当前课程知识点：介质辐射传热 > 第十三章 燃烧中的热辐射问题 > 第一节 燃烧学基本科学问题 > Video
大家好
今天是我们这门课程的倒数第二次课
再上一次课这门课程就结束了
今天我们以燃烧中的热辐射为对象
介绍热辐射的应用问题
燃烧是一个典型的热辐射系统
了解燃烧中的热辐射问题及其分析方法以后
基本上对热辐射相关问题的分析就很容易了
我们在这门课程的宣传推送里
提到过大气层中的气体
气溶胶等粒子物影响大气辐射
在地球大气层中的传播过程
与燃烧过程相比
大气辐射中的辐射参与性的介质很相似
比如主要的气体
包括二氧化碳和水蒸气
与碳氢燃料燃烧火焰中的基本相同
大气气溶胶等粒子物
与碳氢燃料燃烧产生的碳烟也相似
有人干脆就把大气系统说成是一个“燃烧系统”
为什么这样说呢
因为大气中污染物的演变过程
其实含有化学反应过程
只是在较低的温度下的较为缓慢的反应
与燃烧系统中发生的剧烈化学反应
在反应速率和强度上有差异
因此一般不把大气系统当作反应系统
主要是一个流动和传热的系统
大气系统所传递的热量的主要来源是太阳辐射
其次是地球表面通过水汽蒸发
对流和热辐射将热量传递到大气中
我们这门课程中讲授的
辐射传递过程的分析方法
以及气体 粒子的辐射特性知识
也基本满足大气辐射分析的需要
当然要全面分析大气系统的演变过程
还需要大气热力学
以及多相流动等学科的相关知识
既然我们把燃烧中的热辐射
作为辐射应用分析的对象
就要从燃烧学的基本科学问题谈起
2008年西安举办的
中国工程热物理学会燃烧学学术年会上
国际燃烧学会前主席
现在要说就是前主席
那个时候可能是候任主席
普林斯顿大学罗忠敬教授
应邀做了大会特邀报告
报告中谈到
“燃烧学是研究反应流reacting flow的科学”
左边是Stephan Turns教授出版的
燃烧学导论第二版
右边是清华大学姚强教授主持出版的
中文翻译版
2000年在宾州州立大学访问进修时
我曾将Turns教授的燃烧学导论第一版
带回华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
就曾建议当时的同事将这本书引进国内
看到姚强教授以此书为基础
建设燃烧学国家精品课程
为姚老师及其同事叫好
这里给出了这本书中
关于一维层流预混火焰分析模型
模型假设条件的第二条就声明
热辐射全部忽略
我们来看看热辐射全部忽略后的能量方程
在这里是划红线的方程
影响分析区域的能量平衡的
首先是左边第一项的温度的变化
就是介质热焓的变化
引起的分析区域的能量的变化
左边第二项是通过介质传导引起的
分析区域的热焓的变化
右边是化学反应引起的组分变化
带来的热焓的变化
实质上就是化学反应放出的热量
这里能量守恒方程的含义是
燃烧化学反应产生的热量
一方面通过热传导和扩散在燃烧区域传递
没有传递出去的就升高了介质的温度
变成了介质自身的热焓这是显焓
显然热辐射在高温条件下的传热机制
在这里没有体现
我们回顾一下本门课程的相关描述
其中的重点有两点
一是燃烧过程是否产生了足够多的
不可忽略的热辐射
二是燃烧介质
是否具有吸收这些热辐射的足够的能力
对于这两条
其实只需要考虑一个重要的热辐射的参数即可
即燃烧介质的吸收系数κ
这个参数代表介质发射辐射的能力
也代表介质吸收辐射的能力
还是依据基尔霍夫定律
我相信认真学到这里的学员
对这两个问题的回答
应该都是肯定的
在化学反应方面
我们来看气体燃料燃烧过程中碳烟的生成过程
反应过程的初期
含碳和氢的气体小分子反应生成多环芳烃PAH
PAH进一步在欠氧条件下生成纳米小粒子
纳米小粒子进一步凝并长成大粒子
化学反应的复杂性在这里体现得很充分
由气相分子到固体粒子的多相反应
一个小粒子中都有数不清的原子
怎么能够用分子 原子的反应式描述清楚呢
化学反应的复杂性体现在多方面
首先反应既有单相的 相对还简单一点
更有多相的 像刚才看到的碳烟的生成过程
从化学反应的机理来看
有更基础的基元反应机理
也有面向应用的总包反应机理
碳氢燃料的化学反应机理
决定了化石燃料能量利用的效率
而燃烧过程中形成的污染物
也是化学反应不可忽略的副产物
从湍流流动的角度看
燃烧过程也非常复杂
这里给出了预混湍流射流火焰
燃烧模拟的一个例子
显示了轴向瞬态速度场的模拟
和实验结果的对比
以及模拟出的温度场
燃烧过程中的湍流流动的复杂性
同样体现在多方面
首先既有单相流动 相对还简单点
更有多相流动即使是单相流动的湍流机理
到现在也还没有充分的认识
更不用说多相湍流
反应流分层流和湍流
这是不同的流动形式
涉及到多相流动时
气泡 液滴和颗粒物的凝并和破碎
包含多相介质之间的转移更复杂
扩散和混合指的是反应物组分之间
和反应物与生成物之间的输运
复杂的化学反应和湍流流动
及其相互之间的耦合
构成了燃烧学的基本科学问题
就是罗忠敬教授描述的燃烧学所研究的
反应流的问题
我们这门课程讲的就是热辐射
就算是王婆卖瓜我也要说
热辐射的重要性在燃烧研究领域被严重低估了
不可忽略的事实是火焰要发出强烈的热辐射
火焰中存在强烈的热辐射传递和交换过程
热辐射的复杂性
一方面体现在气 固相介质辐射特性的复杂性
另一方面体现在辐射传递过程的分析的复杂性
我们这门课程的全部内容
就是在处理这些复杂性的问题
你们会说热辐射复杂就复杂
跟燃烧一定有很大的关系吗
关系很大
首先热辐射是高温系统燃烧的
主要的能量的传递的方式
当然对燃烧系统的能量平衡产生重要的影响
而影响能量平衡的最后结果
就是对燃烧系统的温度分布产生直接影响
燃烧系统的温度分布产生变化以后
首当其冲的是影响了化学反应的速率
因为一般化学反应的速率
随温度呈指数函数变化
温度变化几十度
化学反应速度可能变化一个数量级
燃烧介质的热物性参数 湍流流动的特性等等
都跟温度有密切的关系
所以热辐射对燃烧过程的影响是本质性的
是一个基础性的问题
也是在2008年西安举办的
中国工程热物理学会燃烧学的学术年会上
我因为承担国家自然科学基金重点项目
也被邀请作大会特邀报告
我报告的题目是《燃烧中的热辐射问题》
就是我们今天这门课程讲述的内容
事先我准备的PPT就把燃烧学当做是化学反应
湍流流动和辐射传热三者的耦合
罗老师的报告是第一个报告
我的是最后一个报告
听了罗老师的报告我说完了
这不是“画蛇添足”吗
想修改我的PPT已经来不及了
反正学术交流嘛
就是要发表自己的观点
对和错大家批评就是了
所以就把我自己当时的观点亮了出来
我讲完报告下来
主动到罗老师的面前
表示“讲得不好 请批评指正”
没想到他非常客气说
“very impressive”
事实上罗老师包括姚老师
现在也非常强调传热传质在燃烧过程中的作用
也认为热辐射这一块
确实是燃烧学需要加强的一个重要方面
可能也是今后燃烧学取得突破发展的
一个潜在方向
-第1节 热辐射的重要性
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-第2节 热辐射基本概念
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-第3节 表面对辐射的作用
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-第4节 表面双向反射分布函数及偏离镜向反射峰值现象
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-第5节 黑体
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-第6节 几个重要的基础辐射定律
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-第7节 辐射强度概念及兰贝特定律
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-第8节 发射率（黑度）及其检测举例
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-第9节 吸收率及灰体概念
