燃烧
可燃物与氧气或空气进行的快速放热和发光的氧化反应，并以火焰的形式出现。煤、石油、天然气的燃烧是国民经济各个部门的主要热能动力的来源。近世对能源需求的激增和航天技术的迅速发展，促进了流体力学、化学反应动力学、传热传质学的结合，使燃烧学科有了飞跃的发展；另一方面以消灭燃烧为目的的防火技术的发展也促进了燃烧理论的研究。
在燃烧过程中，燃料、氧气和燃烧产物三者之间进行着动量、热量和质量传递，形成火焰这种有多组分浓度梯度和不等温两相流动的复杂结构。火焰内部的这些传递借层流分子转移或湍流微团转移来实现，工业燃烧装置中则以湍流微团转移为主。探索燃烧室内的速度、浓度、温度分布的规律以及它们之间的相互影响是从流体力学角度研究燃烧过程的重要内容。由于燃烧过程的复杂性，实验技术是探讨燃烧工程的主要手段。近年来发展起来的计算燃烧学，通过建立燃烧过程的物理模型对动量、能量、化学反应等微分方程组进行数值求解，从而使对燃烧设备内的流场、燃料的着火和燃烧传热过程、火焰的稳定等工程问题的研究取得明显的进展。
着火 即可燃物开始燃烧。可燃物必须有一定的起始能量，达到一定的温度和浓度，才能产生足够快的反应速度而着火。大多数均相可燃气体的燃烧是链式反应，活性中间物的浓度在其中起主要作用。如果链产生速度超过链中止速度，则活性中间物浓度将不断增加，经过一段时间的积累(诱导期)就自动着火或爆炸。着火温度除与可燃混合物的特性有关外，还与周围环境的温度、压力、反应容器的形状、尺寸等向外散热的条件有关。当氧化释放的热量超过系统散失的热量时，燃料就会快速升温而着火。这种同流动和传热有密切联系的着火称为热力着火，它是多数燃料在燃烧设备内所经历的着火过程。在燃料的活性较强、燃烧系统内压力较高和散热较少的情况下，燃料的热力着火温度会变得低一些。在一定压力下，可燃物有着火浓度的低限和高限，在这个范围以外，不管温度多高都不能着火。在大气压力下，某些可燃气体在空气中的着火性质如附表所示。
工程中使用得较为普遍的着火方法是强迫着火，它是用外部能源或炽热物体如电火花、引燃火炬、高温烟气回流等点燃冷的可燃物。在点燃部位首先出现火焰，然后通过湍流混合和传热，火焰锋面逐渐扩展到整个可燃物。强迫着火是由点火源向周围可燃气体加热，因此点燃温度要高于可燃物的自燃温度。
火焰 激烈进行发光、放热反应的界面或空间称为火焰，其亮度取决于可燃物的性质。炽热的烟气发光较弱，形成白色火焰。如果燃烧区内有固体微粒(如碳黑)，就会出现发光强烈的火焰。
火焰锋面在可燃混合物中的传播形成燃烧波。燃烧波的传播有两种方式：一种为正常燃烧，是通过热量传递使未燃气体温度升高而引起燃烧，或由于活性中间物质扩散到未燃气体中引起反应而燃烧。正常燃烧典型的火焰速度约50厘米／秒，常压下火焰厚度为数毫米，燃烧在燃烧波内完成。通常的燃烧设备和喷气发动机内的燃烧即属此类。另一类为爆震(又称爆轰)，是靠极薄的激波传播的，波面两侧压力和温度可相差十倍，甚至更多，使可燃物在激波后的燃烧区迅速完成反应。爆震的传播速度可达每秒2～5千米(气体爆炸物)或8～9千米(固体和液体爆炸物)，因而具有很强的破坏力。在正常燃烧中通常遇到的火焰有：
预混火焰 可燃气体和空气或氧气按化学当量比预先混合后燃烧时所形成的火焰，又称动力燃烧火焰。化学反应局限在很窄的火焰锋面内，以一定的速度向可燃气体传播。火焰锋面位移的法向速度称为正常火焰传播速度u(厘米／秒)，可表示为：
，
式中λ、
和ρ分别为可燃物的热导率、定压比热和密度。可见，u是仅与可燃物特性有关的常数，其数值通常在每秒几厘米至几米的范围内。工业上的无焰燃烧就是可燃混合物在容积不大的耐火材料制成的遂道中的燃烧，具有火焰短、燃烧强度大和高温区集中等特点。
层流火焰 静止或处于层流运动的可燃混合物燃烧时形成的火焰。它以正常速度扩展，火焰锋面光滑而明显，可燃气体在锋面各点的法向分速均等于正常火焰传播速度(见图)。
层流火焰和湍流火焰
左边为长时间曝光照片
右边为纹影照片
上部为层流火焰
下部为湍流火焰
