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出版者:第2版 (2005年9月1日)

作者:解茂昭

出品人:

页数:380

译者:

出版时间:2005-9

价格:38.0

装帧:平装

isbn号码:9787561111161

丛书系列:

图书标签:

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燃烧的科学与艺术：探寻能量转化的奥秘 序言 自人类掌握火种以来，燃烧便如影随形，深刻地影响着文明的进程。从温暖寒夜的炉火，到驱动庞大机器的引擎，燃烧始终是能量转化的关键。然而，这看似简单的一呼一吸，实则蕴含着极其复杂的物理化学过程。理解和驾驭燃烧，不仅是工程技术的核心命题，更是人类探索自然规律的永恒追求。本书旨在以一种系统而深入的方式，揭示燃烧现象背后精妙的科学原理，勾勒出从微观粒子相互作用到宏观能量释放的完整图景，并展望其在现代科技中的广阔应用前景。 第一章：燃烧的基本概念与热力学基础 燃烧，本质上是一种快速的氧化反应，其核心在于化学能向热能和光能的转化。这一章我们将从最基础的概念出发，厘清燃烧的定义、类型以及影响燃烧过程的关键因素。我们会深入探讨化学反应动力学在燃烧中的作用，例如反应速率、活化能以及链式反应等基本概念，为后续深入分析打下坚实基础。 更重要的是，我们将回归热力学，这是理解能量转化的基石。我们将审视燃烧过程中的能量守恒与能量转化定律，分析燃烧焓、生成焓以及燃烧产物的热容等关键热力学参数。通过对绝热燃烧温度、实际燃烧温度以及烟气成分的计算，我们将量化燃烧的能量输出，并理解不同燃料在热力学特性上的差异。我们将探讨化学平衡原理在燃烧中的应用，分析在不同温度和压力下，燃烧产物的分布将如何变化，这对于优化燃烧效率和控制污染物排放至关重要。 第二章：可燃物质的化学特性与燃烧过程 不同的物质拥有截然不同的化学结构和反应活性，这直接决定了它们燃烧时的表现。本章将详细剖析各类常见可燃物质的化学组成和特性，包括碳氢化合物（如汽油、柴油、天然气）、醇类、醛类等。我们将重点关注其分子结构、键能以及官能团对燃烧反应性的影响。例如，烯烃和炔烃因其双键和三键的存在，通常比烷烃更容易发生燃烧反应，但同时也可能产生更多的多环芳烃等污染物。 接着，我们将深入探讨燃料在燃烧过程中经历的复杂化学反应路径。这包括初始分解、自由基的生成与链式反应、以及最终产物的形成。我们将介绍一些关键的自由基，如H、O、OH、CH3等，它们在燃烧反应链中扮演着至关重要的角色，是连接初始燃料分子分解和最终产物生成的桥梁。我们将阐述不同类型的反应机理，如扩散火焰机理、预混火焰机理，以及这些机理在实际燃烧器中的作用。 第三章：火焰的物理现象与传播机制 火焰不仅仅是燃烧的可见标志，更是能量与物质相互作用的动态界面。本章将聚焦于火焰的物理层面，从其形态、颜色、温度分布到传播方式，进行细致的描绘。我们将探讨层流火焰和湍流火焰的本质区别，以及湍流火焰速度的测量和影响因素。 我们将深入研究火焰传播的机制，包括传导、对流和辐射。通过分析火焰前沿的温度梯度、浓度梯度以及扩散过程，我们将理解火焰如何自我维持并向前推进。我们将介绍层流火焰速度的定义和计算方法，以及温度、压力、组分浓度等参数对火焰速度的影响。此外，我们还将探讨预混气体的爆燃和爆轰现象，分析其发生条件和危害，这在安全工程领域具有重要意义。 