的斯蒂芬流

14、水面蒸發(fā)時的斯蒂芬流12airOHff0200,2yfDJOHoOH0000,yfDJairair0 , 00,0airairJyf002yfOH00 ,2OHJ燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系16v在氣在氣/ /水界面處，除了水界面處，除了擴(kuò)散流擴(kuò)散流之外，還存在之外，還存在蒸發(fā)蒸發(fā)作用，存在一個與空氣擴(kuò)散作用，存在一個與空氣擴(kuò)散流相反的流相反的空氣空氣水蒸氣混合氣水蒸氣混合氣的的整體質(zhì)量流整體質(zhì)量流，使得空氣在相分界面上的總，使得空氣在相分界面上的總物質(zhì)流為零。物質(zhì)流為零。v混合氣的總體質(zhì)量流是以流速混合氣的總體質(zhì)量流是以流速V V0 0流動的，分為兩部分：流動的，分為兩

15、部分：一部分是該組分由于濃度梯度造成的擴(kuò)散物質(zhì)流一部分是該組分由于濃度梯度造成的擴(kuò)散物質(zhì)流另一部分是由于混合氣的總體質(zhì)量流所攜帶的該組分的物質(zhì)流。另一部分是由于混合氣的總體質(zhì)量流所攜帶的該組分的物質(zhì)流。 000,0200000,0,0,2222VfyfDVfJgOHOHOHOHOH0000,0000,VfyfDgairairair000,02000,0,0,000222 VfyfDgggVgOHOHOHairOHv在水面蒸發(fā)問題中，斯蒂芬流（即水的蒸發(fā)流）并不等于水汽的在水面蒸發(fā)問題中，斯蒂芬流（即水的蒸發(fā)流）并不等于水汽的擴(kuò)散物質(zhì)流，而是等于擴(kuò)散物質(zhì)流加上混合氣總體運動時的所攜帶擴(kuò)散物質(zhì)流，

16、而是等于擴(kuò)散物質(zhì)流加上混合氣總體運動時的所攜帶的水汽物質(zhì)流兩部分所構(gòu)成。的水汽物質(zhì)流兩部分所構(gòu)成。 燃燒學(xué)-第二章中國礦業(yè)大學(xué)能源學(xué)院安全與消防工程系17 例二、碳板在純氧中燃燒的分析例二、碳板在純氧中燃燒的分析 CO2O222COOC122COOff00000022yfDyfDOCO0,0,22 COOgg由擴(kuò)散作用有：0,0,223244 OCOgg但根據(jù)化學(xué)方程式有：即化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的即化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的CO2多于多于CO2擴(kuò)散流，因此必然存在著一個與擴(kuò)散流，因此必然存在著一個與方向方向CO2擴(kuò)散方向相同的混氣整體質(zhì)量流，不斷從碳表面排走擴(kuò)散方向相同的混氣整體質(zhì)量流，不斷從碳表面排走CO2 。這一總體質(zhì)量流就是。這一總體質(zhì)量流就是斯蒂芬流斯蒂芬流-即碳的燃燒速率即碳的燃燒速率 000,0,022VgggCOOcOOOggggg222321232440,0,0斯蒂芬流斯蒂芬流-界面上的擴(kuò)散作用界