湍流气体和两相流燃烧广泛存在于能源动力、航空航天和化工冶金等工程中。本书阐述了其中的基本理论和基本现象、数学物理模型、数值模拟结果和实验检验，以及数值模拟的应用。本书的特点是把湍流模型理论、多相流体力学理论和燃烧理论结合起来。本书是基于作者及其研究组多年来的研究和教学成果，也引入了国内外最新的研究成果、全书分成12章。第1～7章分别为燃烧过程、多相流动和湍流的基本理论和知识。第8～12章分别为湍流两相流动和燃烧的基本方程、湍流气体流动模型、湍流两相流动模型、湍流燃烧模型和数值模拟的应用。 本书可作为流体力学、工程热物理、能源动力、航空和航天、化工冶金等领域的研究和技术人员，以及高校教师和研究生的科研、设计、教学与学习的参考用书。

第一篇 气体和两相流燃烧理论
　　第1章 层流多组分有反应流动基本定律和守恒方程
　　1.1 基本关系式和输运定律
　　钱学森和 von Karman[1]首先用连续介质力学，即流体力学来研究燃烧过程，因此，定量地研究燃烧过程的出发点是有化学反应流动的基本守恒方程.这种流动是多组分的，例如，在气体燃烧中至少有一种燃料、一种氧化剂、燃烧产物、惰性气体以及各种原子、自由基、离子和电子等.多组分有反应流动的热力学性质和输运性质，不仅是压力和温度的函数，而且也是组分浓度的函数.描述这一类流动的基本方程除了连续、动量和能量方程外，还有扩散方程，而在扩散方程和能量方程中则出现了化学反应所造成的物质源、物质汇或热源、热汇.首先要给出多组分有反应流动的热力学性质基本关系式和分子输运定律[1-4].
　　对于多组分气体，总质量密度应当是各组分质量浓度之和，总压力也应当是各组分的分压之和，即
　　(1.1.1)
　　(1.1.2)
　　s组分的质量分数(相对浓度)和摩尔分数(摩尔相对浓度)分别是
　　(1.1.3)
　　气体混合物和s组分的质量密度以及摩尔数密度之间的关系分别为
　　ρ= nM (1.1.4)
　　(1.1.5)
　　除少数温度很高或压力很高的情况之外，大多数有反应流动中，可以认为多组分气体混合物及其各组分都服从完全气体(perfect gas)的状态关系，因此有如下的状态关系式：
　　(1.1.6)
　　由此得到
　　从而可以得到平均分子量与各组分分子量、质量相对浓度与摩尔相对浓度之间的关系如下：
　　(1.1.7)
　　多组分气体中有三种宏观速度：v 为混合气相对于实验室坐标系的速度；vs 为s组分相对于实验室坐标系的速度；Vs 为s组分相对于混合气的运动速度，即由分子不规则运动引起的扩散漂移速度.
　　显然，应当有
　　(1.1.8)
　　与上述三种线速度相对应的有三种物质流：ρv = g为混合气(气体混合物)物质流；为s组分物质流；为s组分扩散流.
　　显然，s组分相对于实验室坐标系运动的物质流，应当等于该组分相对于混合气的扩散物质流加上混合气所携带的该组分物质流，即
　　(1.1.9)
　　混合气物质流应当是各组分物质流之和：
　　因此得到
　　(1.1.10)
　　下面给出分子输运过程的基本定律.对于双组分混合气中由浓度梯度引起的组分1和组分2之间的扩散(分子扩散)，可用唯象的扩散定律或 Fick 定律表达为
　　(1.1.11)
　　对于多组分混合气，Fick 定律仍然保持相似的形式：
　　(1.1.12)
　　只不过这时的分子扩散系数 Ds 是各组分浓度的函数.在很多情况下往往采用进一步的简化假定，例如设各组分的扩散系数相等：
　　D1= D2= = Ds = D
　　对于能量输运，考虑到进入和离开混合气微元体的各组分扩散流所携带的净焓，必须对导热的 Fourier 定律进行修正，多组分气体中的总热流是
　　(1.1.13)
　　式(1.1.13)为修正的 Fourier 定律.其中， hs为s组分的焓，包括化学生成焓和热焓，即
　　(1.1.14)
　　混合物的焓为
　　(1.1.15)
　　式中，h0s 为s组分的生成焓; cps 为s组分的比热，也是p和T的函数.对于动量传递中应力与变形率之间的关系，仍然可以用单组分无反应流动的广义牛顿-斯托克斯定律来描述：
　　(1.1.16)
　　这里的分子黏性系数不仅是温度和压力的函数，也是组分浓度的函数.
