航空发动机燃烧学(西北工业大学) 中国大学MOOC作业答案

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【作业】第一章 绪论 第一章 章节作业

1、 问题:燃烧有哪几类分类方法，分别是什么？
评分规则: 【 （1分）按化学反应传播的特性和方式分类（1分）按照是否有火焰分类（1分）按照燃料的相态分类（1分）按照燃料和氧化剂是否预先混合以及流场形态分类 全答对得5分
】

2、 问题:对于燃烧科学来说，一般有哪几种研究方法？
评分规则: 【 提到实验研究（1分）提到数值模拟（1分）提到燃烧理论总结（1分）提到诊断技术（1分）对各研究方式适当的分析（1分）
】

【作业】第二章（二） 燃烧化学动力学 第二章 （二）章节作业

1、 问题:试比较反应级数和反应分子数的异同。
评分规则: 【 反应分子数：参加反应的反应物实际分子个数，为整数，只能用于基元反应； 对于基元反应或者简单反应，反应分子数=反应级数；用于解释微观反应机理；引起基元反应所需的最少分子数目。反应级数：化学动力学实验测定的浓度对反应速度的影响的总结果；对于复杂化学反应，反应级数是分数，反应分子数≠反应级数；总反应的表观反应级数定义为根据实验或经验数据得出的浓度乘积形式的幂指数之和。根据以上答案酌情给分
】

2、 问题:简述你对阿累尼乌斯定律的理解，并指明其适用范围。
评分规则: 【 阿累尼乌斯定律： 阿累尼乌斯定律反映了温度对反应速率的影响；阿累尼乌斯定律是实验得出的结果；阿累尼乌斯方程一般不能够描述很大参数范围的燃烧过程，较低温度范围实验数据拟合的阿累尼乌斯方程，可能完全不适用高温范围的实验数据；阿累尼乌斯定律适用于简单反应（复杂反应的基元步骤）及有明确反应级数的反应。以上每项各1分。
】

【作业】第二章（一） 燃烧化学热力学 第二章（一） 章节作业

1、 问题:试比较反应级数和反应分子数的异同。
评分规则: 【 反应分子数：参加反应的反应物实际分子个数，为整数，只能用于基元反应； 对于基元反应或者简单反应，反应分子数=反应级数；用于解释微观反应机理；引起基元反应所需的最少分子数目。反应级数：化学动力学实验测定的浓度对反应速度的影响的总结果；对于复杂化学反应，反应级数是分数，反应分子数≠反应级数；总反应的表观反应级数定义为根据实验或经验数据得出的浓度乘积形式的幂指数之和。根据以上答案酌情给分
】

2、 问题:简述你对阿累尼乌斯定律的理解，并指明其适用范围。
评分规则: 【 阿累尼乌斯定律： 阿累尼乌斯定律反映了温度对反应速率的影响；阿累尼乌斯定律是实验得出的结果；阿累尼乌斯方程一般不能够描述很大参数范围的燃烧过程，较低温度范围实验数据拟合的阿累尼乌斯方程，可能完全不适用高温范围的实验数据；阿累尼乌斯定律适用于简单反应（复杂反应的基元步骤）及有明确反应级数的反应。以上每项各1分。
】

【作业】第三章 燃烧的物理学基础 第三章 章节作业

1、 问题:试叙述质量、热量、动量输运定律的表达形式和物理意义？
评分规则: 【 质量输运服从费克（Fick）扩散定律，表达形式略；物理意义：扩散通量与扩散物质的浓度梯度成正比，方向与梯度方向相反；热量输运服从傅立叶（Fourier）导热定律，表达形式略物理意义：导热通量与温度梯度成正比，导热通量的方向与温度梯度方向相反。动量输运服从牛顿（Newton）粘性定律，表达形式略；物理意义：单位面积上剪切力与速度梯度成正比，单位面积上剪切力方向与速度梯度方向相反。以上表达形式及物理意义答错一项扣1分，扣完为止。
】

2、 问题:什么是Lewis 数（Le）？它的物理意义？
评分规则: 【 能量输运速率与质量输运速率之比，2分物理意义是：表示能量输运与质量输运的相对关系，或传热与传质的比例。3分
】

