燃烧理论第1章补充.doc

第1章 绪论1.1 引言火灾是国内外安全工作者特别关心的问题之一。目前世界上每年都要发生各种情况的火灾，给社会经济、人民生命财产造成无法估量的损失。燃烧学是研究火灾防治方法及技术的基础。同时，燃烧在工业部门有着广泛的应用背景。在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供的能源所占比例高达80-85%。燃烧技术不仅在冶金、电力、机械、化工、轻工、交通、农机等各生产领域得到了广泛的应用，而且还渗透到日常生活的各个方面（如抽烟、烧饭、汽车等等）。对于航空、航天、兵器这些特殊的技术领域，更是完全建筑在以燃烧技术为核心的综合技术基础之上。可以说没有燃烧就没有我们的现代文明。强化燃烧、节约能源、防火灭火、防止污染这四大问题是当今燃烧技术发展最迫切、最热门的课题。因此，燃烧学是安全工程专业及其它与燃烧过程有关专业的一门重要技术基础课。学好本课程对知识面的拓宽及综合能力的培养有着极其重要的意义。从化学观点看，在燃烧过程中，原来物质的分子结构遭到破坏，原子中的外层电子重新组合，经过一系列中间产物的变迁，最后产生了新的物质，即燃烧产物。在化学反应中，总的位能降低了，即所谓化学能降低了。这部分能量大都以热能和光能的形式释放出来，表观上形成了火焰。从物理观点看，燃烧过程总是发生在物质流动系统中，这种流动可能是均相流也可能是多相流，流态可能是层流也可能是湍流；其次，燃烧现象总是在不均匀物质场条件下进行，多种物质组分间的混合、扩散在不断地进行着，甚至外界环境（如电磁场、重力场）对燃烧还会产生显著地影响。因此燃烧是一种物理和化学的综合变化过程，是一个复杂的不断变化着的动态过程。它是一门交叉学科。学习燃烧理论既要求有化学热力学及化学反应动力学的一些基本知识，又需要对流体力学、传热与传质等学科的知识有一定的了解。由于燃烧的复杂性，人们通常只按照自己的专业需要去研究燃烧中的某一方面的问题，例如：化学家 - 研究燃烧的反应机理、反应速度、反应程度、燃烧产物的生成机理等问题;热能工程师 - 研究锅炉等燃烧设备的设计，煤等燃料的燃烧技术及燃烧中的流体力学、传热、传质等热物理现象，燃烧设备的管理使用，燃烧能量的合理使用等；汽车发动机专家 - 研究内燃机的设计，汽油、柴油等燃料的间隙式燃烧技术及作功效率等；飞机发动机专家 - 研究航空发动机，航空燃料的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；火箭发动机专家 - 研究火箭发动机，推进剂的稳态及非稳态燃烧技术及推进效率等；安全专家 - 研究火灾的防治，关心的是各种可燃物的着火、燃烧、爆炸及火焰熄灭等。研究燃烧最重要的方法还是实验法。大体上又可分为三类：一、基本现象的研究。利用实验室手段，人为造成单一的简化条件，使综合的燃烧现象转化为其他条件稳定单一条件变化的燃烧问题。这种方法有利于分析各种条件对燃烧的影响，如密闭容器中燃烧（减少了环境气流的影响）、本生灯火焰（减少了扩散的影响，造成预混气体条件）、液滴、碳粒、单粒推进剂燃烧等都属此类。但这种研究方法只有理论价值，与实用条件有较大差距，只是基础性研究方法。二、综合性研究。在实用燃烧装置条件下对各种工况的燃烧规律进行研究，也包括模型装置和中间装置的研究。如内燃机燃烧室、固体火箭发动机、燃气轮机的实验研究等。这类研究很有实用价值，所得各种规律可以直接指导工程实践。但由于燃烧现象复杂，这种方法难于剖析其机制。三、介于前两者之间的半基本半综合性的研究。数值计算是研究燃烧的另一重要方法，称为计算燃烧学。在实验的基础上建立起燃烧的各种物理数学模型，借助于计算机模拟整个燃烧过程。数值计算方法的建立依赖于实验基础数据，其结果的可靠性也依赖于实验验证，但它往往能提供通过实验方法而无法获得的信息。实验、理论及数值计算相结合是研究燃烧的最好方法。本课程将侧重于燃烧理论的基础，着重介绍燃烧中的共性的知识，而不是要解决某一工程实际问题。通过对燃烧和火灾模型的学习，重点通过研究火焰结构模型，学习建立燃烧物理模型及数学模型的方法和理论，要注意每一种燃烧模型和理论自身的特定实验依据和为便于数学处理所做的假设。这些模型和理论，特别是为后人印证较多的的模型和理论，对我们深入理解燃烧过程的实质，在一定范围帮助我们分析和解释有关燃烧现象，具有理论指导意义。