0.1 燃烧的本质与发展史
什么是燃烧？**的定义：燃烧是一种能发光、发热的快速氧化反应。但是随着现代燃烧技术发展及其应用领域的不断扩大，燃烧概念的外涵也有所扩展，一些文献中将强烈放热和发光的快速化学反应过程称为燃烧。这里的化学反应除了通常意义上的燃料的氧化反应外，还有类氧化反应，如氟化反应、氯化反应以及氮化反应等，这些反应与传统意义上的氧化反应相似，具有燃烧反应的一切特征，但没有氧元素参与反应过程。本书中的燃烧专指燃料与氧气通过剧烈氧化反应将燃料中的化学能转化为热能的过程，因此这里的燃烧理论属于**燃烧理论。
火焰是燃烧的表现形式，在人类社会的发展历史中，对火的探索从未停止，对火的认识也经历了*折的过程。早期火被认为是组成宇宙的四大元素 (即空气、水、火及土) 之一，17世纪末德国人斯塔尔(G. E. Stahl) 提出“燃素论”，认为一切可燃物质之所以能燃烧是因为其中含有称之为燃素的物质，当燃素逸出到空气中就会出现燃烧现象，而物质燃烧的难易程度取决于其含有燃素的多寡。“燃素论”流行了一百多年，但它始终无法解释燃素的本质到底是什么？此外，人们在镁条燃烧实验中还发现，燃烧后镁的质量没有减少反而增加了，而密封容器中的空气却减少了。这些现象是 “燃素论”无法解释的，直到法国化学家拉瓦锡 (A. L. Lavoisier) 提出了燃烧的氧化学说，这些现象才有了合理的解释。1777 年拉瓦锡在其报告《燃烧概论》中*次系统阐明燃烧的本质：①燃烧时放出光和热；②只有氧存在时，物质才会燃烧；③空气由两种成分组成，物质在空气中燃烧时吸收了空气中的氧，因此质量增加；④一般的可燃物质 (非金属) 燃烧后通常变为酸，氧是酸的本质。拉瓦锡的燃烧的氧化学说彻底推翻了 “燃素论”，人类历史上**次对火焰有了一个正确的认识，使得燃烧学的发展开始走上了正常轨道。
燃烧学的发展与其他相关学科的发展是密不可分的。19 世纪，热力学成为认识燃烧现象的基础，燃烧过程被作为热力学平衡体系来研究，从而获得了燃烧过程的一些重要特性，如热效应、绝热火焰温度、着火温度以及燃烧产物平衡成分等。20 世纪 30 年代，美国的刘易斯 (B. Lewis) 和俄国的谢苗诺夫 (H. H. Semenov) 等将化学动力学引入燃烧研究，确认了化学反应动力学是影响燃烧速率的重要因素，并发现燃烧具有链锁反应的特点，从而奠定了燃烧理论基础。20 世纪 30～50 年代，人们开始认识到控制燃烧过程的还有气体流动、传热传质等物理因素，燃烧是这些因素综合作用的结果，从而建立了着火、火焰传播以及湍流燃烧理论。20 世纪 50～60 年代，美国的冯 ？ 卡门 (von Kármán) 和我国的钱学森提出用连续介质力学研究燃烧基本过程，建立了 “反应流体力学”。20 世纪 60 年代后，计算机的出现使燃烧理论与数值方法结合，展现出巨大 “威力”。英国的斯波尔丁 (Spalding)*先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解，并通过了实验的检验。斯波尔丁等还将 “湍流模型方法” 引入燃烧学的研究，提出了湍流输运模型和湍流燃烧模型，成功对一些基本燃烧现象和实际的燃烧过程进行了数值求解。与此同时，现代先进激光诊断技术的出现，改进了燃烧试验方法，提高了测试精度，为深入研究燃烧现象及其规律提供了重要手段和精确可靠的试验数据。
随着燃烧数值计算方法与试验技术的发展，燃烧学的研究进入从定性到定量、宏观到微观以及局部到整体的新阶段。当前，燃烧科学正从一门传统的经验科学发展成为一门系统的，涉及热力学、流体力学、化学动力学、传热传质学、物理学等的，且以数学为基础的综合理论体系。
0.2 燃烧主要应用领域
