西安交通大学燃烧复习题答案详解.docx
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西安交通大学燃烧复习题答案详解
《燃烧学》复习题2011版
第一章燃烧化学反应动力学基础
1、什么叫燃烧？
答：
燃烧标准化学定义：
燃烧是一种发光发热的剧烈的化学反应．
燃烧的广义定义：
燃烧是指任何发光发热的剧烈的化学反应，不一定要有氧气参加
2、浓度和化学反应速度正确的表达方法？
答：
浓度：
单位体积内所含某种物质的量
1.分子浓度 ni=Ni/V Ni为分子数 1/m3
2.摩尔浓度 Ci=Mi/V Mi为摩尔数 mol/m3
3.质量浓度 ρi=Gi/V kg/m3
4.相对浓度 摩尔相对浓度：
质量相对浓度：
燃烧的反应速度：
通常用单位时间单位体积内消耗的燃料量或者氧量来表示。
化学反应速度既可以用反应物浓度的减少来表示，也可以用生成物浓度的增加来表
示。
但均取正值。
W=±dC/dτ
3、什么是简单反应、复杂反应、总包反应？
答：
简单反应：
由反应物经一步反应直接生成产物的反应。
（也叫基元反应）
复杂反应：
反应不是经过简单的一步就完成，而是通过生成中间产物的许多反应步骤来完成的反应，其中每一步反应也称为基元反应。
总包反应，也称为总的化学反应，整体化学反应，是一系列若干基元反应的物质平衡结果，不代表实际的反应历程，是经过各个基元反应过程后的终极结果。
4、质量作用定律的适用范围？
试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。
答：
①反应应为简单反应
②严格讲，质量作用定律仅适用于理想气体。
③对于多相反应，仅考虑气相物浓度，对于固相或液相物质蒸汽分压不考虑。
按质量作用定律，如果反应方程式是aA+bB=cC+dD
（简单反应）则反应速度和反应物浓度[A][B]成如下关系：
W=k[A]a[B]b
即：
当温度不变时，某化学反应的反应速度与该瞬间各反应物浓度的幂的乘积成正比，如果该反应按照某化学反应方程式一步完成（简单，基元反应），则每种反应物浓度的方次即等于化学反应方程式中的反应比例常数。
5、什么是反应级数？
反应级数与反应物浓度（半衰期）之间的关系如何？
答：
化学反应速度表达式中浓度指数之和n=a+b就是反应级数，它反映了反应物浓度对化学反应速率的影响程度
反应级数与反应物初始浓度无关。
由于 w=-dC/dτ=k[C]n,可推得：
零级反应：
0
一级反应：
与C0无关
二级反应：
6、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？
燃 料
反应级数
煤气
轻油
重油
煤粉
2
1.5~2
1
1
由此看出越接近气体，反应级数越大1→2
7、试用反应级数的概念，讨论燃尽时间与压力之间的关系。
答：
设化学反应级数为n
化学反应速率（以物质的量浓度表示的）
燃尽时间的倒数：
对于一定量的理想气体
代入燃尽时间的倒数表达式得：
8、惰性组分如何影响化学反应速率？
以双原子气体基元反应为例说明：
A+B=C+D
化学反应速率
代入
得
对双组份混合气体
当含有惰性气体组份，且有效气体组份为，+=1
化学反应速率因惰性气体的参入而减小的比例等于有效气体成分
9、Arrhenius定律的内容是什么？
适用范围？
答：
温度对化学反应速度的巨大影响反映在反应常数上，这个关系称为阿累尼乌斯定律，表达为，其中k0是频率因子，E是活化能，与反应物温度及浓度无关。
适用范围为：
A简单化学反应（基元反应），或复杂化学反应中的每一步基元反应
B有明确反应级数n和速度常数k的复杂反应
C不适用于活化能太小，以至于温度的影响主要体现在了前置因子，自由基化合反应（这种需要第三者带走反应放出的能量，从而第三者参与化合反应的速率）
10、什么是活化能？
什么是活化分子？
它们在燃烧过程中的作用？
