焓形式能量守恒方程课件.ppt

1、第三讲第三讲燃烧物理学基本方程燃烧物理学基本方程3-1 燃烧回顾燃烧回顾 有强烈放热和发光的化学反应有强烈放热和发光的化学反应 别忘了别忘了: 固液气燃料（煤，非金属的碳，硅，硼，金属如钨钼钛锆，钾钠钙镁，固体推进剂；石油产品和液态烃；天然气和气态烃）氧化 类氧化氮化，氯化 分解联氨分解为氮和氢 代替反应钠加水成为氢和氧化钠的反应流动，传热，传质和反应的相互作用流动，传热，传质和反应的相互作用 有浓度和温度剧烈变化的区域（不是发光的燃有浓度和温度剧烈变化的区域（不是发光的燃烧产物）烧产物） 火焰能自动传播火焰能自动传播缓燃（缓燃（1 m/s1 m/s）和爆震）和爆震（3000m/s3000m/

2、s） 火焰的辐射，生碳和电离现象火焰的辐射，生碳和电离现象 层流和湍流火焰层流和湍流火焰 扩散火焰和预混火焰化学平衡流动和冻结流动扩散火焰和预混火焰化学平衡流动和冻结流动 扩散控制和动力控制的燃烧扩散控制和动力控制的燃烧3-2 多组分有反应流体基本性质和关系式多组分有反应流体基本性质和关系式（1）多组分完全气体混合物）多组分完全气体混合物ssssppppXfYsssss/)(/或nMsssMnnRTM/RTpRTnM/RTpssssn/np/pXsssnMMnnnssss质量相对浓度、摩尔百分浓度质量相对浓度、摩尔百分浓度 多组分完全气体混合物（续）多组分完全气体混合物（续）1ssss1sss

3、ssssss)M/YM(M/M)M/Y(M1)M/MY(M/MYXMXM 动量交换定律动量交换定律: 速度梯度速度梯度Newton粘性定律粘性定律 热量交换定律热量交换定律: 温度梯度温度梯度-Fourier导热定律导热定律 质量交换定律质量交换定律: 浓度梯度浓度梯度-Fick 扩散定律扩散定律 分子输运基本定律分子输运基本定律（2）三种速度和三种物质流）三种速度和三种物质流 v v 混合气相对于实验室坐标系的速度 v vSs组分相对于实验室坐标系的速度 V VSs组分相对于混合气的运动速度，即由于分子不规则运动引起的扩散漂移速度 VS = vS v 三种速度和三种物质流（续）三种速度和三种

4、物质流（续）gv sssgv ssSJV jssjsjssjsjssjvVvYJvgjsjssjssjjjvVvgvg0JVsjsjs物质流的定义是单位时间单位截面流过的质量物质流的定义是单位时间单位截面流过的质量三种速度和三种物质流（续）三种速度和三种物质流（续） 混合气中各组分的物质流不等于该组分的扩散流 各组分扩散流的总和为零 扩散流的总和对混合气整体运动没有影响 各组分扩散线速度的总和不为零（3 3）多组分有反应流动分子输运定律）多组分有反应流动分子输运定律jsxYssjDJssjsxTjhVqjdTchdTcYhYhYhTTp0TTpsss0sss00多组分有反应流动分子输运定律（续

5、）多组分有反应流动分子输运定律（续） 组分焓和混合物焓都包括物理焓(热焓）和化学焓。 组分生成焓是常数，混合物生成焓是组分浓度的函数。 组分的比热与组分浓度无关，混合物的比热取决于组分浓度。 三种混合物的焓：热焓、热焓十化学焓、滞止焓 = 热焓十化学焓十动能。3-3 3-3 化学反应动力学基本关系式化学反应动力学基本关系式 ssssAAchemss)dt/d(w 22112211/w/w/w/wz1smssssCkwz1smsrsrrsrssrCkwwsmsssmsssssssCkCkwww化学反应速度的表征化学反应速度的表征化学反应动力学基本关系式（续）化学反应动力学基本关系式（续）smss

