焓形式能量守恒方程課件

第三講燃燒物理學(xué)基本方程第三講燃燒物理學(xué)基本方程13-1燃燒回顧有強(qiáng)烈放熱和發(fā)光的化學(xué)反應(yīng)別忘了:固液氣燃料（煤，非金屬的碳，硅，硼，金屬如鎢鉬鈦鋯，鉀鈉鈣鎂，固體推進(jìn)劑；石油產(chǎn)品和液態(tài)烴；天然氣和氣態(tài)烴）氧化類氧化—氮化，氯化分解—聯(lián)氨分解為氮和氫代替反應(yīng)—鈉加水成為氫和氧化鈉的反應(yīng)3-1燃燒回顧有強(qiáng)烈放熱和發(fā)光的化學(xué)反應(yīng)2流動，傳熱，傳質(zhì)和反應(yīng)的相互作用有濃度和溫度劇烈變化的區(qū)域（不是發(fā)光的燃燒產(chǎn)物）火焰能自動傳播—緩燃（〈1m/s）和爆震（3000m/s）火焰的輻射，生碳和電離現(xiàn)象層流和湍流火焰擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰化學(xué)平衡流動和凍結(jié)流動擴(kuò)散控制和動力控制的燃燒流動，傳熱，傳質(zhì)和反應(yīng)的相互作用3

3-2多組分有反應(yīng)流體基本性質(zhì)和關(guān)系式

（1）多組分完全氣體混合物質(zhì)量相對濃度、摩爾百分濃度

3-2多組分有反應(yīng)流體基本性質(zhì)和關(guān)系式

（1）多組分完4

多組分完全氣體混合物（續(xù)）多組分完全氣體混合物（續(xù)）5動量交換定律:速度梯度—Newton粘性定律熱量交換定律:溫度梯度---Fourier導(dǎo)熱定律質(zhì)量交換定律:濃度梯度---Fick擴(kuò)散定律

分子輸運(yùn)基本定律動量交換定律:分子輸運(yùn)基本定律6（2）三種速度和三種物質(zhì)流v——混合氣相對于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的速度vS——s組分相對于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的速度VS——s組分相對于混合氣的運(yùn)動速度，即由于分子不規(guī)則運(yùn)動引起的擴(kuò)散漂移速度VS=vS–v（2）三種速度和三種物質(zhì)流7三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）物質(zhì)流的定義是單位時(shí)間單位截面流過的質(zhì)量三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）物質(zhì)流的定義是單位時(shí)間單位截面流過8三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）混合氣中各組分的物質(zhì)流不等于該組分的擴(kuò)散流各組分?jǐn)U散流的總和為零擴(kuò)散流的總和對混合氣整體運(yùn)動沒有影響各組分?jǐn)U散線速度的總和不為零三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）混合氣中各組分的物質(zhì)流不等于該組分9（3）多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律

（3）多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律

10多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律（續(xù)）

組分焓和混合物焓都包括物理焓(熱焓）和化學(xué)焓。組分生成焓是常數(shù)，混合物生成焓是組分濃度的函數(shù)。組分的比熱與組分濃度無關(guān)，混合物的比熱取決于組分濃度。三種混合物的焓：熱焓、熱焓十化學(xué)焓、滯止焓=熱焓十化學(xué)焓十動能。多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律（續(xù)）

組分焓和混合物焓都包括物113-3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式

化學(xué)反應(yīng)速度的表征3-3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式

化學(xué)反應(yīng)速度的表征12化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式（續(xù)）

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式（續(xù)）

13

3.4層流多組分有反應(yīng)單相流動

基本方程組

3.4.1Reynolds輸運(yùn)定理和通用守恒律

3.4層流多組分有反應(yīng)單相流動

基本方程組

3.4.114

3.4..2連續(xù)方程

質(zhì)量守恒

3.4..2連續(xù)方程

質(zhì)量守恒15

3.4.3組分質(zhì)量守恒方程(擴(kuò)散方程)

3.4.3組分質(zhì)量守恒方程(擴(kuò)散方程)

