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下一节:质量守恒和组分守恒

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假设课程教案、知识点、字幕

我们已经对一个

在非常高的温度底下

一个液滴跑到大气温度底下

温度底下蒸发的整个的过程

我们已经能够描述了

包括它的整个的蒸发的速率

以及它的寿命

我们来看一看如果把它

如果把它蒸发

蒸发是在氧化剂里面做的

而且温度又这么高

那怎么样 它一定会烧着

那么燃烧会怎么样

大家想一想这个现象

你会发现最后的燃烧的过程

实际上它是一个典型的

非预混燃烧

它就会围绕液滴

形成一个球形的火焰

就是大概

我们设想的这么一个过程

那我们续保留

假设液滴怎么样

是在完全静止的

这么一个状态底下

而且是球对称的

而且火焰的话

刚好是什么

球形的包围着液滴

而且也是对称的

当然实际上如果它有流动什么的

可能就会很复杂

我们先假设它是完全对称的情况

后面我们再来看看是怎么样

但我们先把表面

我们刚才的假设表面是处于沸点

我们现在先把假设去掉

我们来看看它怎么样

去研究它过程

好 我们来研究它

首先我们做基本假设 对吧

我们把物理现象描述了以后

做基本假设

再去建立方程

再求解

这是我们现在

基本的逻辑

好 我们来看看液滴

第一个假设

我们刚才已经说了

它是一个静止的

无限大的一个空间里边

边上我们不受其他的任何影响

那么火焰的话

是完全球对称的

一个包围火焰

液滴也是球对称

火焰也是球对称

就这么一个过程

第二的话我们假设

燃烧是整稳态的

也就是说液滴虽然在变化

但是整个的

燃烧的过程来看

包括蒸发过程和燃烧过程

假设是整稳态的

第三个当然也是我们前面说的

液气处于相平衡

而且燃料

其他的东西不会溶到

燃料里边去

第四个假设的话

假设压力是完全均匀的

而且是一个常数

就是整个我们的研究的

这空间是一个常压的系统

我们来想一想

那么我们就会发现

由于液滴火焰面

把整个的空间

实际上是分成了三个区间

当然中间那个是一个液滴

我们就不去管它

如果说火焰面的话

怎么样

是把整个的气相

是分成了两个空间

那么火焰的内部怎么样

是只有燃料蒸气

和产物

而外区

只有氧化剂和产物

所以这里边每一个里边

都是二元扩散的

所以这个问题就显得很简单了

而在火焰处怎么样

是燃料和氧化剂

都扩散到这个位置

是化学当量比的反应

而且反应非常非常快

它是一个无限快的反应

这都跟我们前面的

非预混燃烧的气体燃料

实际上是完全一个假设

我们大家都扩撒到这里

有一个非常薄的火焰面

这个假设有什么好处

有我们两个气相的

内区和外区

都不用考虑它的化学反应

只有在表面上的化学反应

当然我们还假设什么

假设Lewis数等于1

还有忽略所有的辐射传热

这样我们的方程就没有

没有积分的这一项

包括当然还有所谓的物性

包括热传导率 比热 密度

二元扩散系数等等通通是常数

那液体燃料刚才实际上已经说了

只是液体没有凝结相

所以没有

烟还有液体水这种东西存在

如果里边有这些东西

那就情况就很复杂了

我们假设液体是完全单一的

好 在这样的条件底下

我们就有可能对它进行分析

首先我们来想一想

实际上就是我们分了两个区

如果我们去建立它的

气相的能量方程

我们有没有可能去进行

进行求解

是完全可能

能量方程跟我们前面

那个蒸发的能量方程是一样

是完全一样的

为什么完全一样

因为它也是没有化学反应 对吧

只是边界条件不一样

那我们关键是火焰面怎么样

火焰面有一个温度

那个温度可能最高

无穷远处还有一个温度

那么表面还有一个温度

那我们前面的假设表面温度是Tboil

我们现在叫Ts

好 我们这三个温度

实际上T可能我们已知的

Tf我们不知道

Ts的话

如果我们表面

实际上现在也不知道

我们如果假设知道的话

那我们唯一不知道是Tf

所以温度有三个重要的

就是Ts TfT

那我们再来看一看整个的

这几个区域里边是怎么样的情况

首先我们再看看

就是在燃料区域

也就是火焰里边的情况

那燃料怎么样

燃料在表面

表面等于多少

YF,s

就是表面的燃料比例

而这个参数实际上

现在我们不知道

但是我们已经知道

到了火焰面怎么样

是完全被燃烧

所以它一定会减到零

这个清楚

但这个点上的话

它的产物

YF)就等于1了

那么到表面的产物的

量多少

那1-YF,s

它这两个相当的

对不对

好 我们来看看氧化剂

氧化剂内区就没有

外区的话

无穷远处假设等于1

对不对

到了表面等于零

减到零

就是这是一个它的非常典型的

而产物我们刚才说了

它是怎么样

火焰表面等于1

向外区也有扩散

向内也有扩散

就形成了这么一个

它的典型的分布

跟我们气体燃料的燃烧

那个分布是完全(相同的)

