北京大学：《燃烧学基础》课程教学资源（课件讲稿）第四章 反应系统化学与热力学耦合

第4章反应系统化学与热力学耦合 T(K) molar fraction 250 2226K 2000 0.2 1500 H,O CH. 1000 co, 0.1 500f300KT 0 x(cm) 初态 终态（平衡态） 反应物 燃烧产物 CHa+air → ?C02+?H20+?C0.. T=300 K,P=1 atm Tad=?P=? 化学反应动力学 化学热力学 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn 2

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) x (cm) -5 0 5 10 0 500 1000 1500 2000 2500 0 0.1 0.2 CH4 CO2 H2O CO T (K) T T molar fraction 第4章 反应系统化学与热力学耦合 2 初态 终态 (平衡态 ) 300 K 2226 K 反应物 CH 4+air T=300 K, P=1 atm 燃烧产物 ?CO 2 + ? H 2O+ ?CO… Tad = ? P= ? 化学反应动力学 化学热力学

第4章反应系统化学与热力学耦合 4.1零维均质着火系统 4.2热着火理论 T(K) molar fraction 2000 T 0.2 4.3均匀搅拌反应器 1500 H,0 4.4均匀搅拌器中的着火与熄火 1000 CH. 0.1 co. 4.5柱塞流反应器 500 0.9 0.95 x (cm) 反应物 燃烧产物 CH+air → ?C02+?H20+?C0.… T=300 K,P=1 atm Tad=?P=? 化学反应动力学 化学热力学 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn) 3

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 3 4.1 零维均质着火系统 4.2 热着火理论 4.3 均匀搅拌反应器 4.4 均匀搅拌器中的着火与熄火 4.5 柱塞流反应器 x (cm) 0.9 0.95 1 0 500 1000 1500 2000 0 0.1 0.2 CH4 CO2 H2O CO T (K) T T molar fraction ? 反应物 CH 4+air T=300 K, P=1 atm 燃烧产物 ?CO 2 + ? H 2O+ ?CO… Tad = ? P= ? 化学反应动力学 化学热力学 第4章 反应系统化学与热力学耦合

零维均质着火系统 Supply Pump 2500 0.02 ☒ [OH] 2000 1500 0.01 H202 lo] 1 atm 1000 750K H 500 Isothermal liquid bath 0.25 0.5 0.75 Time(s) ■ 零维均质：空间分布均匀，只随时间演变 ■ 实验：激波管、快压机（理想情况，受边界等因素影响） 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn) 4

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 零维均质着火系统 4 Time (s) Temperature (K) Mass fraction of radicals 0 0.25 0.5 0.75 500 1000 1500 2000 2500 0 0.005 0.01 0.015 0.02 T [O] [H] [OH] H 2,O 2 1 atm Supply Pump 750K Isothermal liquid bath  零维均质：空间分布均匀，只随时间演变  实验：激波管、快压机（理想情况，受边界等因素影响）

零维均质着火系统 2500 0.02 [OH] 2000 R.Hanson,Stanford University 1500 0.01 Diaphragm Pressure transducers 1000 He CHa1O2IAr H Driver section Dirven section 500 (high pressure) (low pressure) 0.25 0.5 0.75 Time(s) 零维均质：空间分布均匀，只随时间演变 ■ 实验：激波管、快压机（理想情况，受边界等因素影响） 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn)

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 零维均质着火系统 5  零维均质：空间分布均匀，只随时间演变  实验：激波管、快压机（理想情况，受边界等因素影响） R. Hanson, Stanford University Time (s) Temperature (K) Mass fraction of radicals 0 0.25 0.5 0.75 500 1000 1500 2000 2500 0 0.005 0.01 0.015 0.02 T [O] [H] [OH] Driver section Dirven section (high pressure) (low pressure) Diaphragm Pressure transducers He CH4 /O2 /Ar

激波管 Diaphragm Pressure transducers 00000 He CHa1O2IAr Driver section Dirven section (high pressure) (low pressure) Pt Incident Reflected 00 shock shock Incident shock g 0000. lgnition delay Reflected shock ■被测试燃气被入射激波和反射激波迅速压缩加热加压 ■宽广的温度压力范围：600~4000K,0.1~1000atm 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn 6

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 激波管 6 Driver section Dirven section (high pressure) (low pressure) Diaphragm Pressure transducers He CH4 /O2 /Ar Incident shock Reflected shock Incident shock Reflected shock Ignition delay P t O ig   被测试燃气被入射激波和反射激波迅速压缩加热加压  宽广的温度压力范围：600~4000Ｋ, 0.1~1000 atm

激波管 Diaphragm Pressure transducers 1000 00000 [wdd] He CHa1O2IAr C2H4 c02 Driver section Dirven section 100 H20 (high pressure) (low pressure) 1404K215tm 300 om her 00000 JetSurF 2.0 10 0 100 1000 Time [us] Incident shock 2000 1470K 1350K 1250K n-Alkane/4%O/Ar 000 里10o0 =1.0,P=2 atm C5 C9 Reflected shock C4 n-Butane .n-Pentane C6 n-Hexane n-Nonane ■被测试燃气被入射激波和反射激波迅速压缩 100 0.68 0.72 0.76 0.80 1000/T[1/K灯 ■宽广的温度压力范围：600~4000K,0.1~.vvva. 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn) 7