163.4.4動量守恒方程3.4.4動量守恒方程17

3.4.5能量守恒方程--能量變化和換熱

3.4.5能量守恒方程--能量變化和換熱

18

能量守恒方程(續(xù)1)-體積力功

和總能量守恒

能量守恒方程(續(xù)1)-體積力功

和總能量守恒

19

能量守恒方程(續(xù)2)-膨脹功和耗散能

能量守恒方程(續(xù)2)-膨脹功和耗散能

20

能量守恒方程(續(xù)3)--內(nèi)能形式

能量守恒方程(續(xù)3)--內(nèi)能形式

21

能量守恒方程(續(xù)4)

和單組分流動相比，多組分有反應(yīng)流動的能量方程中多出了兩項(xiàng):各組分?jǐn)U散流所攜帶的凈焓值和各組分體積力與該組分?jǐn)U散漂移速度所構(gòu)成的外功之和.擴(kuò)散流的總和為零,但擴(kuò)散流所攜帶的凈焓值以及與擴(kuò)散流有關(guān)的體積力所做的功之和都不為零.完整形式的能量方程包括內(nèi)能和動能的變化,熱交換和機(jī)械功.動能守恒方程包括動能和一部分機(jī)械功的變化,和傳熱無關(guān).內(nèi)能形式的能量方程包括內(nèi)能變化,傳熱和另一部分機(jī)械功,與動能無關(guān).

能量守恒方程(續(xù)4)

和單組分流動相比，多組分有反應(yīng)流動的22

能量守恒方程(續(xù)5)--焓形式

能量守恒方程(續(xù)5)--焓形式

23

能量守恒方程(續(xù)6)-溫度形式

能量守恒方程(續(xù)6)-溫度形式

243.4.6低M數(shù)常比熱無輻射無體積力的

層流多組分有反應(yīng)流動基本方程組3.4.6低M數(shù)常比熱無輻射無體積力的

層流多組分有反應(yīng)流25

3.5相分界面上邊界條件和Stefan流--（1）相分界面

氣固或氣液相分界面可能是通道壁、燒蝕表面、有催化作用的表面、固體燃料或液體燃料面相分界面上，往往有物理變化或化學(xué)變化，如蒸發(fā)或凝結(jié)、升華、揮發(fā)和異相（固氣）反應(yīng)惰性表面上，如無催化作用的陶瓷壁上，沒有物理和化學(xué)變化相分界面上的這些物理及化學(xué)過程，決定了分界面上傳熱傳質(zhì)過程的基本特點(diǎn)

3.5相分界面上邊界條件和Stefan流--（1）相分界26（2）Stefan流--水面蒸發(fā)（2）Stefan流--水面蒸發(fā)27水面蒸發(fā)（續(xù)1）水面蒸發(fā)（續(xù)1）28水面蒸發(fā)（續(xù)1）水面蒸發(fā)（續(xù)1）29水面蒸發(fā)（續(xù)2）水的蒸發(fā)率是水汽總質(zhì)量流，不是水汽擴(kuò)散流。水汽總質(zhì)量流等于水汽擴(kuò)散流加上混合氣整體流動所攜帶的水汽質(zhì)量流部分。水的蒸發(fā)率在數(shù)值上又等于表面處混合氣的總質(zhì)量流，也就是Stefan流水面蒸發(fā)（續(xù)2）水的蒸發(fā)率是水汽總質(zhì)量流，不是水汽擴(kuò)散流。30（3）固態(tài)碳在純氧中燃燒（3）固態(tài)碳在純氧中燃燒31固態(tài)碳在純氧中燃燒（續(xù)）固態(tài)碳在純氧中燃燒（續(xù)）32（4）Stefan流產(chǎn)生的充分和必要條件在相分界面上存在物理或化學(xué)過程。有多組分?jǐn)U散朝向或離開表面。在相表面上由于存在物理或化學(xué)過程，并在物理或化學(xué)過程中產(chǎn)生一個與擴(kuò)散物質(zhì)流有關(guān)的法向總物質(zhì)流，這一物質(zhì)流稱之為斯蒂芬流。（4）Stefan流產(chǎn)生的充分和必要條件33三種特征時(shí)間（流動，反應(yīng)和

擴(kuò)散時(shí)間）和兩種Damkohler數(shù)L為反應(yīng)尺度,v為流動速率,D為擴(kuò)散系數(shù)DI為反應(yīng)流動時(shí)間與燃燒反應(yīng)時(shí)間的比值DII為反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)間與燃燒反應(yīng)時(shí)間的比值三種特征時(shí)間（流動，反應(yīng)和