6、rsmsrsrrsrssrsrCkCk(wwsmsmssY)RT/Eexp(Bw3.4 3.4 层流多组分有反应单相流动层流多组分有反应单相流动基本方程组基本方程组3.43.4.1 Reynolds.1 Reynolds输运定理和通用守恒律输运定理和通用守恒律VjxtVjxtSntdtdV)v(V)v(dSvjjVV0S)v(0VSjxtVdtdjjxjtdtdv3.4.2 3.4.2 连续方程连续方程 00Sdtddtdxjtxjxvjxjxtjjjjjjvv)v(0)v(0jjxvdtd质量守恒质量守恒3.4.3 3.4.3 组分质量守恒方程组分质量守恒方程( (扩散方程扩散方程) )ss

7、YVsSsVVwdSjVSsxYxjsxstw)D()vY()Y(jsjjsxYxdtdYw)D(jsjs3.4.4 3.4.4 动量守恒方程动量守恒方程ivVVsisxpVvidtdV)F(VSVvjijijxvxvijVijVxitidtdp)(pV)vv()v(VvijjijsisxvxvxxpijxitF)()vv()v(ijjijj3.4.5 3.4.5 能量守恒方程能量守恒方程-能量变化和换热能量变化和换热)e (2v2能单位体积内的内能加动V)e (v)e (V)e (VV2vjx2vt2vdtd2j22动能的变化内能V2vdtdV)e (2V)hDq(ssxYVrjxTxjsj

8、j热交换能量守恒方程能量守恒方程( (续续1)-1)-体积力功体积力功和总能量守恒和总能量守恒V)vp(V)VFFv(VvFiSijxsisissisViVsisisj 表面力功体积力功)vp(VFFv)hD()()e (iijxsisissisissxYxxqxTx2vdtdjjsjjrjjj2能量方程的完整形式能量守恒方程能量守恒方程( (续续2)-2)-膨胀功和耗散能膨胀功和耗散能压力功加变形功jijijjxvijxpiiijxpv)vp(sisixpi2vdtddtdviFvv)(vjij2i压缩功膨胀/pp)p(pjjjijjjijixvxvijxvxvijijxvijjijjjix

9、vijxv32ijxvij)(S2耗散能能量守恒方程能量守恒方程( (续续3)-3)-内能形式内能形式jjjiijjiijjijixvxvijijijijijijijijijxvxvxvxv21xv, 0, 0, 0SS)()(张量运算2332211322312232122332222112xv32ij)SSS()SSSSSS(2)(S2jj耗散能最终形式sisissxYxxqxTxxvdtdeVF)hD()()(pjsjjrjjjjj内能形式的能量方程能量守恒方程能量守恒方程( (续续4)4) 和单组分流动相比，多组分有反应流动的能量方程中多出了两项:各组分扩散流所携带的净焓值和各组分体积力

10、与该组分扩散漂移速度所构成的外功之和. 扩散流的总和为零, 但扩散流所携带的净焓值以及与扩散流有关的体积力所做的功之和都不为零. 完整形式的能量方程包括内能和动能的变化,热交换和机械功. 动能守恒方程包括动能和一部分机械功的变化,和传热无关. 内能形式的能量方程包括内能变化,传热和另一部分机械功,与动能无关. 能量守恒方程能量守恒方程( (续续5)-5)-焓形式焓形式dtdpxvdtdpdtdp1dtdedtddtdhjj2p)/pe (sisissxYxxqxTxdtdpdtdhVF)hD()(jsjjrjjj焓形式的能量方程jjsjxTpxYssxhpspsspss0sssch,ccY,d