　　1.2化学反应动力学基本关系式
　　化学反应的当量比关系式可以表达为
　　这里 As，A′s 分别代表反应物和产物，νs，ν′s是对应的当量比系数.s组分的反应
　　率是单位时间和单位体积内反应所消耗或产生的质量，其定义是
　　显然，化学反应的当量比关系给出
　　反应动力学的质量作用定律是
　　这里，Cs 可以是质量浓度ρs，或者摩尔浓度 XsMs；ks 是反应率系数；z 是组分总数；ν=ν1+ν2+ =Xνs 是表观反应级数.多数情况下真实的反应级数不等于表观级数，即
　　其中， m 是真实反应级数.对于同时进行的基元反应，第 r 个反应的基元反应率是
　　因此总反应率是
　　(1.2.1)
　　对于可逆反应，其当量关系为
　　正反应率为，逆反应率为，因此净反应率为
　　(1.2.2)
　　如果同时有若干个可逆的基元反应，则总反应率为
　　(1.2.3)
　　反应率系数 ks 是温度的强烈非线性函数，可以表达为 Arrhenius 定律形式
　　(1.2.4)
　　式中，E 为活化能，代表发生反应的能量障碍；R 是通用气体常数；B 是指数前因子.在理论分析或者初步的数值模拟中，往往把复杂的反应当作一步统观反应来处理，这时的反应率表达式是
　　(1.2.5)

目录
序
前言
符号表
第一篇 气体和两相流燃烧理论
第1章 层流多组分有反应流动基本定律和守恒方程 3
1.1 基本关系式和输运定律 3
1.2 化学反应动力学基本关系式 5
1.3 雷诺通用输运定理 7
1.4 连续方程、组分方程和动量方程.8
1.5 能量方程 9
1.6 多组分有反应流动的相似准则 12
1.7 相分界面边界条件和Stefan流 13
1.8 Zeldovich转换和广义雷诺比拟 16
参考文献 17
第2章 着火和灭火理论 18
2.1 基本概念和量纲分析 18
2.2 密闭容器内预混气体着火的Semenov非定常模型 20
2.3 着火延迟 23
2.4 流动系统着火的非定常分析法 25
2.5 热板点燃的Khitrin-Goldenberg模型 26
2.6 良好搅拌反应器中的Vulis着火和灭火模型 29
2.7 密闭容器内着火的Frank-Kamenetsky定常模型 31
2.8 一般流动系统着火条件的定常分析法 32
参考文献 34
第3章 层流气体燃烧理论 35
3.1 层流预混火焰.35
3.2 层流预混火焰传播方程.35
3.3 层流预混火焰传播方程的若干性质 36
3.3.1 绝热边界条件和本征值问题 36
3.3.2 冷端难题 36
3.3.3 温度和浓度剖面的相似及焓值的守恒 36
3.4 层流预混火焰传播速度的一般表达式 37
3.5 层流预混火焰传播方程的近似解 37
3.6 层流预混火焰传播方程的精确解 41
3.7 各种外参数对传播速度的影响 42
3.8 统观反应动力学参数的推算 42
3.9 层流扩散火焰 43
参考文献 44
第4章 液体燃料燃烧理论 45
4.1 液体燃料燃烧方式和特点 45
4.2 常温环境中的液滴蒸发 45
4.3 液滴在高温环境中的蒸发和燃烧 46
4.4 液滴蒸发和燃烧的主要实验结果 50
4.5 蒸发和燃烧的液滴周围轴对称二维流动的解析解与三维流动的数值模拟 53
4.5.1 有蒸发/燃烧液滴周围轴对称气体流动的“厚交换层”理论 53
4.5.2 有蒸发和燃烧的乙醇液滴周围三维气体流动的数值模拟 57
4.6 液滴的着火和灭火 61
4.7 内回流对液滴蒸发的作用 64
4.8 多组分液滴燃烧和微爆现象 65
4.9 液雾燃烧和液滴群燃烧的实验现象 66
4.10 液雾火焰传播速度理论分析 73
4.11 热燃烧产物点燃冷液雾-空气两相流动 74
参考文献 79
第5章 固体燃料——碳和煤的燃烧理论 81
5.1 固体燃料的燃烧 81
5.2 煤的热解挥发 82
5.3 固态碳异相反应 83
5.4 碳的异相氧化反应的基本方程 84
5.5 碳粒燃烧的单火焰面模型 85
5.6 碳粒燃烧的某些实验结果 88
5.7 碳粒燃烧的双火焰面模型 88
5.8 煤粒燃烧 90
5.9 煤粒和碳粒的着火及灭火 92
参考文献 92
第6章 湍流燃烧经典理论初步 93
6.1 背景 93
6.2 湍流射流扩散燃烧 93
6.3 湍流预混火焰的Damkohler-Shelkin皱褶火焰面模型 95
6.4 湍流预混火焰的Summerfield-Shetsinkov容积燃烧模型 95
6.5 湍流火焰稳定理论 96
参考文献 98
第二篇 湍流两相流燃烧的数值模拟
第7章 离散型多相/两相流和湍流基本知识 101
7.1 离散型多相/两相流的研究背景 101
7.2 多相湍流流动的不同流型 102
7.3 颗粒群/液雾的若干基本性质 102
7.3.1 颗粒/液滴尺寸及其分布律 102
7.3.2 表观密度和体积分数 103
7.3.3 颗粒/液滴阻力(曳力)和传热传质 104
7.4 颗粒动力学 105