1.2 燃烧概述1.2.1 燃烧的定义燃烧是可燃物质与氧化剂作用发生的一种放热发光的剧烈化学反应。国标（GB5907-86）定义：燃烧是可燃物与氧化剂发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）发烟现象。通常把一切强烈放热的、伴随有光辐射的快速化学反应过程都称为燃烧。强烈的氧化反应是最典型的燃烧，此外与氧化反应相类似的氮化、氟化、氯化、溴化等反应也是燃烧现象。在有两种组分参加的燃烧反应中，把放出活泼氧原子（或类似的原子）的物质称为氧化剂，而另一类组分就称为燃料。前者如氧、空气、发烟硝酸、双氧水等，后者如碳、氢、汽油、煤油、天然气、木材、钾、镁、硫、硼等。此外，推进剂和火药则是靠药剂自身既提供氧化剂又提供可燃物的一种特殊材料。可燃物在燃烧过程中，生成了与原来的物质完全不同的新物质。例如：C+O2 CO2燃烧不仅能在空气（氧）存在时能发生，有的可燃物在其他氧化剂中也能发生燃烧。例如：H2+Cl2 2HCl镁屑甚至能在二氧化碳中燃烧。在日常生活、生产中看到的燃烧现象，大都是可燃物与空气（氧）或其他氧化剂进行剧烈化合而发生的放热发光现象。实际上，燃烧不仅仅是化合反应，也有的是分解反应。从本质上讲，燃烧是剧烈的氧化还原反应。但燃烧并不单纯是一个化学过程，其间还涉及流动、传质、传热等过程的综合作用，因此燃烧是一个极其复杂的物理化学过程。燃烧学是研究燃料和燃烧过程中的着火、点火、熄火及反应机理的学科，而研究所获得的系统性成果就是燃烧理论，燃烧技术则是指在燃烧理论指导下合理组织燃烧过程的技术。迄今，燃烧学依然是一门年轻的学科，其绝大多数理论与技术都是在工业革命后发展起来的。不同类型的燃烧有着不同的燃烧规律和特点，因此就必须用不同的物理模型和数学模型来描述它。例如，在火箭技术领域中，液体火箭推进剂的燃烧属于液雾扩散燃烧；固体推进剂中双基推进剂的燃烧接近于预混燃烧，因为它是负氧物质硝化棉及富氧物质硝化甘油的混合物；而对混合推进剂的燃烧则是扩散预混燃烧共存的燃烧，混合炸药的燃烧也属于此类。（参考7）1.2.2 燃烧的三要素燃烧虽然是一种非常普遍的现象，但是它也不是随便发生的。燃烧必须具备三个条件，即燃烧的三要素。1）有可燃物质存在。不论是固体、液体、气体，凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起剧烈反应的，一般都称为可燃物。（固体燃料如煤，液体燃料如汽油，气体燃料如甲烷）；2）有助燃物质存在。助燃物，顾名思义就是能帮助和支持燃烧的物质。例如空气、氟、氯、氧等，发生火灾时空气是主要的助燃物；3）有导致燃烧的能源，即点火源。最常见的着火源是热能，还有电能、化学能、光能、机械能等。常见着火源主要有以下几种：1）明火。如生产和生活中的灯火、火炉、火柴、打火机、烟头、烟筒或烟道喷出的火星、气焊和电焊喷火、机动车辆排气筒冒出的火星等。2）电火花。如电气开关在开闭电闸时的弧光放电，电动机、变压器等电气设备产生的电火花。还有静电火花，如液体流动引起的带电、喷出气体的带电、人体的带电等。3）撞击或摩擦产生的火星。如机器上轴承转动的磨擦、铁钉落入设备内后铁器和机件撞击、磨床和砂轮的磨擦、铁器工具相撞或与混凝土相碰等。4）高热物质和高温表面。如加热装置、烧红的电炉、电加热器、高温物料的输送管、冶炼厂或铸造厂里熔化的金属、烟囱和烟道等。5）雷击。是瞬间的高压放电，能引起任何可燃物质的燃烧。6）自燃起火。以上三要素必须同时具备，并且要分别满足一定条件，三者相互结合、相互作用，燃烧才能发生；如缺少其中任何一个条件，燃烧都不能发生，或燃烧将停止。例如：在教室里桌、椅、门、窗等可燃物质，有充满空间的助燃物（空气），有火源（电源），构成燃烧的条件均存在，但并不会发生燃烧现象。1.2.3 燃烧中的几个常用概念1）闪燃：在液体（固体）表面上能产生足够的可燃蒸气，遇火能产生一闪即灭的火焰的燃烧现象称为闪燃。2）阴燃：没有火焰的缓慢燃烧现象称为阴燃。3）爆燃：以亚音速传播的爆炸称为爆燃。 4）自燃：可燃物质在没有外部明火等火源的作用下，因受热或自身发热并蓄热所产生的自行燃烧现象称为自燃。亦即物质在无外界引火源条件下，由于其本身内部所进行的生物、物理、化学过程而产生热量，使温度上升，最后自行燃烧起来的现象。