答：
活化能：
使普通分子（平均能量）变为活化分子所需能量。
可以测定反应级数根据图解法和计算法来见解求得。
（详见课本P10）
活化分子：
能量达到或超过活化能E的分子
活化分子浓度决定了化学反应速度
当温度↑时，分子平均动能↑，活化分子数↑↑，化学反应速度急剧↑。
一定温度下，E越小，活化分子数越多，反应速度越大
11、
图解吸热反应和放热反应的活化能和反应放热（吸热）之间的关系。
放热：
从左向右看垂直距离上半段是E，下半段为Q
吸热：
从右向左看垂直距离全段高度是E，下半段为Q
12、什么叫链式反应？
它是怎样分类的？
链反应一般可以分为几个阶段？
答：
链式反应是一种在反应过程中含有自由原子或自由基等活化物质的特殊反应，如果通过某一种方式（如光照射等）将其引发，便相继发生一系列的链锁反应，使反应一环扣一环的不断进行下去。
链式反应分为不分支链反应（或直链反应）和分支链反应两类。
链式反应一般分为链的激发（引发）、链的传递和链的断裂（中断）三个阶段。
13、试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。
分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？
氢原子H是H2燃烧反应中的活化中心，故研究氢原子H浓度的变化：
氢原子浓度变化；
，氢原子初生浓度；
氢原子繁殖速率；
H氢原子销毁速率
解此一阶线性常微分方程
1活化中心（H原子）销毁比例常数g>繁殖比例常数f
，CH→很小的定值∝
反应可以忽略
2活化中心（H原子）销毁比例常数g=繁殖比例常数f
氢原子浓度CH随时间线性增加，由于斜率很小，故增加缓慢
随时间呈指数增加，正比于反应速率（右图为当考略反应物耗尽）
分支链反应中反应活化中心繁殖速度f比较大,
随时间呈指数增加，极大地加快了化学反应的速度.
14、烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？
如何进行解释？
什么样的烃类燃烧时更容易发生析碳反应？
高C级的烷→同一C级的醛→低一C级的烷→·····→甲醛，甲醛分解为一氧化碳和氢气燃烧或直接燃烧.
析炭反应是烃类热裂解过称中的二次反应，二次反应是一次反应产生足够的中间产物才显著起来。
裂解的过程包括脱氢反应和断链反应，
1C/H比大的高碳烃（烷）裂解析炭反应速度比甲烷快得多。
且C/H愈大析炭愈严重
2不饱和烃（烯、炔）比饱和烃（烷）更容易裂解析C。
15、图解催化剂对化学反应的作用。
对反应的作用有改变的只有两点：
活化能E下降，反应途径的变化
16、什么叫化学平衡？
平衡常数的计算方法？
吕·查德里反抗规则的内容是什么？
答：
化学平衡的，可逆反应此时系统内各组成成分不变
计算方法：
见书P23~~P24
系统变化遵循吕·查德里反抗规则：
当化学平衡由于某一外因（T,p或成分含量）而被破坏时平衡将向反抗这一外因的方向移动。
温度升高，平衡将向吸热方向移动，抵抗温度升高的影响；温度降低，平衡将向放热方向移动，抵抗温度降低的影响
17、什么是燃料的低位发热量和高位发热量？
高位发热量：
亦称“高热值”，简称“高发热量”。
指燃料中的水分在燃烧过程结束后以液态水形式存在时的燃料发热量。
低位发热量：
亦称“低热值”，简称“低发热量”。
指燃料中的水分在燃烧过程结束后以水蒸气形式存在时的燃料发热量。
恒容低位发热量即由高位发热量减去水（燃料中原有的水和煤中氢燃烧生成的水）的气化热后得到的发热量。
18、试用本章的知识解释，涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？
答：
涡轮增压装置能提高压强，因而不仅能提高发动机内的燃料气体的化学反应速度，而且能减少气体的燃尽时间，综合提高发动机的功率。
（汽油的反应级数一般为2）。