擴(kuò)散時(shí)間）和兩種Damkohl34反應(yīng)流的兩種極限情況燃燒所需時(shí)間遠(yuǎn)大于反應(yīng)流動時(shí)間反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)間遠(yuǎn)大于燃燒反應(yīng)所需時(shí)間反應(yīng)流的兩種極限情況燃燒所需時(shí)間遠(yuǎn)大于反應(yīng)流動時(shí)間反應(yīng)擴(kuò)散時(shí)35燃燒的兩種極限情況燃燒的兩種極限情況36第三講燃燒物理學(xué)基本方程第三講燃燒物理學(xué)基本方程373-1燃燒回顧有強(qiáng)烈放熱和發(fā)光的化學(xué)反應(yīng)別忘了:固液氣燃料（煤，非金屬的碳，硅，硼，金屬如鎢鉬鈦鋯，鉀鈉鈣鎂，固體推進(jìn)劑；石油產(chǎn)品和液態(tài)烴；天然氣和氣態(tài)烴）氧化類氧化—氮化，氯化分解—聯(lián)氨分解為氮和氫代替反應(yīng)—鈉加水成為氫和氧化鈉的反應(yīng)3-1燃燒回顧有強(qiáng)烈放熱和發(fā)光的化學(xué)反應(yīng)38流動，傳熱，傳質(zhì)和反應(yīng)的相互作用有濃度和溫度劇烈變化的區(qū)域（不是發(fā)光的燃燒產(chǎn)物）火焰能自動傳播—緩燃（〈1m/s）和爆震（3000m/s）火焰的輻射，生碳和電離現(xiàn)象層流和湍流火焰擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰化學(xué)平衡流動和凍結(jié)流動擴(kuò)散控制和動力控制的燃燒流動，傳熱，傳質(zhì)和反應(yīng)的相互作用39

3-2多組分有反應(yīng)流體基本性質(zhì)和關(guān)系式

（1）多組分完全氣體混合物質(zhì)量相對濃度、摩爾百分濃度

3-2多組分有反應(yīng)流體基本性質(zhì)和關(guān)系式

（1）多組分完40

多組分完全氣體混合物（續(xù)）多組分完全氣體混合物（續(xù)）41動量交換定律:速度梯度—Newton粘性定律熱量交換定律:溫度梯度---Fourier導(dǎo)熱定律質(zhì)量交換定律:濃度梯度---Fick擴(kuò)散定律

分子輸運(yùn)基本定律動量交換定律:分子輸運(yùn)基本定律42（2）三種速度和三種物質(zhì)流v——混合氣相對于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的速度vS——s組分相對于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的速度VS——s組分相對于混合氣的運(yùn)動速度，即由于分子不規(guī)則運(yùn)動引起的擴(kuò)散漂移速度VS=vS–v（2）三種速度和三種物質(zhì)流43三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）物質(zhì)流的定義是單位時(shí)間單位截面流過的質(zhì)量三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）物質(zhì)流的定義是單位時(shí)間單位截面流過44三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）混合氣中各組分的物質(zhì)流不等于該組分的擴(kuò)散流各組分?jǐn)U散流的總和為零擴(kuò)散流的總和對混合氣整體運(yùn)動沒有影響各組分?jǐn)U散線速度的總和不為零三種速度和三種物質(zhì)流（續(xù)）混合氣中各組分的物質(zhì)流不等于該組分45（3）多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律

（3）多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律

46多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律（續(xù)）

組分焓和混合物焓都包括物理焓(熱焓）和化學(xué)焓。組分生成焓是常數(shù)，混合物生成焓是組分濃度的函數(shù)。組分的比熱與組分濃度無關(guān)，混合物的比熱取決于組分濃度。三種混合物的焓：熱焓、熱焓十化學(xué)焓、滯止焓=熱焓十化學(xué)焓十動能。多組分有反應(yīng)流動分子輸運(yùn)定律（續(xù)）

組分焓和混合物焓都包括物473-3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式

化學(xué)反應(yīng)速度的表征3-3化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式

化學(xué)反應(yīng)速度的表征48化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式（續(xù)）