3、 问题:在预混可燃混气的一维燃烧波分析中，为了从热化学平衡关系式决定燃烧产物的成分和性质，是如何建立补充条件的？
评分规则: 【 首先，将基本的守恒关系变成两个包括初始和最终状态压力和密度的关系式。（1分）然后，将此关系式绘成压力与比容（密度的倒数）的曲线，从而确定可能的解。（3分）最后，引入补充的解析的和经验的数据来构成最终的约束条件。（1分）
】

【作业】第四章 着火理论 第四章 单元作业

1、 问题:着火有哪几种方式？各自的特点是什么？
评分规则: 【 着火的方式主要有：热自燃，链锁自燃和强迫点火。（2分）热自燃：可燃物和氧化剂的混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源均匀加热，温度不断升高导致化学反应不断自动加速，积累更多能量最终导致自动着火（此时着火发生在混合物的整个容积内）。（1分）链锁自燃：由于某种原因，可燃混合物中存在活化中心，活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。（1分）强迫点火：由于从外部能源、如电热线圈，电火花、炽热质点、点火火焰等得到能量，使混气的局部范围受到强烈的加热而着火，然后依靠燃烧波传播到整个可燃混合物中。（1分）
】

2、 问题:热自燃和链式自燃的区别与联系是什么？
评分规则: 【 热着火过程与链式着火过程区别如下：1.微观机理不同。（1分）热着火过程中，传递能量（微观动能）并使得化学反应继续进行的载体是系统中所有的反应物分子，而链式着火有效的反应能量只在链载体之间传递;2.强度不同。（1分）热自燃通常比链锁自燃过程强烈得多：在热自燃中，系统中所有分子的平均动能整体同步提高，从而导致整个系统的燃烧反应速率急剧上升。而链锁自燃通常局限在链载体的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加。但是，如果活化中心能够在整个系统内加速繁殖并引起系统能量的整体增加，就可能形成爆炸;3.外部条件不同。（1分）热着火通常需要良好的保温条件，而链式着火一般不需要严格的保温条件，在常温下就能进行，其主要依靠合适的链载体产生的条件，使得链载体的生成率高于销毁率，使化学反应自动地加速而着火。联系：不论是热着火还是链式着火，都是在初始较低的化学反应速率下，利用某种方式，积累某种可以使得化学反应加速的因素，从而使得化学反应速率实现自动加速，最终形成火焰。（2分）
】

3、 问题:什么是熄火？影响熄火的因素有哪些？
评分规则: 【 熄火是由强烈放热反应状态向无反应状态过渡的阶段，是化学反应减速的过程。（2分）影响熄火的因素有：混气的初温、初压、浓度、流速和混气性质及浓度、燃烧室的尺寸和保温情况等。初温较低（比着火温度低）、浓度偏离化学恰当比，流速较高、保温效果差等都容易导致熄火。（答到任意3点即给3分）
】

4、 问题:热自燃与强迫点火的区别有哪些？
评分规则: 【 点燃和热自燃没有本质上的区别，都是热量引起的，只是热量的来源不同。 ① 热自燃时，可燃混气由于反应自动加速，使全部可燃混气的温度逐步提高到自燃温度而引起的，所以热自燃是在可燃物质的整个空间内进行的。（2分） ② 点燃时，可燃物质的温度较低，只有很少一部分可燃物质受到高温点火源的加热而反应，而在可燃物质的大部分空间内，其化学反应速率等于零。所以点燃时，着火是在局部区域首先发生，然后火焰向可燃物质所在其它区域传播。（2分） ③ 可燃混气是否能够点燃成功，不仅取决于局部混气能否着火，而且还取决于火焰能否在可燃混气内自行传播。（1分）
】

【作业】第五章 气体燃料的燃烧 第五章 章节作业

1、 问题:影响层流火焰传播速度的因素有哪些？
评分规则: 【 可燃混气的特性（1分） 混合比（混气成分）（1分）混气中掺杂物（1分）火焰温度和初始温度（1分）压力（1分）
】