11、Tchh,hYhh)(jsjjxYssPr1Sc1xhPrxdtdpdtdh)()hv()h(1LeScPrjjjxhxdtdpjxt时能量守恒方程能量守恒方程( (续续6)-6)-温度形式温度形式dTch)dTch(Yhp0pss0sss0ss0 xYxdtdTpsxYxs0dtdTpdtdYs0dtdTpdtdhhw)hD(cw)D(hchcjsjjsjssss0spss0sQwhwdTchhsisissspsxYxxqxTxdtdpdtdTpVFQw)dTcD()(cjsjjrjjj3.4.6 低低M数常比热无辐射无体积力的数常比热无辐射无体积力的层流多组分有反应流动基本方程组层流多组分

12、有反应流动基本方程组ss212sssxTxtppjxptsxYxsjxstixvxvxxpijxitjxtM/YRTp)RT/Eexp(YYBwQw)()Tcv()Tc(w)D()Yv()Y(g)()vv()v(0)v(jjjjsjjijjijijj3.5 3.5 相分界面上边界条件和相分界面上边界条件和StefanStefan流流-（1 1）相分界面）相分界面 气固或气液相分界面可能是通道壁、烧蚀表面、有催化作用的表面、固体燃料或液体燃料面 相分界面上，往往有物理变化或化学变化，如蒸发或凝结、升华、挥发和异相（固气）反应 惰性表面上，如无催化作用的陶瓷壁上，没有物理和化学变化 相分界面上的这

13、些物理及化学过程，决定了分界面上传热传质过程的基本特点（2 2）StefanStefan流流-水面蒸发水面蒸发水面蒸发（续水面蒸发（续1）。，但实际上为应小于00; 0)(;)(0; 0)(;)(10,20202000,20,10101000,121wwwwwwwwwwJyYyYDJJyYyYDJYY水面蒸发（续水面蒸发（续1）0vY)(DvYJgvY)(DvYJgwww2wyYwww2w2w2www1wyYwww1w1w1210010000100000000,10,20,1012111)1()()()()()(1121vYDvYDvgggggvvYYvYDvYDgyYyYwwwwwwwwww

14、wwwyYwwwwyYw水面蒸发（续水面蒸发（续2） 水的蒸发率是水汽总质量流，不是水汽扩散流。 水汽总质量流等于水汽扩散流加上混合气整体流动所携带的水汽质量流部分。 水的蒸发率在数值上又等于表面处混合气的总质量流，也就是Stefan流（3）固态碳在纯氧中燃烧）固态碳在纯氧中燃烧固态碳在纯氧中燃烧（续）固态碳在纯氧中燃烧（续）22COOCw,prw,oxwyYwyYJJ,)()(proxw,pr4432w,oxggwww,prwyYw,prwww,oxwyYw,oxvY)(DgvY)(Dgproxcw,ox3212www,prw,oxggvgg（4）Stefan流产生的充分和必要条件流产生的充

15、分和必要条件 在相分界面上存在物理或化学过程。 有多组分扩散朝向或离开表面。 在相表面上由于存在物理或化学过程，并在物在相表面上由于存在物理或化学过程，并在物理或化学过程中产生一个与扩散物质流有关的理或化学过程中产生一个与扩散物质流有关的法向总物质流，这一物质流称之为斯蒂芬流法向总物质流，这一物质流称之为斯蒂芬流。三种三种 特征时间（流动，反应和特征时间（流动，反应和扩散时间）和两种扩散时间）和两种Damkohler数数 cfID/ku/ lD/L)Qw/()TT(cv/LTT2dfffpcfL为反应尺度为反应尺度,v为流动速率为流动速率, D为扩散系数为扩散系数cdIID/DI为反应流动时间与燃烧反应时间的比值为反应流动时间与燃烧反应时间的比值DII为反应扩散时间与燃烧反应时间的比值为反应扩散时间与燃烧反应时间的比值反应流的两种极限情况反应流的两种极限情况反应冻结流1ID反应平衡流1IID燃烧所需时间远大于反应流动时间燃烧所需时间远大于反应流动时间反应扩散时间远大于燃烧反应所需时间反应扩散时间远大于燃烧反应所需时间燃烧的两种极限情况燃烧的两种极限情况动力（控制的）燃烧扩散（控制的）燃烧1D1DIIII