对火的掌握与使用是开启人类文明的重要因素。现代社会从日常生活到社会生产，人们对各种燃烧装置的依赖仍然是全方面的，小的方面如取暖、烹饪，大的方面如发电、交通运输、冶炼、武器装备以及航空航天等。除了有用的方面，火也有有害的一面，如火灾造成财产与生命的损失，燃烧污染物排放造成对环境的破坏，以及战场上化学武器的使用对人员的大量杀伤等。总之，燃烧的应用领域十分宽广，下面我们从现实燃烧问题出发对5 个燃烧实用领域加以阐述。
1) 能源与燃烧装置
地球上可利用的能源种类有很多，包括核能、太阳能、风能、水力、地热能、海洋潮汐能以及化石能源 (天然气、石油及煤炭) 等，其中化石能源因其应用的便利性、高能密度以及经济性，其当前利用率占整个能源消耗的 80% 以上，且在可预见的未来这一趋势仍将持续。
化石能源的利用通常通过燃烧的方式将化学能转化为热能，热能可以直接利用，也可以在动力装置中再转化为机械能以输出动力，如内燃机、燃气轮机等。车用内燃机作为石油燃料的主要消耗者以及空气污染的主要贡献者，其设计及运行与解决能源高效利用的问题密切相关，高效、清洁燃烧的内燃机的研究已经取得大量成果。柴油机与汽油机是两种典型的内燃机，相比于应用更广泛的汽油机，柴油机可以在更高压缩比下运行，使得其整体循环效率更高，且其燃料适应性更强，因此柴油机更能适应今后非常规或低等级燃料的使用。但是柴油机也有噪声大以及炭黑与 NOx 排放高的缺点，这两项缺点与它的运行机制有关，这就需要开展基础性的燃烧研究以解决这些问题，现在已经有了两条截然相反的技术路线。一是分层燃烧。我们知道，混气在贫油状态下燃烧时既可以提高燃烧效率，还可以降低污染物的排放，但是贫油混气却难以着火。分层燃烧的思想就是将整体贫油的混气在充气过程中划分出偏富油区 (层) 与极度贫油区 (层)，然后在容易着火的偏富油区点火，着火后火焰再向极度贫油区传播，实现分层燃烧。二是均质压燃。采用均质压燃的发动机也称为 HCCI 发动机。均质压燃的主要思想是向气缸内填充均匀混气，压缩后在整个气缸内形成燃烧反应，不会形成局部高温的火焰区，因此大大减少炭黑及 NOx 的生成，不仅如此，压缩点燃所要求的高压比也会产生更高的循环热效率。
2) 燃料
燃烧离不开燃料，不同的燃烧装置对燃料的适应性要求是不同的。比如汽油机对燃料的挥发性要求比较高，柴油就不能在汽油机上应用；再比如民用燃气炉对天然气中气体成分有严格要求，否则会破坏火焰的稳定性，容易出现吹熄与回火的状况。
此外，由于石油供应的紧张也使得燃料的重要性得到广泛的关注。人们常说的能源危机实际上就是燃料危机，预计到 21 世纪末石油将消耗怠尽，以后几个世纪在化石燃料方面将更依赖煤的燃烧，包括煤的直接应用以及煤的衍生产品。煤的直接使用有两个途径，一是流化床，另一个为水煤浆。前者通过足够大的风量将炉篦上的煤粉颗粒吹起来，好像流动了一样，此时煤粉与空气充分接触，使得燃烧速率达到*大化。不仅如此，流化床燃烧时在煤粉中混入石灰石可中和掉 SOx，通过控制流化率使 NOx 排放*小化。水煤浆则是将 40～70μm 的煤粉与水稳定混合成液态燃料，可以通过管路输送，并能在燃烧室中直接喷雾燃烧。煤也可以衍生出液态油，煤衍生油具有高沸点、宽馏程，且芳烃及燃料氮含量高等特点，燃烧时容易产生炭黑及 NOx。此外，煤还可以通过不充分燃烧的方式进行气化，如过去常见的城市煤气，它由多种气体组成，其中可燃气体主要为氢气、一氧化碳等。
3) 污染与健康
燃烧过程产生的主要污染物有：炭黑、SOx、NOx、未燃碳氢 (UHC) 以及 CO 等。炭黑主要源于煤的燃烧，其次是高压比的柴油机。炭黑的危害包括降低能见度与导致呼吸道疾病。SOx 也源于煤的燃烧，它与空气中的水分结合后生成硫酸，并形成酸雨，对水生物有毁灭性影响，以及腐蚀土壤等。NOx 源于空气中的氮气及燃料中氮原子在燃烧过程中被氧化。空气中氮气氧化成 NOx 通常是在高温条件下，燃料中氮氧化成 NOx 对温度不敏感，通常源自煤及其衍生产品的燃烧。NOx 与 UHC 及臭氧在太阳光照射下生成光化学烟雾，对呼吸系统有破坏作用。