5）闪点：在规定的试验条件下，液体（固体）表面能产生闪燃的最低温度称为闪点。闪点的意义：（1）闪点是生产厂房的火灾危险性分类的重要依据；（2）闪点是储存物品仓库的火灾危险性分类的依据；（3）闪点是甲、乙、丙类危险液体分类的依据；（4）以甲、乙、丙类液体分类为依据规定了厂房和库房的耐火等级、层数、占地面积、安全疏散、防火间距、防爆设置等；（5）以甲、乙、丙类液体的分类为依据规定了液体储罐、堆场的布置、防火间距、可燃和助燃气体储罐的防火间距，液化石油气储罐的布置、防火间距等。6）燃点：是指在规定的试验条件下，液体或固体能发生持续燃烧的最低温度称为燃点。一切液体的燃点都高于闪点。7）自燃点：是指在规定的条件下，可燃物质产生自燃的最低温度是该物质的自燃点。可燃物质发生自燃的主要方式是：（1）氧化发热；（2）分解放热；（3）聚合放热；（4）吸附放热；（5）发酵放热；（6）活性物质遇水；（7）可燃物与强氧化剂的混合。影响液体、气体可燃物自燃点的主要因素：压力：压力越高，自燃点越低；氧浓度：混合气中氧浓度越高，自燃点越低；催化：活性催化剂能降低自燃点，惰性添加剂能提高自燃点；容器的材质和内径：器壁的不同材质有不同的催化作用；容器直径越小，自燃点越高。影响固体可燃物自燃点的主要因素：受热熔融：熔融后可视液体、气体的情况；挥发物的数量：挥发出的可燃物越多，其自燃点越低；固体的颗粒度：固体颗粒越细，其比表面积就越大，自燃点越低；受热时间：可燃固体长时间受热，其自燃点会有所降低。8）氧指数：是指在规定条件下，固体材料在氧、氮混合气流中，维持平稳燃烧所需的最低氧含量。氧指数高表示材料不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧，一般认为氧指数22属于易燃材料，氧指数在22-27之间属可燃材料，氧指数27属难燃材料。9）可燃液体的燃烧特点：可燃液体的燃烧实际上是可燃蒸气的燃烧，因此，液体是否能发生燃烧，燃烧速率的高低与液体的蒸气压、闪点、沸点和蒸发速率等性质有关。在不同类型油类的敞口贮罐的火灾中容易出现三种特殊现象：沸溢、喷溅和冒泡。突沸现象：液体在燃烧过程中，由于不断向液层内传热，会使含有水分、粘度大、沸点在100以上的重油、原油产生沸溢和喷溅现象，造成大面积火灾，这种现象称为突沸现象。能产生突沸现象的油品称为沸溢性油品。10）固体燃烧特点：固体可燃物经过受热、蒸发、热分解，固体上方可燃气体浓度达到燃烧极限，才能持续不断地发生燃烧。燃烧方式分为：蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧和阴燃四种。需区分的几个概念1）燃烧（Combustion）与火焰（Flame） 燃烧是一学术用语，指的是放热、发光的快速化学反应这一过程。火是人们对燃烧的表观现象的习惯称呼。火焰与火很接近，但更强调其反应介质及发光的本质。2）燃烧（Combustion）与爆炸（Explosion）爆炸是以剧烈的体积膨胀为特征。有物理爆炸，如锅炉爆炸、原子弹爆炸等，和化学爆炸之分。化学爆炸是一种剧烈的燃烧。广义的燃烧应包含爆炸，但燃烧这个概念大都用于不太剧烈的过程，在这层意义上它与爆炸这个概念是并列的。但无论如何燃烧不能等同于爆炸。3）层流（Laminar）与湍流（Turbulent）燃烧4）爆燃（Deflagration）与爆轰/爆震（Detonation）表1-1 不同学科领域的概念燃速(m/s)0 1 10 100 1000 3000DeflagrationDetonation力学爆燃爆轰热物理慢燃快燃爆震安全缓燃爆燃按流动状态分Laminar combustionTurbulent combustion层流燃烧湍流燃烧1.2.4 燃烧过程一般可燃物质燃烧并非物质本身在燃烧，而是物质受热分解出的可燃气体在空气中燃烧。由于可燃物质的聚集状态不同，当其接近火源时变化也不同。气体最容易燃烧，其燃烧所需热量只用于本身的氧化分解，并使其达到燃点。液体在火源作用下，首先使其蒸发成蒸气，然后蒸气氧化分解进行燃烧。在固体燃烧中，如果是简单物质硫、磷等，受热时首先熔化，然后蒸发变成蒸气进行燃烧，没有分解过程；如果是复杂物质，在受热时首先分解为物质组成部分，生产气态和液态产物，然后气态产物和液态产物的蒸气着火燃烧。