第四章：燃烧过程中的传热与传质 能量的有效传递和物质的充分混合是高效燃烧的两个关键要素。本章将聚焦于燃烧过程中的传热与传质现象。我们将详细分析对流传热、辐射传热以及热传导在燃烧室内的分布与计算。例如，在内燃机中，燃烧产物通过对流和辐射将热量传递给气缸壁，这不仅影响着发动机的性能，也是热量损失的重要途径。 物质的混合，尤其是燃料与氧化剂的混合，直接决定了燃烧的均匀性和完全性。我们将探讨扩散混合、湍流混合以及多相流中的混合过程。我们将介绍质量扩散系数、湍流扩散以及混合效率等概念，并分析它们在不同燃烧器设计中的作用。对传热与传质过程的深刻理解，是优化燃烧效率、减少热损失以及实现精确控制的基础。 第五章：燃烧产物与污染物生成 燃烧过程并非仅仅产生期望的能量，同时也会生成一系列的产物，其中一些可能对环境和健康造成负面影响。本章将重点关注燃烧产物的组成以及污染物的生成机理。我们将分析主燃烧产物（如CO2、H2O）的生成，以及在不完全燃烧条件下产生的中间产物（如CO、未燃尽的碳氢化合物）。 更重要的是，我们将深入探讨有害污染物的生成。这包括氮氧化物（NOx）的生成机理（如热力学NOx、燃料NOx、生成NOx）、硫氧化物（SOx）的生成以及颗粒物（PM）的形成。我们将分析影响这些污染物生成的因素，如燃烧温度、氧气浓度、燃料成分以及燃烧时间。理解这些污染物的生成途径，是开发清洁燃烧技术和有效控制排放的关键。 第六章：特殊燃烧现象与高级燃烧模型 除了基础的燃烧过程，某些特殊现象和复杂体系需要更深入的研究。本章将介绍一些特殊的燃烧现象，如自燃、催化燃烧、以及燃烧不稳定性。自燃是指燃料在不接触明火的情况下，由于温度升高而发生自发燃烧的现象，这在很多工程应用中需要避免，而在某些特种发动机设计中则可能被利用。 我们将引入一些高级燃烧模型，这些模型能够更精确地描述复杂燃烧过程。这包括基于化学反应动力学的详细机理模型，以及更简洁但实用的全局机理模型。我们还会讨论湍流燃烧模型，例如涡耗散概念（EDC）模型、概率密度函数（PDF）方法等，它们能够捕捉湍流与化学反应相互作用的复杂性。这些高级模型在计算流体动力学（CFD）仿真中扮演着重要角色，为工程设计提供了强大的工具。 第七章：燃烧的实际应用与发展趋势 燃烧技术是现代社会不可或缺的一部分，其应用领域广泛而深入。本章将聚焦于燃烧的实际应用，从传统的内燃机，到发电厂的锅炉，再到航空航天发动机。我们将探讨不同应用场景下燃烧的特点和挑战。 同时，我们将展望燃烧技术的未来发展趋势。清洁燃烧、高效燃烧以及智能化燃烧是当前研究的重点。我们将讨论如何通过优化燃料、改进燃烧器设计、采用先进的控制技术以及开发新型燃烧方式（如微波燃烧、等离子体燃烧）来提高能量利用效率，降低污染物排放，并满足日益严格的环保法规。新能源燃料（如氢能、生物燃料）在燃烧领域的应用前景也将是本章讨论的重要内容，它们为实现可持续能源发展提供了新的途径。 结语 从原子层面的化学键断裂到宏观世界的能量释放，燃烧是一个跨越物理、化学、工程等多个学科的复杂而迷人的领域。本书通过系统地阐述燃烧的基本原理、化学过程、物理现象以及实际应用，希望能为读者构建一个全面而深入的认识框架。理解燃烧，就是理解能量转化的本质，也是掌握驱动现代社会发展的核心技术。希望本书能够激发读者对燃烧科学的兴趣，并为相关领域的探索与创新提供有益的启示。

