我国燃烧学研究的一些历史性回顾

作者：周力行 (清华大学航天航空学院工程力学系)

摘 要:我国早在远古时代就发现了燃烧现象,就是取火和用火.从 20 世纪 50 年代开始,由于能源、动力、航空航天、化工冶金等工程的迅速发展,我国开始了燃烧理论的研究.我国学者研究了着火理论.层流火焰传播、液滴燃烧和液雾燃烧.20 世纪 70 到 80 年代之间,我国开始了燃烧数值模拟的研究包括流流动模拟、滥流燃烧模拟、两相滥流模拟和两相燃烧模拟.到目前为止,洒盖了雷诺平均模拟、大涡模拟和直接数值模拟.本文选取我国燃烧理论和数值模拟中一些有代表性的研究进行了历史性的回顾。目的是使年青学者对此有更好的了解.

燃烧在生活和生产中的获取和应用,古代中国已经遥遥领先于欧洲，早在中国远古时代，就发现了取火和用火，《史记》巴中已经提到惨人氏钻木取火《庄子》中有《木与木相摩则燃》的记载2早在新石器时代的仰韶文化期，中国已用窑炉烧制陶器,战国时期的齐国田单曾经用火牛阵破燕,最早把燃烧用于军事技术.据晋代张华《博物志》记载B]当时四川居民已经用烧天然气的方法煮盐，众所周知，火箭技术是中国最早发明和使用的，宋代已出现了喷气发动机的雏型一-用燃烧产物推动的走马灯.中国燃烧技术的发展起始于大约 120 年前蒸汽机车的出现和使用，其后就是内燃机在汽车和火车中的应用.如同在世界范围一样,第二次世界大战中航空工业促进了燃烧技术的快速发展。从 20 世纪到现在，中国的能源、动力、航空航天和化工冶金等工程中,燃烧技术有了突破性的发展. 因此从 20 世纪50年代到 60年代开始，中国学者研究了着火理论层流火焰传播、液滴燃烧和液雾燃烧，其后，从 20 世纪70到80年代开始到现在，中国学者研究了燃烧的数值模拟，包括湍流流动的模拟、湍流燃烧模拟、两相湍流模拟和两相燃烧模拟.迄今为止涵盖了雷诺平均模拟(Reynolds-averaged-Navier-Stokes modeling RANS)、大涡模拟(large-eddy simulation，LES)和直接数值模拟(direct numerical simulation，DNS).由于篇幅所限，本文选择我国燃烧理论和数值模拟的一些有代表性的研究进行了历史性的回顾，目的是使年青学者对此有更好的了解.

1 燃烧理论

1.1气体着火理论

预混气体着火规律是燃烧的基本现象之一，对指导工程应用有重要意义经典的 Semenov 非稳态理论模型和Frank-Kamenetsky 稳态理论模型都限于对密闭容器中静止可燃混合物着火的分析.对流动系统中可燃混合物的着火,经典理论中缺乏报道，为此周力行提出了流动系统预混气体着火的非稳态和稳态模型.所得到的着火关系式为

式中:f为层流平板边界层解析解中的 Blasius 函数.此式也可以表达为

将此式和热板点燃的 Khitrin-Goldenberg 模型的简化解对照,不难看到，二者具有相类似的函数关系但是在定量上有-一定差别.

1.2 层流预混火焰传播规律

层流预混火焰传播速度和化学反应动力学密切和相关.经典理论，如 Frank-Kamenetsky 的分区近似解和Von Karman的积分近似解是针对均匀速度流动中没有拉伸的火焰,和实验结果只在定性上符合.实际的流动速度是不均匀的.Wu 等首次研究了流动曲率拉伸的层流火焰，用激光多普勒测速仪测量了正向拉伸的驻点火焰和逆向拉伸的本生灯火焰的气体速度，探讨了火焰拉伸对火焰传播速度的影响，图1和图 2给出了火焰拉伸率(流动方向速度梯度的负值，对火焰传播速度的作用，显然，火焰的拉伸增大了火焰传播速度.Chen 等用高速纹影照相(high-speed schrieren photography)测量了常用的柱形燃烧器中二甲醚--空气混合物有拉伸的火焰传播速度，研究结果见图 3.显然，加人氢提高了火焰传播速度.

1.3液滴蒸发和燃烧理论

20 世纪中期以来，对液滴蒸发和燃烧进行了多年的实验和理论研究[4,8-111，分别在悬滴和落滴以及飞滴装置内进行了不同燃料燃烧的实验研究.检验了不同气体相对速度、气体温度和压力下的蒸发常数的d2定律大部分解析研究是基于维球形《驻膜》(spherical stagnant film)理论但是实验中发现，强迫对流下液滴燃烧的火

焰不是球形的，而是椭圆形的.《驻膜》理论中给出的气体温度对蒸发率G的影响正比于 ln(1 + B),其中 B= 是比定压热容,Tg 是气体温度,T是液滴表面温度，接近于沸点.然而实验中发现，G 正比于 B.球形《驻膜》理论中给出的气体相对速度对液滴蒸发率的影响是 G 正比于其中 是液滴雷诺数.然而实验中观察到，液滴燃烧情况下，当气体相对速度增大时，一开始蒸发率增大，然后下降,最后突然减小到某个低得多的值.为了对强迫对流下液滴蒸发和燃烧有更深入的理解，周力行用类似于边界层理论中Karman-Pohlhausen 积分近似解法，建立了液滴蒸发和燃烧的轴对称二维理论模型[12-13].理论所得到局部蒸发率和火焰半径和实验结果进行了对比.同时也对不同的气体温度、气体相对速度和压力下悬挂液滴的蒸发和燃烧进行了实验研究，液滴蒸发的传热和传质率的定义是

庄逢辰等在国内最早研究了高温高压液滴燃烧理论．用一维球对称理论模型研究了高温高压下UDMH 单组元液滴不稳定燃烧所得到的压力对UDMH 液滴燃烧蒸发常数的影响见图 10．可以看出到,蒸发常数的变化范围很大.高压下的值比低压下的值大一个数量级.

1.4液雾燃烧理论

液雾燃烧广泛存在于各种航空与航天发动机以及锅炉和工业炉燃烧器中.在数值模拟出现以前，有各种简化的一维理论模型，基于假设单模态的纯粹液滴扩散燃烧或者已蒸发后的纯气体燃烧.周力行首次基于双模态燃烧的概念，对液雾火焰传播进行了一维模型的理论分析.火焰结构示意于图 11.假设尺寸较小的液滴在高温空气流动中已经蒸发，预蒸发分数为,,形成了预混气体火焰,同时尺寸比较大的液滴被点燃后形成了包围液滴的小扩散火焰，然后只有燃烧产物.式中: 是燃烧区前方的预蒸发百分数;m 是经验系数;是湍流导热系数; 是完全蒸发情况下假想的反应率; 是着火的液滴的生存期; 是过量空气系数;Lo是空气和燃料的当量比.图 12 显示出，理论预报值和文献[23]给出的实验结果符合很好.可以看到,小于 100 um 的液滴的燃烧是预混气体火焰和液滴扩散火焰的混合，而大于 100 um 的液滴只有扩散燃烧.最小传播速度发生于预蒸发百分数 20%左右.

周力行用实验和简化理论研究了用丙烷-空气燃烧产物点燃煤油雾-空气两相流动的着火规律.所得到的着火关系式是

式中A 是经验系数研究结果显示，理论和实验结果符合,都表明点燃温度随液滴尺寸的增大而下降,如图 13 所示.此外,周力行等还进行了液化气火焰中电弧放电的研究. 

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