2、 问题:湍流预混火焰有哪三种传播模式？各自的特点是什么？
评分规则: 【 1.小尺度（或小规模）湍流火焰（1分） 特点：当气流湍流度较小，此时湍流强度低，流体内部扰动的涡团尺寸量级小于层流火焰燃烧区厚度，对火焰表面不会引起较大的变形，只是表面不再光滑。（答到强度低或者变形小即可给分，1分）2.大尺度弱湍流火焰（1分） 特点：大尺度弱湍流时，脉冲气团的尺寸大于层流火焰前锋厚度，脉冲作用使火焰锋面已受到扭曲（比小尺度扭曲大），但湍流迁移脉动速度较小，尚不能冲破火焰锋面，火焰仍保持一个连续的但已能扭曲、皱折的锋面。（答到火焰面扭曲或火焰仍连续即可给分，1分）3.大尺度强湍流火焰（1分） 特点：火焰锋面在强湍流脉动作用下不仅变得更加弯曲和皱折，甚至火焰被撕裂而不再保连续的火焰面。（答到火焰面不连续即可给分，1分）共6点，少答一点扣1分，扣完为止。
】

3、 问题:低速气流下火焰稳定的条件是什么？
评分规则: 【 低速气流下火焰稳定的两个必要条件是：一是流动条件——余弦定律（在火焰稳定时，迎面气流速度在火焰前锋法向上的投影，即法向分速度，在数值上必等于混气的火焰传播速度）；（3分）另一个是热力条件——火焰锥根部存在稳定、连续、强大的点火源，以便不断地点燃根部的可燃混气。（2分）
】

4、 问题:高速气流下实现火焰稳定的主要方法都有哪些？
评分规则: 【 最常用的方法是在气流中设置稳焰器使气流产生回流区，其它常用实现火焰稳定的方法还有：利用引燃火焰（值班火焰）稳定，利用旋转射流（旋流器）稳定，利用突扩管道，带孔圆管以及逆向射流，或同向两股存在大速差的射流等实现稳定。其中 稳焰器或者回流区 3分其他每答一点得1分
】

【作业】第六章 液体燃料的雾化、蒸发与燃烧 第六章 章节作业

1、 问题:什么是燃料的热值？它可分为哪两类？航空发动机中一般采用哪类热值，为什么？
评分规则: 【 燃料热值是指单位质量或单位体积（对气体燃料而言）的燃料完全燃烧时所能释放出的最大热量。（1分）分为低位热值（1分）和高位热值（1分）。通常因发动机排出烟气温度较高，其中水蒸汽不能凝结，故用低位热值。（2分）
】

2、 问题:We数的物理意义是什么？其特征值约为多少？
评分规则: 【 Weber(韦伯）数，其物理意义为作用于液滴表面的气动力与表面张力之比。（2分）其特征值约为8。（1分）
】

3、 问题:液柱的破碎雾化有哪几种模式？
评分规则: 【 液柱破碎有四种模式，瑞利破碎模式、第一类风生破碎模式、第二类风生破碎模式、雾化模式。每种各1分。
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【作业】第七章 主燃烧室概述 第七章 章节作业

1、 问题:以环形燃烧室为例，说明燃烧室由那些部件组成？各部件的功用是什么？
评分规则: 【 1. 燃烧室机匣：机匣是燃烧室内、外两侧的壳体；2. 扩压器：用来降低进入燃烧室的气流流速，提高气流静压，以利于燃烧过程组织；3. 火焰筒：燃烧过程在火焰筒内部进行；4. 帽罩：使得空气按流量设计要求分别流入内、外二股气流通道以及火焰筒内，并且不发生流动分离，以减小流动损失；5. 头部/旋流器：使气流旋转，形成回流区，强化湍流、实现燃油与空气的快速掺混、并保证火焰稳定；6. 燃油喷嘴：用来向燃烧室中供入燃油、使燃油雾化、并与旋流器一同实现油气掺混及燃油的空间质量浓度分布；7. 点火器：用于火焰筒内油气混合物的点火。 每点各1分，答到意思即可给分.
】

2、 问题:简述环型燃烧室的结构特点和优缺点？
评分规则: 【 环形燃烧室的优点：1. 能够与压气机配合获得最佳的气动设计，压力损失最小；2. 结构紧凑，空间利用率最高，总体长度、重量和直径最小；3. 冷却空气量最少；4. 出口周向温度场均匀；5. 不需要联焰管，起动性能好。（答到其中三点即给3分）环形燃烧室的缺点：1. 调试困难，需要大型气源；2. 燃油—气流结构配合不够好；3. 对进口流场敏感，易于引起出口温度场变化；4. 燃烧室及火焰筒刚性差；5. 装拆维修困难。（答到其中三点即给3分）
】