各种物质的燃烧过程如图1-1所示。固 体液 体气 体熔化蒸发和分解蒸 发氧化分解着 火燃 烧图1-1 物质燃烧过程从图11中可知，任何可燃物质的燃烧必须经过氧化、分解和燃烧等过程。物质在燃烧过程中，其温度变化是很复杂的，如图1-2所示。为可燃物开始加热的温度。最初一段时间，加热的大部分热量用于熔化，或分解，故可燃物温度上升很缓慢。之后到（氧化开始温度）时，可燃物开始氧化。由于温度尚低，故氧化速度不快，氧化所产生的温度热量尚不足以克服系统向外界放热，如果此时停止加热，仍不能引起燃烧。如继续加热，则温度上升很快。到氧化产生的热量和系统向外界散失的热量相等。若温度再稍升高，超过这种平衡状态，即使停止加热，温度亦能自行升高，到出现火焰而燃烧起来。图1-2 物质燃烧时温度变化因此，为理论上的自燃点，为开始出现火焰的温度，即通常测得的自燃点。到这一段延滞时间称诱导期，诱导期在安全上有实际意义。1.2.5 燃烧分类燃烧问题可以根据它对时间和空间的依赖关系、反应物的初始混合状态、流动状态、反应物的相、发生反应的部位、反应速率、自然对流或强迫对流、流体的可压缩性以及燃烧波的传播速度等进行分类。见表1-2。表1-2 燃烧问题的分类燃烧状态燃烧分类与时间的关系与空间的关系初始反应物的混合状态流动状态反应物的相态反应部位反应速率对流状况可压缩性影响燃烧波的速度稳态反应和非稳态反应一维、二维和三维反应预混反应、非预混反应（扩散反应）层流、湍流单相、多相均相反应、非均相反应平衡化学反应（无限反应速率）、有限速率化学反应自然对流、强迫对流不可压缩的、可压缩的缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）1.3 火灾概述火灾是在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。火是人类从野蛮进化到文明的重要标志。但火和其他事物一样具有两重性，一方面给人类带来了光明和温暖，带来了健康和智慧，从而促进了人类物质文明的不断发展；另一方面火又是一种具有很大破坏性的多发性的灾害，随着人们在生产生活中用火用电的不断增多，由于人们用火用电管理不慎、或者设备故障、或者放火等原因而不断产生火灾，对人类的生命财产构成了巨大的威胁。1.3.1 火灾分类火灾是火失去控制而蔓延的一种灾害性燃烧现象。火灾发生的必要条件是可燃物、热源和氧化剂（多数情况下为空气）。火灾可以从不同的角度进行分类，如根据火灾发生地点、燃烧对象、损失程度和起火原因等分类。1.3.1.1根据火灾发生地点分类1）地上建筑火灾指发生在地表面建筑物内的火灾。地上建筑火灾包括民用建筑火灾和工业建筑火灾。民用建筑火灾包括发生在城市和村镇的一般民用建筑内的火灾，以及发生在百货商场、饭店、宾馆、写字楼、影剧院、歌舞厅、机场、车站、码头等公用建筑内的火灾。工业建筑火灾包括发生在一般工业建筑和特种工业建筑内的火灾。特种工业建筑是指油田、油库、化学品工厂、粮库、易燃和爆炸物品厂及仓库等火灾危险及危害性较大的场所。2）地下建筑火灾指发生在地表面以下建筑物内的火灾。地下建筑火灾主要包括发生在矿井、地下商场、地下油库、地下停车场和地下铁道等地点的火灾。这些地点属于典型的受限空间，空间结构复杂，受定向风流的作用使火灾及烟气蔓延速度相对较快，再加上在逃生通道上逃生人员和救灾人员逆流行进，救灾工作难度较大。3）水上火灾指发生在水面上的火灾。水上火灾主要包括发生在江、河、湖、海上航行的客轮、货轮和油轮上的火灾，也包括海上石油平台以及油面火灾等。4）空间火灾指发生在飞机、航天飞机和空间站等航空及航天器中的火灾。特别是发生在航天飞机和空间站中的火灾，由于远离地球，重力作用较小，甚至完全失重，属微重力条件下的火灾。其火灾的发生与蔓延与地上建筑、地下建筑以及水上火灾相比，具有明显的特殊性。1.3.1.2根据燃烧对象分类1）固体可燃物火灾普通固体可燃物燃烧引起的火灾，又称为A类火灾。固体物质是火灾中最常见的燃烧对象，主要有木材及木制品、纸张、纸板、家具；棉花、布料、服装、床上用品；粮食；合成橡胶、合成纤维、合成塑料、电工产品、化工原料、建筑材料、装饰材料等，种类极其繁杂。固体可燃物的燃烧方式有熔融蒸发式燃烧、升华燃烧、热分解式燃烧和表面燃烧四种类型。