化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本關(guān)系式（續(xù)）

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3.4層流多組分有反應(yīng)單相流動

基本方程組

3.4.1Reynolds輸運(yùn)定理和通用守恒律

3.4層流多組分有反應(yīng)單相流動

基本方程組

3.4.150

3.4..2連續(xù)方程

質(zhì)量守恒

3.4..2連續(xù)方程

質(zhì)量守恒51

3.4.3組分質(zhì)量守恒方程(擴(kuò)散方程)

3.4.3組分質(zhì)量守恒方程(擴(kuò)散方程)

523.4.4動量守恒方程3.4.4動量守恒方程53

3.4.5能量守恒方程--能量變化和換熱

3.4.5能量守恒方程--能量變化和換熱

54

能量守恒方程(續(xù)1)-體積力功

和總能量守恒

能量守恒方程(續(xù)1)-體積力功

和總能量守恒

55

能量守恒方程(續(xù)2)-膨脹功和耗散能

能量守恒方程(續(xù)2)-膨脹功和耗散能

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能量守恒方程(續(xù)3)--內(nèi)能形式

能量守恒方程(續(xù)3)--內(nèi)能形式

57

能量守恒方程(續(xù)4)

和單組分流動相比，多組分有反應(yīng)流動的能量方程中多出了兩項(xiàng):各組分?jǐn)U散流所攜帶的凈焓值和各組分體積力與該組分?jǐn)U散漂移速度所構(gòu)成的外功之和.擴(kuò)散流的總和為零,但擴(kuò)散流所攜帶的凈焓值以及與擴(kuò)散流有關(guān)的體積力所做的功之和都不為零.完整形式的能量方程包括內(nèi)能和動能的變化,熱交換和機(jī)械功.動能守恒方程包括動能和一部分機(jī)械功的變化,和傳熱無關(guān).內(nèi)能形式的能量方程包括內(nèi)能變化,傳熱和另一部分機(jī)械功,與動能無關(guān).

能量守恒方程(續(xù)4)

和單組分流動相比，多組分有反應(yīng)流動的58

能量守恒方程(續(xù)5)--焓形式

能量守恒方程(續(xù)5)--焓形式

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能量守恒方程(續(xù)6)-溫度形式

能量守恒方程(續(xù)6)-溫度形式

603.4.6低M數(shù)常比熱無輻射無體積力的

層流多組分有反應(yīng)流動基本方程組3.4.6低M數(shù)常比熱無輻射無體積力的

層流多組分有反應(yīng)流61

3.5相分界面上邊界條件和Stefan流--（1）相分界面

氣固或氣液相分界面可能是通道壁、燒蝕表面、有催化作用的表面、固體燃料或液體燃料面相分界面上，往往有物理變化或化學(xué)變化，如蒸發(fā)或凝結(jié)、升華、揮發(fā)和異相（固氣）反應(yīng)惰性表面上，如無催化作用的陶瓷壁上，沒有物理和化學(xué)變化相分界面上的這些物理及化學(xué)過程，決定了分界面上傳熱傳質(zhì)過程的基本特點(diǎn)

3.5相分界面上邊界條件和Stefan流--（1）相分界62（2）Stefan流--水面蒸發(fā)（2）Stefan流--水面蒸發(fā)63水面蒸發(fā)（續(xù)1）水面蒸發(fā)（續(xù)1）64水面蒸發(fā)（續(xù)1）水面蒸發(fā)（續(xù)1）65水面蒸發(fā)（續(xù)2）水的蒸發(fā)率是水汽總質(zhì)量流，不是水汽擴(kuò)散流。水汽總質(zhì)量流等于水汽擴(kuò)散流加上混合氣整體流動所攜帶的水汽質(zhì)量流部分。水的蒸發(fā)率在數(shù)值上又等于表面處混合氣的總質(zhì)量流，也就是Stefan流水面蒸發(fā)（續(xù)2）水的蒸發(fā)率是水汽總質(zhì)量流，不是水汽擴(kuò)散流。66（3）固態(tài)碳在純氧中燃燒（3）固態(tài)碳在純氧中燃燒67固態(tài)碳在純氧中燃燒（續(xù)）固態(tài)碳在純氧中燃燒（續(xù)）68（4）Stefan流產(chǎn)生的充分和必要條件在相分界面上存在物理或化學(xué)過程。有多組分?jǐn)U散朝向或離開表面。在相表面上由于存在物理或化學(xué)過程，并在物理或化學(xué)過程中產(chǎn)生一個與擴(kuò)散物質(zhì)