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 激波管 7 Driver section Dirven section (high pressure) (low pressure) Diaphragm Pressure transducers He CH4 /O2 /Ar Incident shock Reflected shock  被测试燃气被入射激波和反射激波迅速压缩加热加压  宽广的温度压力范围：600~4000Ｋ, 0.1~1000 atm

零维均质着火系统 零维均质着火系统(Homogeneous Ignition System):零维均质系统， 无对流扩散，状态量空间均匀分布，只随时间变化；封闭系统，质量固定； 绝热，无热损失。 ■组分k的控制方程：dnkIdt=Vwk ■组分的摩尔数为nk,w为组分k的反应生成率[mole/m3/s]。 ■摩尔浓度为CknV(V为体积)，只有在定容情况下才有dCk Idt=wk。 ■组分k的控制方程： 上=，=W → dy_W恤-Ws m dt py dt p 0=(W”k-V'kK,Π1C-K6ICX) K∫J 含念容4m1M 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn 8

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 零维均质着火系统 8  零维均质着火系统(Homogeneous Ignition System)：零维均质系统， 无对流扩散，状态量空间均匀分布，只随时间变化；封闭系统，质量固定； 绝热，无热损失。  组分 k的控制方程：dn k /dt = V ω k  组分 k的摩尔数为 n k， ω k为组分 k的反应生成率[mole/m 3/s] 。  摩尔浓度为 C k = n k/ V( V为体积 )，只有在定容情况下才有dC k /dt = ω k 。  组分 k的控制方程： V Wn m Wn Y kkkk k   k Wkkkk dt dn V W dt dY     M MjforM N k kjk K K N k kjk jf jb ' " ,...,1 1 , 1 , , ,        )('"( ) , " , 1, ' , 1,,, jk jk k N k kjb N jk kjfjkjk CKCK           M j k jk 1 

零维均质着火系统 零维均质着火系统：状态量空间均匀分布，只随时间变化 ■ 组分的控制方程： dYs._Ws@x ■能量温度方程： dt p 口对绝热系统有dE+PdV=δQ=0。由于总质量不变(dm/dt=-0),引入单位 质量的内能e=Em和比容v=Vm=1/p,从而有de+Pd(1lp)=0 N e=E(Ye) k=1 → e=∑de,)+∑e,dy) deg=Cv.(T)dT k=1 k=1 → C.4 d dt → dt 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn) 9

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 零维均质着火系统 9  零维均质着火系统：状态量空间均匀分布，只随时间变化  组分 k的控制方程：  能量 /温度方程：  对绝热系统有dE+PdV= δQ=0。由于总质量不变(dm/dt=0)，引入单位 质量的内能e=E/m和比容v=V/m=1/ ρ，从而有de+Pd(1/ ρ)=0   N k kk eYe 1 )(   T T kk kV dTTCee 0 0 )( , ,     N k kk N k kk dYedeYde 1 1 )()( dTTCde kVk )(  ,   N k V CYC kVk 1 )( 0 , 1 1      N k k V k dt d P dt dY e dt dT C )()(  )()(    1 1 1 dt d PWe dt dT C N k V   kkk   k Wkk dt dY   

零维均质着火系统 零维均质着火系统：状态量空间均匀分布，只随时间变化 组分的控制方程： ■能量温度方程： dt 0 ■定容系统：V=const,d(1lp)/dt=0 dt ■变容积系统：给定V=V(),p=mW,d(1Ipdt=(dV/dt)/m 白c, =-2e,w,)-P m dt ■定压系统：dP/dt:=0,焓守恒h=e+Pv → dt Pk=1 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn) 10

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 零维均质着火系统 10  零维均质着火系统：状态量空间均匀分布，只随时间变化  组分 k的控制方程：  能量 /温度方程：  定容系统：V=const，d(1/ ρ)/dt=0  变容积系统：给定V=V(t)，ρ=m/V，d(1/ ρ)/dt= (dV/dt)/m  定压系统：dP/dt=0，焓守恒h=e+Pv k Wkk dt dY    )()(    1 1 1 dt d PWe dt dT C N k V   kkk     N k V We kkk dt dT C 1 1  )(  dt Vd m P We dt dT C N k V   kkk  1 1  )(    N k P Wh kkk dt dT C 1 1  )(  ?

四冲程汽油机 下止点 上止点 下止点 上止点 进气行程 压缩行程 燃烧膨张行程1 排气行程 360 540 720 180 曲轴转角9/（°）CA 进气 排气 Intermittent AIR/FUEL INTAKE COMPRESSION COMBUSTION EXHAUST 四冲程汽油机是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环。 《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正(cz@pku.edu.cn) 11

《燃烧学基础》4，反应系统化学与热力学耦合 陈正 (cz@pku.edu.cn) 四冲程汽油机 11 四冲程汽油机是由进气、压缩、作功和排气完成一个工作循环。 进气 排气