大多数固体可燃物是热分解式燃烧。2）液体可燃物火灾油脂及一切可燃液体引起的火灾，又称B类火灾。油脂包括原油、汽油、重油、动植物油；可燃液体主要有酒精、苯、乙醚、丙酮等各种有机溶剂。液体燃料是液体可燃物首先受热蒸发变成可燃蒸汽，其后是可燃蒸汽扩散，并与空气相混形成预混可燃气，着火燃烧后在空间形成预混火焰或扩散火焰。轻质液体的蒸发属相变过程，重质液体蒸发还伴随有热分解过程。评定可燃液体的火灾危险性的物理量是闪点。闪点小于23的可燃液体属甲类火险物质；闪点大于等于23，小于60的可燃液体属乙类火险物质；大于等于60的可燃液体属丙类火险物质。3）气体可燃物火灾可燃气体引起的火灾，又称C类火灾。可燃气体的燃烧方式分为预混燃烧和扩散燃烧。可燃气与空气预先混合好的燃烧称为预混燃烧，可燃气与空气边混合边燃烧称为扩散燃烧。失去控制的预混燃烧会产生爆炸，这是气体可燃物火灾中最危险的燃烧方式。可燃气体的火灾危险性用爆炸下限进行评定。爆炸下限小于10%的可燃气为甲类火险物质，例如氢气、乙炔、甲烷等；爆炸下限大于10%的可燃气为乙类火险物质，例如一氧化碳、氨气。某些城市煤气燃气属于甲类火险物质，极少数才属于乙类火险物质。4）可燃金属火灾可燃金属燃烧引起的火灾，又称为D类火灾。锂、钠、钾、钙、锶、镁、铝、锆、锌、钚、钍和铀，由于它们属于在薄片状、颗粒状和熔融状态时很容易着火，称它们为可燃金属。可燃金属引起的火灾之所以从A类火灾中分离出来，单独作为D类火灾，是因为这些金属在燃烧时，燃烧热很大，为普通燃料的5到20倍，火焰温度较高，有的甚至达到3000以上，并且在高温下金属性质活泼，能和水、二氧化碳、氮、卤素及含卤化合物发生化学反应，使常用灭火剂失去作用，必须采用特殊的灭火剂灭火。1.3.1.3根据人员伤亡或经济损失分类根据国务院2007年4月9日公布的生产安全事故报告和调查处理条例，按照生产安全事故（以下简称事故）造成的人员伤亡或者直接经济损失，事故一般分为以下等级：1）特别重大事故，是指造成30人以上死亡，或者100人以上重伤，或者1亿元以上直接经济损失的事故；2）重大事故，是指造成10人以上30人以下死亡，或者50人以上100人以下重伤，或者5000万元以上1亿元以下直接经济损失的事故；3）较大事故，是指造成3人以上10人以下死亡，或者10人以上50人以下重伤，或者1000万元以上5000万元以下直接经济损失的事故；4）一般事故，是指造成3人以下死亡，或者10人以下重伤，或者1000万元以下直接经济损失的事故。1.3.1.4根据起火原因分类1）放火危害国家安全、刑事犯放火，精神病人、呆傻人放火、自焚。2）违反电器安装安全规定用电设备、变电设备安装不合规定：导线保险丝不合格；避雷设备、排除静电设备未安装或不合规定。3）违反电器使用安全规定电器设备超负荷运行、导线短路、接触不良、静电放电以及其他原因引起电器设备着火。4）违反燃气操作规定在进行气焊、电焊操作时，违反操作规定；在化工生产中出现超温超压、冷却中断、搅拌中断、操作失误而又处理不当；在储存运输易燃易爆危险物品时，发生摩擦撞击、混存、遇水、酸、碱、热等。5）吸烟乱扔烟头、火柴杆是造成卧室和森林火灾的主要原因之一。6）生活用火不慎7）玩火8）自燃9）自然灾害10）其他不属于以上几类的其他原因，如战争。1.4燃烧检测技术燃烧中总是伴随有流体的流动。流体所占的空间称为流场。流场内任一点，在任一瞬间全被流体质点所占据，于是分别对应着描述质点特性的宏观量（称为流体参数）。流体的流动就是用这些具有时空分布的流场参数来描述的。流场是一个信息场，包含热力学信息，如温度、压力和密度等，以及运动学信息，如质点运动速度和动量等，温度在流场中的分布构成温度场，是标量场。速度在流场中的分布构成速度场，是矢量场，如此等等。对于燃烧的羽焰流场来说，我们主要研究一下燃烧速度、粒径尺寸、数量密度、温度和燃气组分的测量。1.4.1流动速度的测量测量流体速度的传统方法和常规技术是采用皮托管（第一代测速技术）和热线风速仪（第二代测速技术）。1.4.1.1皮托管测速根据伯努利方程，可用下式求出流体在该点处的流速v (m/s)式中测点处流体的密度（kg/m3）；P0测点处流体的总压和静压K考虑到探针类型和气流可压缩性的修正系数1.4.1.2热线风速仪测速1.4.1.3激光测速仪测速应当注意的是，各种激光测速技术都是通过测量被测流体介质中所携带的粒子运动速度来实现对流体速度测量的。