涡轮增压装置的另一种作用是增大一个冲程中气缸吸进空气的量，从而增大汽缸中的氧气浓度，根据惰性组分对化学反应速率影响的公式
，增大氧浓度有利于减少惰性组分对化学反应速率的削弱作用。
19、过量空气系数（）与当量比（）的概念？
答：
过量空气系数是反应供应空气（氧气）与反应恰好完全反应所需空气（氧气）之比
当量比是两种参加反应的反应物的质量之比
第二章燃烧空气动力学基础——混合与传质
1．什么是传质？
传质的两种基本形式是什么？
答：
物质由高浓度向低浓度方向的转移过程叫做传质，也叫质量传递。
传质的两种基本方式是分子扩散传质和对流传质。
2．什么是“三传”？
分子传输定律是怎样表述的？
它们的表达式如何？
（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）
答：
动量传递、质量传递、热量传递。
分子传输定律即牛顿内摩擦定律，傅里叶导热定律和fick扩散定律
牛顿内摩擦定律
傅里叶导热定律
fick扩散定律
3．湍流中，决定“三传”的因素是什么？
湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？
怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？
速度脉动w´决定湍流中的“三传”过程，由于湍流的动量，热量和质量扩散均源于脉动和漩涡，可近似认为:
：
Dttat=lw，PrtSctLet1
但严格来讲，实验发现
（1）与均小于1，说明：
动量交换过程不如热量和质量交换更强烈，∴温度和浓度混合边界层比速度边界层发展得快。
（2）由于，Let=a/D≈1说明：
温度和浓度边界层的发展十分相近，可以用传热过程的基本规律近似描写质量交换。
4．试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数。
详见课本P44，Nu=2
5．如图所示：
两股射流在大空间中交汇。
射流的初始温度T1=60℃，T2=室温20℃，实测xy点的Txy=50℃。
气流中的初始浓度为C1=3mol/m3，C2=2mol/m3,求点的xy点的浓度Cxy。
利用热交换过程比拟性，用温度场模拟浓度场
带入求解，结果省略
6．湍流自由射流的主要特征是什么？
图解射流断面上的速度分布相似性。
自由射流指流体从喷口射入
（1）无限大静止空间（空间流体速度为0）
（2）不受固体边壁限制，而淹没在周围流体介质中
（3）流体介质与空间介质相同
自由射流有两个基本特点：
⏹自由射流中任意断面的轴向速度wx>>横向速度wy。
射流中的速度w≈轴向速度wx。
⏹自由射流内部压力p=周围介质压力p。
7．把热射流射入冷空间中，和把冷射流射入热空间中，射流的轴线速度、温度差和浓度差衰减的情况有何区别？
这对工程燃烧的一次风、二次风参数的选取有何指导意义？
（1）把热射流（T1）射入冷空间（T2）中
无量纲轴心速度wzs衰减快，且随有wzs
无量纲轴心温差Tzs衰减快，且随有Tzs
无量纲轴心浓度差Czs衰减快，混合强烈，且随有Czs
（2）把冷射流（T1）射入热空间（T2）中
三个无量纲量wzs，Tzs，Czs衰减慢，混合慢，射程长。
随
衰减很慢。
对于二次风，从燃烧供O2的角度应用高T1（尽可能高）的空气，以加强湍流混合和传质（供O2），有利于燃烧
从组织炉内气流流动工况角度，相反，应用低一些的空气（T1），衰减慢，有足够的扰动范围，保证气流流动
组织锅炉内气流流动时，应用θ值低一些的一次风，从而保证较慢的衰减速度，有足够的扰动范围，以保证气流流动。
而从燃烧供氧的角度讲应用θ值高一些的一次风，以加强湍流混合和传质，有利于燃烧。
8．当自由射流中含有固体或液体颗粒的时候，射流特性如何变化？
这对工程中固体或液体颗粒的燃烧有何指导意义？
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