湍流火焰 可燃混合物达到湍流工况后燃烧时所形成的火焰。工业上应用的大都是使可燃混合物从喷嘴流出的速度达到湍流工况后燃烧所形成的火焰。由于气流的脉动，湍流火焰锋面厚度比层流火焰大得多(见图，下左为长时间曝光照片)。当气流脉动速度不大且脉动微团的平均尺寸小于层流火焰锋面厚度 (通常为0.01～1.0毫米)时，称为小尺度湍流火焰(雷诺数为2300～6000)；这时火焰锋面呈波纹状(见图，下右纹影照片)，用湍流的物性参量代入层流火焰扩展的理论公式即可求解。当气流脉动速度不太大，但脉动微团的平均尺寸大于层流火焰锋面厚度时，称为大尺度湍流火焰(雷诺数≥6000);此时火焰锋面弯曲得很利害，使反应表面积大增。根据湍流火焰传播的理论，燃烧速度和火焰的锋面面积成比例，故湍流燃烧速度比层流燃烧速度大得多。如果雷诺数更高，气流脉动和湍流微团尺寸都很大，火焰锋面就被撕得四分五裂，不再以连续面出现。部分被撕裂的可燃物火焰锋面和高温烟气合并到新形成的微团内，使微团内也出现燃烧，这是湍流容积燃烧理论的设想。此时燃烧速度和气流脉动速度成比例。但实验发现湍流燃烧速度往往要比气流脉动速度大好几倍，这是因为在火焰锋面中温度剧增，气流膨胀和可燃物浓度降低导致火焰锋面内产生很大的速度、温度和浓度梯度，从而使脉动速度显著增加，使燃烧速度也相应增加。不过总的说来，湍流燃烧理论还不够成熟。湍流燃烧速度u(米／秒)主要通过实验来确定，通常可表为：
，
式中v′为气流脉动速度；A、B、m、n 为实验常数，对常见的可燃气体，A→0，B＝2.5～5.3，m＝1.0～0.8，n＝0～0.2。
扩散火焰 未经预先混合的可燃物和氧气(或空气)燃烧时形成的火焰。这种火焰锋面把可燃物和氧气分隔开，两者均需依靠浓度梯度向火焰锋面进行分子扩散和湍流扩散(见扩散)，因此火焰的形状和燃烧的速度主要取决于可燃物和氧的热量、质量交换和混合的速度，而不是化学反应速度。扩散火焰可分为均相和非均相两类；前者如气体燃料的扩散燃烧形成的火焰，后者如固体或液体燃料的燃烧形成的火焰。固体燃料燃烧时，往往要经历预热、干燥、挥发成分的析出和着火、焦炭的着火和燃烧等阶段。这些阶段互有重叠，其中以焦炭燃烧所需时间为最长。温度较低时，对燃烧速度起决定作用的是化学反应速度；当温度足够高、化学反应速度已很快时，燃烧速度便取决于氧向固体燃料表面的扩散速度和燃烧产物的离去速度。焦炭燃烧时的生成物 CO和CO在扩散离去时还可能产生二次反应：
2CO＋O
→2CO 和 CO＋C→2CO，
故只有温度较低时，氧才有可能扩散到焦炭表面，而在温度较高时，氧在扩散途中就与CO反应而被消耗殆尽。同时高浓度的CO反而向焦炭表面扩散，进行二次反应。液体燃料的燃烧也靠扩散，但对于轻质燃料，液滴表面只有蒸发而无反应，因为它的沸腾温度低于着火温度。对于重质燃料，沸程宽，在液滴内便进行裂解，产生的可燃气体在向外扩散过程中进行燃烧。直径为d(厘米)的煤粒或油滴燃烧所需时间
(秒)可用下述经验公式表达：
，
式中K为由燃料特性、流动工况、炉温所决定的经验常数(秒/厘米);n为常数。理论值n=2;实验值n=1.5～2.0。
火焰的稳定 为使燃烧持续，火焰锋面需稳定在某一位置上，其必要条件是可燃物向锋面流动的速度等于火焰锋面向可燃物扩展的速度。可燃物流速如果高于后者，火焰即被吹脱，此时的速度称为吹脱速度。由于工业燃烧装置中可燃物的流速大大高于火焰扩展速度，因此大多采用一些流体力学的手段来稳定火焰。常用的方法有：使用引燃火炬，不断对高速可燃气流进行点燃；设计非流线型物体作为稳燃器或使用产生高速旋转射流的燃烧器，使其后部出现低速的回流区并吸引高温燃烧产物回流以稳定火焰。
参考书目 F.A.威廉斯著，李荫亭、贾文奎译：《燃烧理论》，科学出版社，北京，1976。(F.A.Williams，Combustion Theory， AddisonWesley，Reading，Massachusetts，1965.) B.Lewis and G.von Elbe，Combustion，Flame and Explosions of Gases，2nd ed.，Academic Press，New York，1961. I.Glassman，Combustion，Academic Press，New York，1977.