因此，只用当粒子的尺寸足够小时，粒子的运动速度才能代表流体的流速。表1-3测速类型工作方式工作原理测速范围标定空间和时间分辨率价格使用中的问题皮托管接触压差窄，约1080m/s一次标定低低测压孔易堵塞热线风速仪接触热损失较宽，约1300 m/s每次使用前标定较高较高热线头易损坏激光测速仪非接触频差时差宽，约100m/s2000m/s不需标定高高使用不够可靠方便1.4.2粒径的测量1.4.2.1颗粒衍射1.4.3密度的测量对气体而言，折射率通常是与密度成正比的。目前常用的非接触式测量密度的方法有阴影照相法（Shadowgraphs），纹影仪法（Schlieren）和干涉仪法（Interferometry）。这些技术是基于两种基本物理现象：由于火焰使空间密度不均匀（由于温度及成分的不均匀产生）；当光束通过两种不同折射系数介质的界面时会发生偏折。由于有偏折的光程比没有偏折的大，故穿过火焰的光束从光源到显示屏幕的时间要比不经过火焰的长，从而能指示出光束所经历的密度场。干涉摄影法能表现密度场本身，纹影法能显示密度梯度场，而阴影法则显示密度二阶导数场。1.4.3.1干涉摄影法光的干涉是指两列或几列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。光线在介质中通过的几何路程与介质折射率n的乘积称为光程。即其中，A和B为几何路程的起点。设光在介质中通过AB所需时间为，光程的物理意义为，时间内，光在真空中传播的距离。设有两个频率和振动方向相同的平面单色光交汇叠加处其中光波的位相差，光程差，初始位相差。1.4.3.2纹影法1.4.3.3阴影法1.4.4燃烧爆炸温度场参数测试方法由于燃烧爆炸过程温度高，时间短，且具有很强的破坏作用，使得燃烧爆炸温度场参数的实验测定比较困难。目前对燃烧爆炸温度进行直接测量的研究主要集中在光谱测温的方法上，如多光谱辐射测温法、原子发射光谱双谱线法、红外热成像法、激光相干反斯托克斯拉曼光谱法(CARS)等，有些方法不仅能得到燃烧爆炸温度值，还能得到温度随时间或空间的变化情况。本章筛选了几种已见于报道的燃烧爆炸温度测试方法，对其工作原理、使用条件和优缺点进行分析和比较。依据其感温元件是否接触被测目标，将其分为接触法和非接触法两大类，如图1.3所示。其中接触式的热电偶一般无法承受爆炸环境的高温和破坏，且容易干扰高温流场，因此对燃烧爆炸温度测量的研究集中在非接触法测温上，本章具体介绍几种非接触测温方法。图1.3 燃烧爆炸温度测试方法分类1.4.4.1 特定原子检出光谱法在被测对象中加入特定的元素，通过检测该特定元素受热激发发出的原子发射光谱，即可得到被测对象的温度。该方法的优点是测温原理和方法简单，测试精度较高，数据处理简便；缺点是需在被测对象中加入特定元素，有可能对被测对象的性质产生影响。目前常用的有谱线翻转法和原子发射光谱法。（1）谱线翻转法谱线翻转法也称自蚀法或谱线隐现法，此法的原理是基于连续光源的亮度温度等于火焰中测温物质的激发温度，它的理论基础是普朗克和基尔霍夫辐射定律。测定时预先准确标定参考光源的温度，同时使待测火焰掺杂少量的钠元素。当参考光源发出的连续辐射通过钠火焰时，经分光系统在589.0nm和589.6nm处可呈现钠原子辐射线状光谱。如果参考光源的亮度温度低于火焰温度，钠谱线呈现亮线；反之则呈现暗线。当参考光源的亮度温度等于钠火焰温度时，钠谱线消失，该点称为钠谱线翻转点。此时，参考光源的温度即为待测温度。显然，此法只能用于测定稳定火焰温度，而不能用于测定炸药燃烧爆炸等的瞬态火焰温度。因此，早在20世纪70年代，G.Klingenberg就提出了改进型钠谱线翻转法，由于采用手工方式计算数据，精度较差。后来，王俊德等改进了这种方法，建立了一套全智能化装置，大大地提高了测光和计算精度，时间分辨率达到25s。这套改进的钠谱线翻转法测温系统是在参考光源(钨带灯)和钠火焰间加一个斩光器，使参考光源的光，能够断续地辐照钠火焰，这样就可交替地测出钠火焰有或没有参考光源叠加辐射的光谱强度，得到下述三个物理量：标准钨带灯的辐射光谱强度IL；钠火焰的辐射光谱强度IF；钨带灯和钠火焰叠加的辐射光谱强度IL + F。