燃烧科普

作者:霍伟业 时间:2020-12-20 点击数:

燃烧现象普遍存在于我们日常的生产生活当中,是当今现代化工业生产中最常用的能量转化形式。比如,目前汽车的动力装置一般为内燃机,飞机的动力装置一般为航空燃气轮机,而刚刚“长征”归来的长征五号运载火箭的动力装置则为火箭发动机,上面这几种动力装置,都是利用燃烧技术,将汽油、航空煤油和液态氢的化学能转化为燃气的内能,再将燃气的内能转化为机械功。

人类应用燃烧技术的历史极为久远,从燧人氏钻木取火开始,人类就步入了应用火的时代,火是推动人类文明进步的重要因素。但是人们对燃烧理论的认识,远远落后于对燃烧技术的实践应用。这主要是由于燃烧过程极为复杂,湍流、传热、化学反应等多种复杂的物理过程相互耦合,难以区分单一物理过程对于燃烧的影响,大大增加了人们对于燃烧现象的理解难度。要认识燃烧、理解燃烧,我们就要从最简单的燃烧现象,比如管内层流预混火焰、对冲火焰、本生灯火焰等入手,得出一些有用的关键结论。

以甲烷和空气在管内的层流预混火焰为例,其试验结构与参数变化分别如图1和2所示。

燃烧发生在一个极薄的反应区内,该区域称为火焰前锋。在反应区内,温度、反应物和生成物的浓度都发生急剧的变化,并且释放大量的热量。依次应用连续方程、动量方程和能量方程,即可求解出火焰前锋的移动速度,称为火焰传播速度。

我们平常可以看见火焰,主要是由于三种原因的发光:化学反应过程中的化学发光、高温下黑体辐射和火焰吸收其他的光发出的荧光。

对于第一种化学发光,由于甲烷和空气的化学反应并不是由一步反应(CH4+2O2=CO2+2H2O)完成,而是由数百个基元反应组成(比较常用的一套反应机理是GRI-MECH 3.0,有300多个反应步骤),发生化学反应时会产生激发态的中间产物OH、OH*、CH、CH*等,激发态分子落回基态时,由于电子能量不同,会发出不同波长的光。

对于第二种黑体辐射,主要是由于燃烧产生的碳颗粒的白炽现象。若燃烧时空气少而燃料多,就会有碳单质析出结成颗粒。碳颗粒在高温下会进入白炽状态,发出白炽光。比如蜡烛的尖端火焰是黄色的,木头燃烧的火焰是橙色的,都是碳颗粒发出的白炽光。

对于第三种荧光,燃烧中的很多中间产物是吸收光的,如上述OH、CH都会吸收特定波长的光,变成激发态的OH*、CH*,激发态分子落回基态时,产生和化学发光相同波长的光。这种现象在生活中并不常见,但在实验室中,可以用连续波长光源或者激光来诱导荧光,而激光诱导荧光(LIF)是现在最先进的燃烧诊断技术。

工程上常见的燃烧过程,往往是湍流和化学反应相互耦合,火焰锋面会发生随机的褶皱,从而影响火焰传播速度等基础燃烧性质。湍流和化学反应的耦合大大增加了研究燃烧现象的复杂度,这也是目前燃烧学界的几大研究热点之一。

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