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-第10节 温室效应及大气辐射
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-第11节 气体辐射换热基本概念及挑战
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-第12节 本课程教学思路及教材
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-第1节 辐射传递系统、辐射介质及辐射强度
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-第2节 辐射吸收和散射方程
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-第3节 辐射发射和散射的增强作用方程
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-第4节 一般辐射传递方程
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-第5节 几种简化条件下的辐射传递方程
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-第6节 辐射传递方程的边界条件及RTE小结
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-第7节 入射辐射、辐射热通量及辐射热源
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-第8节 热流体能量守恒方程及本章小结
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-第二章 辐射传递方程的建立和推导--第二章习题
-第1节 一维系统辐射传递分析的意义及一维平行平板介质
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-第2节 一维辐射传递方程一般形式
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-第3节 一维辐射传递方程简化形式
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-第4节 边界为黑体表面的非散射平板介质精确解
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-第5节 辐射平衡灰性非散射平板介质精确解
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-第6节 平板间介质辐射热通量及其散度计算一例
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-第7节 灰性漫射边界非散射平板介质精确解
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-第8节 几种散射平板介质精确解
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-第三章习题--作业
-第1节 光学薄近似概念
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-第2节 几种特殊的光学薄近似
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-第3节 光学薄介质辐射传递分析一例
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-第4节 光学薄近似解
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-第5节 光学厚近似的定义
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-第6节 光学厚近似的分析
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-第7节 光学厚近似解
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-第8节 本章小结
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-第四章 光学薄、光学厚概念及其近似解--第四章习题
-第1节 一般近似解的意义
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-第2节 舒斯特-史瓦西近似解
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-第3节 米尔恩-爱丁顿近似解
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-第4节 指数核近似解
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-第5节 本章小结
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-第五章 一维系统辐射传递一般近似解--第五章习题
-第一节 DOM法的概念和发展
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-第二节 DOM的基本原理
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-第三节 离散方向的选择
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-第四节 一维系统DOM求解
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-第五节 多维系统DOM法求解
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-第六节 FVM对DOM法的发展
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-第六章 辐射传递分析的离散坐标法（DOM）--第六章习题
-第一节 蒙特卡罗法的概念及其起源
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-第二节 浦丰（Buffon）问题
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-第三节 随机投点法与期望估计法
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-第四节 逆变换法：以介质吸收为例说明
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-第五节 辐射分析的蒙特卡罗法思路
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-第六节 辐射分析的蒙特卡罗法实施方法
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-第七节 蒙特卡罗法一例：READ法
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-第七章习题--作业
-第一节 为什么要做高温燃烧热辐射检测？