从而可用下式计算得到待测火焰温度TF： (4.1)式中，TF为待测火焰温度，K；TL为标准钨带灯的钨带温度，K；k为Boltzmann常数；c为光速，m/s；h为Planck常数；为Na589.0nm波长。改进型钠谱线翻转法的优点是：测温时间分辨率高、测温范围不受钨带灯亮度温度的限制；采用消衡法，并由电脑全智能化控制，精密度高、准确性好；能够得到燃烧爆炸温度随时间的瞬态实时变化情况。缺点是：由于在每一瞬时只能直接记录IF、IL + F中的一个信号值，而另一个值要靠相应的包络线用外推法求知，因此会有一定的人为影响因素，容易引起计算结果的误差。该方法已用于测定泄爆管的瞬态温度以及固体火箭发动机尾气的实时瞬态温度和塑料导爆管输出产物的温度。（2）原子发射光谱双谱线法原子发射光谱双谱线法是一种建立在原子发射光谱理论基础上的新型光谱测温方法,已在炸药爆轰温度、非理想炸药燃烧爆炸产物温度、固体火箭发动机内燃气温度、导爆管起爆器瞬态电火花温度等的测量方面得到应用。其测温原理如下：任何金属原子在火焰燃烧的过程中，均会发生金属原子化。根据原子发射光谱理论，受激原子从高能级向低能级跃迁时，将以光的形式辐射出能量，产生特定的原子光谱。同种原子2条谱线的强度比为： (4.2)式中：、为2条波长分别是和的谱线的相对光谱强度；、分别为2条谱线的跃迁几率；、分别为2条谱线激发态的统计权重；、分别为2条谱线的激发态能量；为波尔兹曼常数；为激发温度，K。考虑到系统的光传递系数，需将(/)乘上一个校正系数加以校正(可通过系统标定得到)，并对式(4.2)两边取对数，经简化后得到原子发射光谱双谱线法的基本公式为： (4.3)式中：，。A和B是综合考虑了原子的特性、波长以及系统的光传递系数等因素后的特定常数，可以通过对全套系统进行温度标定的方法进行确定。确定了A与B的值，实验测得2条谱线的相对光谱强度和，即可由式(4.3)求得温度。由此，可采用同种原子的两条光谱线来测量瞬态温度。考虑到光谱辐射率等的影响，在原子发射光谱中，经常采用Cu原子510.5nm和521.8nm这样两条光谱线。这是因为：(1) Cu谱线在整个光谱波段范围内，如200600nm，比较简单；(2) 这两条谱线的间隔小，仅仅11.3nm，所以可以忽略光谱辐射率、光谱透射率等对光谱测量的影响，即使有影响，也非常小。同时，原子发射光谱双谱线法还具有以下优点：(1) 能够实时记录温度随时间的变化情况；(2) 具有较高的时间分辨率，最高可达0.1s。1.4.4.2 红外辐射测温法热辐射是物体因本身的温度而以电磁波的形式向外发射能量的物理现象。只要物体的温度高于绝对零度，它的表面就会向外界发射出热辐射，其辐射能包括各种波长，其中波长范围在0.761000m之间的称为红外光波。其辐射强度和波长取决于物体的温度和表面状态，因此可以通过测量物体的辐射强度来反推温度，这就是辐射测温技术的基本原理。在实际应用中，通常采用光学系统成像并接收辐射通量，然后用光电探测器将光信号转换为电信号，该信号传给处理电路，经计算得到物体表面的温度分布情况。红外辐射测温的理论基础是普朗克分布定律，该定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律，其数学表达式为： (4.4)式中：为黑体的光谱辐射出射度，Wcm-2m-1；ms-1为真空中的光速；Js为普朗克常数；WsK-1为玻尔兹曼常数；Wcm2为第一辐射常数；cmK为第二辐射常数；为光谱辐射的波长，m；为黑体的绝对温度，K。根据探测器响应波长的不同，可以把红外测温分为以下几种：(1) 全辐射测温法：响应波段为0,，全光谱范围；(2) 亮度测温法：响应某一特定波长附近的窄光谱，；(3) 双波长测温法：响应两个特定的波长和，根据其功率比来确定物体的温度；(4) 多波长测温法：响应多个特定的波段，温度的确定与(3)类似；(5) 根据维恩定律的最大波长测温法，黑体光谱辐射通量最大值所对应的峰值波长与温度的乘积为一个常数，通过测量峰值波长来确定物体表面的温度。彭利军比较了这5种方法的优缺点。其中，目前较为常用的方法为多波长测温(多光谱辐射测温)和全辐射测温(红外热成像仪)。（1）多光谱辐射测温法多光谱辐射测温法利用多个光谱下的物体辐射亮度测量信息，经过数据处理得到物体的真实温度及光谱发射率。