【作业】第八章 主燃烧室工作过程与性能 第八章 章节作业

1、 问题:扩压器的具体性能要求有哪些？
评分规则: 【 压力损失低；长度应尽量短；出口气流在周向和径向都均匀；在所有工况下运行稳定；对压气机出口流场变化不敏感。答到任意1点即给2分，答到任意三点即给满分6分。
】

2、 问题:常见的旋流器有哪些类型？
评分规则: 【 轴向叶片式旋流器（2分）径向叶片式旋流器（2分）它们的组合形式——双旋流器或三旋流器。（2分）
】

3、 问题:燃烧室和火焰筒的容热强度是如何定义的？单位是什么？
评分规则: 【 容热强度定义为：单位压力下、单位燃烧室（或火焰筒）容积内，单位时间（毎小时）燃油燃烧所释放出的热量。（3分）单位是kJ/(m3·Pa·h)。（1分）
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【作业】第九章 加力燃烧室 第九章 章节作业

1、 问题:涡扇发动机中，加力燃烧室有哪些型式？
评分规则: 【 涡扇加力按进气方式的不同可以分为四种：外涵加力（1分）、核心流加力（1分）、分流加力（1分）、混合流加力（1分）。
】

2、 问题:消减振荡燃烧常用的措施有哪些?每种措施各举一个例子。
评分规则: 【 减弱振荡燃烧的具体措施如下：（1）减弱原始的压力脉动，这就需要对扩压段及其间的障碍物进行精心设计，减弱旋涡强度，防止周期性脱落。（答到 减弱压力脉动 给1分，后面的举例答到1个就给1分，多答也是1分）（2）改善火焰稳定器的设计。如将单排改为多排，并加辐射形火焰槽，调整堵塞比等。沙丘稳定器及多孔毛细陶瓷稳定器具有良好的抗振性能。（答到 改善火焰稳定器的设计 给1分，后面的举例答到1个就给1分，多答也是1分）（3）设置阻尼装置。常用波纹多孔防振屏，它对消除横向的高频振荡比较有效，因为横向压力波遇到波纹板以后，就产生漫反射，大大地削弱了反射压力波的能量，并可改变其相位，起到阻尼作用。板上的小孔也可吸收振荡能量。所以，目前许多加力燃烧室装有多孔防振屏。减振屏一般用波纹形薄板做成，贴壁流过冷却气流，通过波纹板上的小孔流进燃烧室。 （答到 设置阻尼装置 给1分，后面的举例答到1个就给1分，多答也是1分）（4）改善供油条件，用多孔直射式喷嘴分区供油，或调整喷油环至稳定器距离，亦能消减振荡。（答到 改善供油条件 给1分，后面的举例答到1个就给1分，多答也是1分）
】

【作业】第十章 先进主燃烧室技术发展 第十章 章节作业

1、 问题:高温升燃烧室燃烧组织技术目前从哪些方面考虑？
评分规则: 【 （1）分级分区组织燃烧思想（1分）火焰筒头部分级分区燃烧，通常要求对燃油分级，使之与各燃烧区的气流结构相匹配。当低工况时，仅部分级或区供油燃烧，当高工况时，所有级或区都供油燃烧，从而解决高温燃烧在更宽的油气比范围内可靠工作问题。在有些燃烧室方案中也可能对空气分级，但这通常需要采用变几何结构来实现，额外增加了系统的复杂性。（描述1分，点到即可）（2）多旋流和复合雾化技术（1分）采用多旋流和复合雾化技术，保证燃烧室内获得合理的气流结构、良好的雾化，以及恰当的油气匹配，从而通过燃烧室内合理的燃料和空气组织方式实现高的燃烧性能要求和增加燃烧稳定工作范围。（描述1分，点到即可）（3）非常规的燃烧室概念（1分）采用与当前常规燃烧室结构及原理差别较大的非常规的燃烧室概念。美国空军Whright-Patterson基地近年来正在研发两种新的高温升燃烧室概念：驻涡燃烧室(Trapped Vortex Combustor，TVC)和超紧凑燃烧室(Ultra-Compact Combustor，UCC)。（描述1分，点到即可）
】

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