此外，CO2 是碳氢燃料燃烧时的必然产物，大量的 CO2 排放到大气中造成了全球变暖，这是潜在的、灾难性的环境问题。当前碳达峰与碳中和计划正是主要针对 CO2 的排放而制定的环保计划。
4) 安全
有关燃烧安全问题可划为三类：火灾、爆炸以及防火材料。火灾会造成生命与财产损失，这方面关心的问题包括火焰侦测技术以及密闭空间内火焰传播动力学等。爆炸方面关注的包括防止矿井走廊、谷物升降机内的爆炸，以及液化天然气罐、压缩氢气罐的破损泄漏引起的爆炸等。防火材料主要针对建筑与装饰材料的防火等。
5) 国防与航天
国防方面的燃烧相关问题主要包括：研制高能炸药与推进剂，飞机发动机、火箭发动机以及枪炮中燃烧不稳定性的抑制，发动机与火箭排气的红外信号抑制，油箱中弹后的防爆，以及化学激光武器与高超声速飞行器的研发等。航天领域的燃烧相关问题包括：微重力下燃烧特性与火焰动力学，空间站中火灾侦测与防火问题等。
0.3 本书的内容要点
燃烧学不仅应用领域广泛，而且与众多基础学科密切相关，包括热力学、化学动力学、流体力学、传热学等，是一门内容丰富、实用性特别强的综合性学科。
本书涉及的内容是燃烧学的理论基础，是针对动力机械与工程热物理、航空宇航推进理论与工程等专业本科生的燃烧学入门教材，具有专业课与专业基础课两个方面的特点。本书的主要目的是向读者阐述燃烧学的概念与基础理论，同时也融合了一些工程应用的相关知识，内容全面，注重理论与实践相结合。从结构上来看，第 1 章是燃烧学的预备知识，通过热力学与化学动力学理论分析与阐明燃烧特性与本质，同时也是燃烧过程热力计算的基础；第 2 章是燃烧过程数值模拟的基础，通过微分方程来描述燃烧过程中的守恒关系；第3～5章阐明了燃烧学概念与基础理论，这是本书的重点，主要燃烧现象在这3章中均得到讨论；第6～8为应用基础，从应用的角度讨论液体燃料与固体燃料的使用及燃烧污染的问题；第9章为本书的拓展，重点阐述燃烧在航空航天领域的应用现状与发展趋势等。
本书主要针对较短课时 (36 学时) 的燃烧课程而编写，由于篇幅限制，本书没有对前沿的燃烧理论做深入的阐述与讨论，对新型燃烧技术也是点到为止，对复杂燃烧装置的技术细节也涉及不多，但是可以在较短时间内使学生对燃烧学有一个比较全面的认识，并能够分析与计算一般燃烧现象与燃烧过程，为学生进入更深层次的理论学习以及提高处理复杂燃烧问题的能力奠定坚实的基础。
燃烧过程的本质就是一个剧烈的化学反应过程，因此研究燃烧问题实际上就是研究一个带化学反应的体系的问题。化学热力学是把热力学基本定律应用于有化学反应的系统，分析化学反应过程中能量转化的规律、化学反应进行的方向以及化学平衡等问题。化学热力学的具体任务是：①根据热力学**定律分析化学能转变为热能的能量变化，确定化学反应的热效应；②根据热力学第二定律分析化学平衡条件，以及平衡时系统的状态，这里主要分析燃烧反应平衡时的燃烧产物的温度及成分的确定。
化学动力学是化学学科的一个组成部分，与化学热力学研究反应系统初、终态的热力状态以及过程中能量转化规律不同，化学动力学研究化学反应系统从一个状态到另一个状态变化时所经历的过程以及过程所需要的时间，即化学反应速率。化学动力学的具体任务是：①确定化学反应速率的大小以及影响化学反应速率的因素；②研究各种化学反应机制，即研究由反应物变化到生成物所经历的具体途径。化学动力学的目标是揭示化学反应速率变化的本质，使人们在生产实践中能够根据需要控制化学反应速率。
1.1 生成焓、反应焓及燃烧焓
化学反应往往伴随着热量的吸收或释放，当体系在等温、等压或等温、等容条件下进行某个化学反应，且除了膨胀功以外不做任何其他形式的功时，系统吸收或释放的热量称为该反应的热效应。根据不同的反应，热效应又可分为生成焓、反应焓以及燃烧焓。根据热力学的
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