气体燃料只是说

我们是一个一维的

我们这一是一个球对称的

实际上是非常相似

所以我们来想一想

产物会发生什么情况

产物实际上它是有浓度梯度的

对不对

实际上就是什么

实际上某种意义上

从反应面应该

是向液滴的表面是有扩散的

但是这里实际上它并没有

因为我的液滴

不能够容纳产物

那说明怎么样

它要维持这样一个东西

它是要有一个宏观的流动

这种我们在第三章里面

讲的是非常典型的Stefan流

它真正的产物在内区的

质量流率怎么样

综合的质量流率是等于零

它不会有变化 对吧

这个就是Stefan流的问题

所以我们来看一看

我们把它点燃了以后

跟我们刚才的蒸发有一个什么

蒸发就没有一个火焰面

而我们出来一个火焰面

所以我们最重要的什么

几个不知道的

一个的话火焰表面

温度我们不知道

对吧

我们同样

我们最最关心的是什么

关心的是燃烧的速率

就是mF'

也不知道

那我们rf怎么样

也就是火焰面的半径多少

我们也不知道

位置我们也不清楚

表面的温度实际上我们也不知道

而表面的YF,s我们知道不知道

也是不知道的

到底有多少

我们在一般的气体燃料

基本上就很容易理解

我有多少来

就1一般来说

是吧

那就很容易理解

但是在这里边的话

实际上跟它的蒸发是有关系的

所以变成了什么

我们有五个未知数

那么关于液滴表面的研究

就是液滴的燃烧

包括液滴的这种表面的蒸发燃烧

过程的研究实际上说实在的

这一百年一直在做

很有意思

一直到现在

因为有很多著名的科学家

都做了非常多的贡献

比如像两个华人的科学家

C.K.Law 和K.K.Kuo

他们都是

而我们在这里边是怎么样

想办法要去把它求解的

一个基本的思路

实际上就是利用

它们前人的这些基本思路

我们来怎么来进行求解

那么从刚才思路的话

实际上我们主要是

要把气相能量方程

表面的能量方程

我们火焰面的这能量方程

包括我的质量守恒等等

这些方程出来了以后

我相信我们一定可以去进行求解

燃烧理论课程列表:

第一章 导论

-1.1 我们为什么要学习燃烧理论

--1-1:我们为什么要学习燃烧理论

-1.2 什么是燃烧:定义与现象

--1.2 什么是燃烧:定义与现象

-1.3 燃烧科学发展简史

--1.3 燃烧科学发展简史

-1.4 燃烧科学的研究方法

--1.4 燃烧科学的研究方法

-1.5 课程的结构

--1.5 课程的结构

第二章 燃烧与热化学

-2.1 概述

--概述

-2.2 状态参数复习

--状态参数复习

-2.3 热力学第一定律

--热力学第一定律

-2.4 反应物和生成物的混合物

--反应物与生成物的组成

--绝对(或标准)焓和生成焓

--燃烧焓与热值

--例题

-2.5 绝热燃烧温度

--定压绝热燃烧温度

--定容绝热燃烧温度

-2.6 化学平衡

--第二定律的讨论

--吉布斯函数

--复杂系统(选修)

-2.7 燃烧的平衡产物

--全平衡(选修)

--水煤气反应的平衡

--压力影响

-2.8 应用

--回热式和蓄热式交换器

--例题

--烟气再循环

-2.9 小结

--小结

-第二章 燃烧与热化学--第二章作业

第三章 传质引论

-3.1 传质概述

--3.1.1传质概述

-3.2 传质理论基础

--3.2.1菲克扩散定律

--3.2.2扩散的分子基础-分子动力学

--3.2.3扩散系数的微观推导(选修)

--3.2.4组分守恒方程推导

-3.3 传质应用实例

--3.3.1应用实例一:液面蒸发

--3.3.2蒸汽界面边界条件

--3.3.3液滴蒸发

-3.4 小结

--3.4.1液滴质量守恒+小结

-第三章 传质引论--第三章作业

第四章 化学动力学

-4.1 概述

--概述

-4.2 总包反应与基元反应

--总包反应与基元反应

-4.3 基元反应速率

--双分子反应和碰撞理论

--其他基元反应

-4.4 多步反应机理的反应速率

--净生成率

--反应速率常数与平衡常数关系

--稳态近似

--单分子反应机理

--链式反应和链式分支反应(一)

--链式反应和链式分支反应(二)

--化学时间尺度(一)

--化学时间尺度(二)

--部分平衡

-4.5 简化机理(选修)

--简化机理(选修)

-4.6 催化和非均相反应(选修)

--催化和非均相反应(选修)

-4.7 小结

--小结

-第四章 化学动力学--第四章作业

第五章 一些重要的化学机理

-5.1 概述

--概述

-5.2 H2-O2系统

--H2-O2系统

--H2-O2系统爆炸特性

-5.3 一氧化碳的氧化

--一氧化碳的氧化

-5.4 高链烷烃的氧化

--三步机理

--八步机理

--总包反应和准总包机理

-5.5 甲烷燃烧

--复杂机理和起源

--甲烷燃烧动力学

--高温反应途径分析

--低温反应途径分析

-5.6 氮氧化物

--氮氧化物的形成(一)