7.4.1 单颗粒运动方程 105
7.4.2 单颗粒在均匀流场中的运动 105
7.4.3 颗粒的重力沉降 106
7.4.4 非均匀流场中的颗粒受力 106
7.4.5 一般形式的颗粒运动方程 107
7.4.6 颗粒动力学的近期研究 108
7.5 湍流的基本现象 108
7.6 湍流变量的雷诺展开和时间平均 109
7.7 湍流脉动的概率密度分布函数 109
7.8 湍流的关联量、长度尺度和时间尺度 111
参考文献 112
第8章 湍流两相流动和燃烧的基本方程组 113
8.1 引言 113
8.2 两相流动系统的控制体 113
8.3 各相内“细观”守恒方程组 114
8.4 层流/瞬态两相流动体积平均守恒方程组 115
8.5 稀疏湍流两相反应流动的雷诺时平均方程组 119
8.6 湍流两相流动的概率密度函数方程和统计平均方程组 121
8.7 两相雷诺应力和标量输运方程组 124
参考文献 127
第9章 单相湍流流动的数值模拟 129
9.1 引言 129
9.2 单相湍流动能方程的封闭 130
9.3 k-ε双方程模型 131
9.4 雷诺应力输运方程的二阶矩封闭 135
9.5 雷诺应力和热流输运方程模型 137
9.6 代数应力和热流模型——扩展的k-ε模型 139
9.7 DSM和ASM的应用及其与其他模型的比较 141
9.8 湍流流动的大涡模拟 149
9.9 湍流流动的直接数值模拟 153
参考文献 155
第10章 湍流两相流动的数值模拟 158
10.1 引言 158
10.2 颗粒湍流脉动的Hinze-Tchen代数模型(Ap模型) 160
10.3 统一二阶矩两相湍流模型 161
10.4 k-ε-kp和k-ε-Ap两相湍流模型 165
10.5 USM，k-ε-kp和k-ε-Ap两相湍流模型的应用和检验 166
10.6 改进的二阶矩两相湍流模型 177
10.7 质量加权平均的二阶矩两相湍流模型 182
10.8 k-ε-PDF与DSM-PDF两相湍流模型 189
10.9 颗粒湍流的Monte-Carlo模拟 198
10.10 两相湍流的非线性k-ε-kp模型 203
10.11 稠密颗粒流动的动力论模型 208
10.12 稠密气粒流动的两相湍流模型 211
10.13 两相流动的欧拉-拉格朗日(轨道)模拟 214
10.13.1 确定轨道模型的基本守恒方程组 214
10.13.2 颗粒湍流扩散的修正 215
10.13.3 颗粒随机轨道模型 216
10.13.4 稠密气粒流动的离散单元模拟 218
10.14 湍流两相流动的大涡模拟 219
10.14.1 引言 219
10.14.2 旋流气粒流动的E-L大涡模拟 221
10.14.3 气泡-液体流动的E-L大涡模拟 223
10.14.4 旋流气粒流动的双流体大涡模拟 224
10.15 湍流两相流动的直接数值模拟 226
参考文献 230
第11章 湍流燃烧的数值模拟 235
11.1 引言 235
11.2 湍流燃烧模型的基本问题 235
11.3 湍流燃烧的涡破碎/涡耗散模型 236
11.4 湍流燃烧的预设PDF模型 238
11.4.1 简化PDF的概念 238
11.4.2 简化PDF-局部瞬时不混合的快速反应模型 240
11.4.3 简化PDF-局部瞬时平衡的快速反应模型 242
11.4.4 湍流反应的简化PDF-有限反应率模型 245
11.5 湍流燃烧的PDF输运方程模型 249
11.6 湍流预混燃烧的Bray-Moss-Libby模型 253
11.7 湍流燃烧的条件矩封闭模型 253
11.8 湍流燃烧的层流小火焰模型 255
11.9 湍流燃烧的二阶矩模型 256
11.9.1 只考虑浓度脉动的二阶矩模型 257
11.9.2 对温度指数函数做级数展开近似的二阶矩模型 258
11.9.3 两种二阶矩-PDF模型.260
11.9.4 终版的湍流燃烧的二阶矩模型 262
11.10 湍流两相燃烧的数值模拟 269
11.10.1 两相燃烧的双流体模型 269
11.10.2 湍流两相燃烧的欧拉-拉氏模拟 272
11.11 湍流燃烧的大涡模拟 272
11.11.1 气体湍流燃烧大涡模拟过滤的控制方程和封闭模型 272
11.11.2 各种气体湍流燃烧的大涡模拟 274
11.11.3 乙醇-空气液雾燃烧的大涡模拟 279
11.11.4 旋流煤粉燃烧的大涡模拟 281
11.12 湍流燃烧的直接数值模拟 288
参考文献 292
第12章 湍流两相流燃烧数值模拟的应用 297
12.1 引言 297
12.2 大速差射流燃烧室内两相流动和煤粉燃烧 297
12.3 旋流燃烧器中煤粉燃烧和氮氧化物生成 300
12.4 固排渣涡旋炉内煤粉燃烧 302
12.5 固排渣喷腾旋风炉内两相流动和煤燃烧 304
12.6 电站煤粉炉内两相流动和燃烧 308
12.7 液雾燃烧 320
12.8 结束语 332
参考文献 332
名词索引 335