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-第二节 高像素辐射成像分析面临的挑战
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-第三节 二维系统辐射成像计算
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-第四节 辐射成像的快速计算方法
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-第五节 辐射成像快速算法的验证
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-第六节 漫散射边界处理及DRESOR法提出
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-第七节 DRESOR法主要研究进展
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-第八节 习题--作业
-第一节 气体辐射特性概述
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-第二节 气体辐射的物理机制
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-第三节 独立谱线的辐射计算
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-第四节 气体辐射特性数据库
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-第五节 气体辐射光谱模型概述
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-第六节 埃尔萨瑟窄带模型
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-第七节 统计窄谱带（SNB）模型
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-第八节 宽带模型
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-第九节 整体模型
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-第九章 气体辐射特性及其光谱模型--第九章习题
-第一节 粒子散射基本概念
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-第二节 粒子散射的定量描述
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-第三节 瑞利散射
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-第四节 球形粒子的米散射理论
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-第五节 大粒子辐射特性
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-第六节 粒子系辐射特性
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-第十章习题--作业
-第一节 从路面蜃景谈起
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-第二节 粗糙面大角度反射实验观察
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-第三节 表面的发射和吸收特性的描述
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-第四节 表面的反射特性的描述
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-第五节 表面辐射特性的理论分析
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-第六节 金属和非金属表面的辐射特性
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-第十一章习题--作业
-第一节 从“海市蜃楼”上蜃景谈起
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-第二节 梯度折射率介质辐射传递基本原理
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-第三节 梯度折射率介质辐射传递分析方法
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-第四节 梯度折射率介质辐射传递的DRESOR法
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-第五节 激光干涉法梯度折射率检测
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-第六节 瞬态辐射传递的时间漂移叠加法
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-第七节 瞬态辐射传递的DRESOR法
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-第十二章习题--作业
-第一节 燃烧学基本科学问题
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-第二节 热辐射对燃烧温度分布的影响
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-第三节 介质非灰性辐射模型的影响
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-第四节 湍流-辐射耦合作用（TRI）
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-第五节 燃烧反应放热的辐射传输机制
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-第六节 辐射传热对煤粉射流着火稳燃的作用
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-第十三章习题--作业
-第一节 因果律及正问题
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-第二节 反问题及辐射反问题
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-第三节 基于线性规划的二维温度场重建
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-第四节 分布参数反演的Tikhonov正则化方法
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-第五节 基于正则化的三维温度场重建
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-第六节 提高重建能力的虚拟像素法
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-第七节 温度场和辐射参数同时重建
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-第十四章习题--作业