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我拿到这本书的时候，主要被它的“计算”二字吸引，希望能找到一些实用的编程指导或者成熟的仿真案例。但读下来，我发现它更偏向于理论的深度挖掘，而不是工程上的应用指导。书中大量的篇幅都在讨论如何精确地描述燃烧室内的压力、温度和组分浓度的瞬时变化，涉及了大量的数值方法，比如有限体积法和有限差分法在处理对流项和反应项时的稳定性问题。作者似乎对现有商业软件（如Fluent或STAR-CCM+）中的默认设置持保留态度，力求推导出更符合物理现实的离散格式。可惜的是，书里虽然提到了这些数学工具，但并没有提供任何可以直接运行的代码示例，也没有详细说明如何将这些复杂的模型参数输入到现有的仿真软件中进行验证。这让我有些失望，感觉就像是拿到了一份精美的菜谱，食材、火候都写得清清楚楚，但就是没有附带一个成品图片，更别提一个厨房操作指南了。对于实践者来说，理论的严谨性固然重要，但如何将这份严谨性转化为可以运行的程序，才是我们真正需要的桥梁。

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这本书的内容深度令人敬佩，但阅读体验却像是在攀登一座技术之山。我花了一个下午的时间去研究关于“喷雾雾化与蒸发”那一章，作者将液滴破碎过程用一系列耦合的Navier-Stokes方程和能量方程来描述，同时还考虑了表面张力的影响。这种对细节的关注是无可挑剔的，但阅读过程中，我时不时地需要停下来，翻到书后面的附录去查找那些在正文中被“简写”的希腊字母和张量符号的定义。这种频繁的查找极大地打断了我的思维连贯性。此外，这本书似乎更侧重于均相燃烧和简化的非均匀燃烧模型，对于实际往复式内燃机中常见的复杂燃烧模式，如均质充量压燃（HCCI）或火焰厅喷射（PFI）的细节讨论略显不足。它更像是一本面向理想化模型和基础研究的教科书，而不是一本直接面向现代发动机设计挑战的工具书。对于那些追求快速掌握实际工程应用的读者来说，这本书可能需要配合大量的案例研究才能消化吸收。

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我个人认为，这本书的价值主要体现在其对燃烧物理和化学耦合机制的全面梳理上，但它也明显带有特定年代的研究烙印。书中的一些计算流体力学方法论，比如对特定湍流模型（如k-epsilon或Reynolds Stress Model）的参数敏感性分析，虽然严谨，但在当前计算资源爆炸的时代，可能略显保守了。现在的趋势是更多地采用LES（大涡模拟）甚至DNS（直接数值模拟）来捕捉燃烧过程中的关键特征，而这本书对这些前沿方法的论述篇幅相对较少，或者说，它们只是被作为未来研究的方向被简单提及。总而言之，这是一本优秀的理论基石教材，能帮助读者建立起坚实的数学和物理框架，但如果你期望从中找到针对最新一代发动机污染物控制技术或新型燃料适应性的快速解决方案，你可能会觉得它不够“贴地气”。它更像是一部需要反复研读的经典著作，而非一本即时解决问题的参考手册。

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这本《内燃机计算燃烧学》的厚度着实令人望而生畏，光是翻开首页，那密密麻麻的公式和符号就已经让人感到头晕目眩。我本以为自己对热力学和流体力学有一些基础认知，但这本书里的内容，尤其是那些涉及湍流模型和化学反应动力学的章节，简直就是一堵高墙。我试着从头开始啃，从最基础的能量守恒定律讲起，作者的推导过程详尽得令人发指，每一步都恨不得把所有假设和变量都列出来。然而，这种详尽的“脚踏实地”反而让我在理解其高层逻辑时感到吃力。比如，关于火焰传播速度的计算，书中用了大量的微分方程和边界条件，虽然每一步的物理意义都能勉强跟上，但真正要在大脑中构建出一个动态的燃烧过程模型，却感到力不从心。我猜想，这本书更适合那些已经对CFD（计算流体力学）有深入研究，并且正在进行前沿燃烧模拟算法开发的研究人员。对于我这种只是想了解一下内燃机燃烧过程基本原理的工程师来说，这本书的门槛实在太高了，我可能得先找一些更入门的教材来补课，才能回来尝试理解其中复杂交织的数学框架。

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这本书的排版和插图风格，给我一种强烈的学术专著的印象，完全没有市面上那些科普类书籍的亲和力。图表大多是黑白的，线条密集，很多复杂的流线图和等值面图，如果没有配合大量的文字解释，几乎无法快速解读其核心信息。我尤其注意到，作者在引用文献时非常严谨，几乎每一项重要的结论后面都有明确的文献标注，这无疑增加了其权威性，但也使得阅读过程变得断断续续。我尝试跳过一些推导过程，直接去看结论和应用场景的讨论，但很快就发现，如果不理解中间的数学推导，那些结论的适用范围和局限性就变得模糊不清。例如，关于稀薄燃烧（Lean Burn）策略下的氮氧化物（NOx）生成机理分析，书中用到了详细的Zeldovich机理扩展，并讨论了在不同湍流强度下，活化能的有效性，但要将这些细微的差别体现在实际的ECU标定策略中，这本书似乎没有给出明确的指导方向，它只是停留在对物理现象的微观描述上，显得有点“高高在上”。

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