--氮氧化物的形成(二)

--氮氧化物的危害

-5.7 小结

--小结

-第五章 一些重要的化学机理--第五章作业

第六章 反应系统化学与热分析的耦合

-6.1 概述

--6.1 概述

-6.2 定压-定质量反应器

--6.2 定压-定质量反应器

-6.3 定容-定质量反应器

--6.3 定容-定质量反应器

-6.4 全混流反应器

--6.4 全混流反应器

-6.5 柱塞流反应器

--6.5 柱塞流反应器

-6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

--6.6 燃烧系统建模中的应用及小结

-第六章 反应系统化学与热分析的耦合--第六章作业

第七章 反应流的简化守恒方程

-7.1 概述和总质量守恒

--7.1 概述和总质量守恒

-7.2 组分质量守恒

--7.2 组分质量守恒

-7.3 多组分扩散(选修)

--7.3 多组分扩散(选修)

-7.4 动量守恒方程(选修)

--7.4 动量守恒方程(选修)

-7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式

--7.5 能量守恒方程-质量通量表达形式

-7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义

--7.6 守恒标量的概念-混合物分数定义

-第七章 反应流的简化守恒方程--第七章作业

第八章 层流预混火焰

-8.1 概述及物理描述

--8.1 定义及重要特征与实验室典型火焰

-8.2 层流火焰分析

--8.2.1 简化分析

--8.2.1 简化分析(续)

--8.2.2 详细分析

-8.3 影响火焰速度和火焰厚度的因素

--8.3.1 温度、压力和当量比,燃料选型及火焰速度选型

--8.3.2 火焰速度测量

-8.4 熄火、可燃性和点火

--8.4.1 冷壁熄火

--8.4.2 可燃极限和点火

-8.5 火焰稳定及小结

--8.5 火焰稳定及小结

-第八章 层流预混火焰--第八章作业

第九章 层流非预混火焰

-9.1 概述

--概述

-9.2 无反应的恒定密度层流射流

--物理描述

--求解

--两个例子

-9.3 射流火焰的物理描述

--射流火焰的物理描述

-9.4 简化理论描述

--概述

--守恒标量

--状态关系式

--各种不同的解法(一)(选修)

--9.4.5 各种不同的解法(二)(选修)

-9.5 不同几何形状燃烧器的火焰长度

--圆口和槽型口燃烧器火焰长度

--火焰长度的影响因素

--两个例子

-9.6 碳烟的形成和分解

--碳烟的形成和分解

-9.7 对冲火焰(选修)

--对冲火焰(选修)

-9.8 小结

--小结

-第九章 层流非预混火焰--第九章作业

第十章 液滴的蒸发与燃烧

-10.1 概述

--概述

-10.2 液滴蒸发的简单模型

--基本假设

--气相分析

--气液界面能量平衡

--液滴寿命

-10.3 液滴燃烧的简化模型

--假设

--质量守恒和组分守恒

--温度分布

--液滴表面能量守恒

--火焰面处能量守恒

--液气平衡 总结和求解

--燃烧速率常数和液滴寿命

--例题

--扩展到对流条件

-10.4 一维蒸发控制燃烧

--物理模型和假设

--液滴数目和液滴相守恒

--总守恒方程

--气相成分和气相能量守恒

--液滴动量守恒 模型总结

--例题

-10.5 小结

--小结

-第十章 液滴的蒸发与燃烧--第十章作业

第十一章 固体燃烧

-11.1 概述及燃煤锅炉

--11.1.1 概述

--11.1.2 燃煤锅炉

-11.2 非均相反应

--11.2.1 非均相反应及表面化学反应

--11.2.2 碳反应的半总包机理反应

-11.3 单颗粒碳的燃烧-单膜模型

--11.3.1 模型建立

--11.3.2 质量与组分守恒与表面化学动力学

--11.3.3 电路比拟与碳燃烧控制

--11.3.4 能量守恒

-11.4 单颗粒碳的燃烧-双膜模型

--11.4.1 模型建立

--11.4.2 组分守恒、封闭性和表面化学反应

-11.5 颗粒燃烧速度

--11.5 颗粒燃烧速度

-11.6 煤的热解及燃烧

--11.6 煤的热解及燃烧

-第十一章 固体燃烧--第十一章作业

第十二章 湍流燃烧入门(选修)

-12.1 概述

--概述

-12.2 湍流现象与描述

--湍流的现象与描述

-12.3 湍流尺度

--湍流尺度

-12.4 湍流模型

--湍流模型方法(1)

--湍流模型方法(2)

-12.5 湍流预混火焰

--湍流火焰速度

--湍流火焰结构与模式

--12.5.3 例题

--层流火焰折皱模式

--分布式反应区模式和漩涡小火焰模式

--火焰稳定

-12.6 湍流非预混火焰

--射流火焰

--火焰长度

-12.7 湍流燃烧小结

--湍流燃烧小结

课程总结

-课程总结

--课程总结

假设笔记与讨论

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