[军事]燃烧理论第4章.doc

着火（自燃与引燃） 本章内容： 着火的概念 谢苗诺夫的热着火理论 （热）自燃的着火延迟 链着火理论 强制着火 着火范围 4.1 着火的概念 燃烧过程一般可分为两个阶段，第一阶段为着火阶段，第二阶段为着火后的燃烧阶段。在第一阶段中，燃料和氧化剂进行缓慢的氧化作用，氧化反应所释放的热量只是提高可燃混合物的温度和累积活化分子，并没有形成火焰。在第二阶段中，反应进行得很快，并发出强烈的光和热，形成火焰。 与连续、稳定的燃烧阶段不同，着火是一个从不燃烧到燃烧的自身演变或外界引发的过渡过程，是可燃混合物的氧化反应逐渐加速、形成火焰或爆炸的过程。在这个过渡过程中，反应物的消耗及产物的生成尚不明显，它们之间的相互扩散的量级不大，扩散速度对此过渡过程的化学反应影响极微。因此，着火是一个化学动力学控制的过程。 火焰的熄火过程也是一个化学反应速度控制的过程。但与着火过程相反，它是一个从极快的燃烧化学反应到反应速度极慢，以至不能维持火焰或几乎停止化学反应的过程。 4.1.1 两种着火类型 有两种使可燃混合物着火的方式：自发着火及强制着火。 自发着火有时又叫自动着火或自燃(以后统称为自燃)。它是依靠可燃混合物自身的缓慢氧化反应逐渐累积热量和活化分子，从而自行加速反应，最后导致燃烧。 自燃有两个条件： 1）可燃混合物应有一定的能量储蓄过程。 2）在可燃混合物的温度不断升高，以及活化分子的数量不断积累后，从不显著的反应自动转变到剧烈的反应。 有许多燃料与氧化剂在高温下迅速混合并导致自燃的例子。例如，柴油喷到高温的压缩空气中在极短的时间内，部分地蒸发并与空气混合，在经历一定的延迟后反应便进行得非常快而着火燃烧；在冲压式喷气发动机及涡轮喷气发动机中燃料喷雾在加力燃烧器中的着火；汽油机中的爆震等。 强制着火是靠外加的热源（外部点火源）向混合物中的局部地方加入能量，使之提高温度和增加活化分子的数量，迫使局部地方的可燃混合物完成着火过程而达到燃烧阶段，然后火焰向可燃混合物的其他部分传播，导致全部可燃混合物燃烧。 强制着火的例子很多，如用电热丝、电火花、炽热的粒子、引火火焰等导致着火。而研究得最多的是汽车及飞机发动机中用电火花点燃汽油–空气混合物的着火现象。大部分火灾也是由外部点火源，即强制着火引起的。 4.1.2 两种着火机理 1）热着火：在可燃混合物的着火过程中，主要依靠热量的不断积累而自行升温，最后达到剧烈的反应。 对于大多数燃烧反应，其放热速度与温度成很强烈的指数函数关系。而热损失速度仅是温度的简单的线性关系。稍许提高反应混合物的温度就可大大提高其反应及温升速度。因而，一旦放热速度超过散热损失速度，几乎整个体积内的气体都将立即着火。然后，反应就能自行进行而不再需外界加热。 着火的温升加速是非常突然的，开始时反应速度慢得不能觉察，经反应后而突然变得可以觉察和可以测量的某一着火燃烧温度。 2）链着火：在可燃混合物的着火过程中，主要依靠链分支而不断积累活化分子，最后达到剧烈的反应而释放热量 。 若燃烧反应有中间载链基的分枝链反应时，则甚至在等温条件下也能着火。如产生载链基的速度超过其消亡的速度则反应逐渐加速并导致着火。而链反应自身的引发则需要一外来的热能或光能源。一旦此链已经引发，在上述的载链基产生速度得以满足时，则移去外能源后也能发生着火。 研究可燃混合物的着火条件是火灾防治的一个重要课题。本章在处理着火与熄火时大都是从反应热的产生与散失出发的。着火、燃烧界限、淬焰距离及最小点火能等的概念都是通过此热爆燃理论提出的。 4.2 谢苗诺夫的热着火理论 4.2.1.热力着火理论 如有一体积为V(m3)的容器，其中充满了均匀可燃气体混合物，其浓度为c (mol/m3)，容器的壁温为T0(K)，容器内的可燃气体混合物以速率ω[mol/(m3·s)]进行反应。化学反应后所放出的热量，一部分加热了气体混合物，使反应系统的温度提高，另一部分则通过容器壁传给了周围环境。 为了简化计算起见，谢苗诺夫采用 零维模型，即不考虑容器内的温度、反应物浓度等参数的分布，而是把整个容器内的各参数都按平均值来计算。假定: 1) 容器内各处的混合物浓度及温度都相同。 2) 在反应过程中，容器内各处的反应速率都相同。 3) 容器的壁温T0及外界环境的温度在反应过程中保持不变(决定传热强度的温度差就是壁温和混合物之间的温差)。 4) 在着火温度附近，反应所引起的可燃气体混合物浓度的改变是忽略不计的。 如以Q1表示在单位时间内由于化学反应而释放的热量 (J/s)，则 (4.1) 式中，ω—化学反应速率，单位为mol/(m3·s); q—化学反应的摩尔热效应，单位为J/mol; V—容器的体积，单位为m3。 化