多光谱测温法有3种数学模型，即：基于检定常数的数学模型、基于亮度温度的数学模型和基于参考温度的数学模型。戴景民比较了3种数学模型的优劣，认为基于参考温度的数学模型测量温度及光谱发射率的准确率最高。多光谱辐射测温的数据处理方法有很多，孙晓刚等根据发射率模型假设的不同将众多数据处理方法归纳为3大类，即：基于固定发射率假设模型的数据处理方法、基于可变发射率假设模型的数据处理方法和基于神经网络的数据处理方法。基于固定发射率假设模型的数据处理方法多采用最小二乘法处理测量数据，使用时需仔细研究被测对象的辐射特性，选择合适的发射率模型，否则目标真温及光谱发射率的计算结果偏差较大。为解决这一问题，孙晓刚提出了一种新的数据处理方法，即通过处理两个不同温度处的测量数据来求取被测目标的真温及光谱发射率，并将其应用于8波长高温计测量固体火箭发动机羽焰温度的研究中，该方法对发射率与波长之间的函数关系不做任何限制，但要求发射率在所选定的波长上与温度有近似相同的线性关系。在应用方面，李佳、白永林等人建立了一套瞬时多光谱爆温测量系统(TMDT)用于测量液体硝基甲烷炸药的爆温，在基于固定发射率模型假设的基础上，用逐步回归拟合法对数据进行处理。王贵朝等研制了一种六通道瞬态光学高温计，并用其测量了碘化钠的冲击温度、硝基甲烷的爆轰温度和炸药激发空气冲击波的波后温度。用基于可变发射率假设模型的方法处理数据时，采用的发射率假设模型可以根据被测对象的不同在一定范围内变化，此类方法已可以解决某一类或某几类被测目标的真温及发射率的测量问题，但仍不能适合于所有材料。在可变发射率模型的基础上，传统的数据处理方法有最小二乘法、多元线性回归拟合和逐步回归拟合方法，李奇楠等人提出正交多项式回归方法，得出的拟合结果比传统方法误差小、速度快、精度高。基于神经网络的数据处理方法是一种可以取消发射率与波长假设模型的新方法，可用于各类目标的真温及光谱发射率的自动识别，被认为是最有希望真正解决基于多光谱辐射法的真温及光谱发射率测量问题的方法，也被认为是最有前途研制成与发射率无关的辐射真温测试仪表的方法。在应用方面，哈尔滨工业大学利用研制的6目标8波长高温计测量固体火箭发动机的羽焰温度，并采用基于BP神经网络的数据处理方法预估计固体火箭发动机羽焰的发射率与波长之间函数关系，再由逐步回归法实现真温的自动识别，实验结果表明，其真温计算值与火箭发动机设计者提供的理论值之差在100K以内。可见，多光谱辐射测温法的优点是能够得到被测目标真温及其光谱发射率，缺点是数据处理过于复杂。（2）光纤光谱探针法由于炸药燃烧爆炸瞬时温度高达30005000，破坏力极大。因此用光谱遥测计算爆温是优选方法，上述几种方法均属此类，但这些方法不具备测量瞬时爆轰温度(化学反应区温度)的能力；另外，对于光谱测温，遇到爆轰光谱中含有燃烧爆炸产物线谱的情况，如果选择的测量波长恰好位于谱线波长处，则所得的计算结果是不准确的。因此，于常青等人提出了一种光纤光谱探针方法，并用该方法实测了TNT和海萨尔炸药的爆轰辐射光谱，对辐射光谱进行计算，得到爆轰温度。该方法使用光纤作为光采集探针，可有效地测量化学反应区的温度，就其测温原理而言，属于多光谱辐射测温的一种。在爆轰过程中，爆轰波阵面(化学反应区)很薄，化学反应能量在几十纳秒的时间内释放出来, 因此可以将该区的辐射视为黑体辐射。将光纤(直径与化学反应区厚度相当)垂直于爆轰波传播方向插入炸药，把爆轰光波导引出来，通过光学多通道分析仪(OMA)得到爆轰光谱，再用黑体辐射普朗克公式按最小二乘原则拟合测量得到的爆轰光谱。实验结果表明，将爆轰视为黑体辐射的情况下用光纤光谱探针法测量爆轰温度具有较高的精度，而对于爆轰光谱中含有线谱的情况，若通过合理的分析和处理，仍可达到较高的精度。袁宝慧等人也提出了一种多通道瞬时光纤测试装置，用于测量液体炸药硝基甲烷的爆轰波光谱发射率及其爆温。他们引入了比信号测试方法,简化了装置的标定，并利用最小二乘法原理建立了爆轰波光谱发射率及爆温的迭代计算格式。实验结果表明，光谱发射率与爆轰波辐射波长具有较强的依赖关系。之后，他们又提出了虚拟辅助光源反射测量方法，使单波长或双波长光学测试装置也具备了同时测量爆轰波光谱发射率和爆温两个参量的能力。（3） 红外热成像法红外热成像技术即通过红外传感器接收位于一定距离外的被测目标所发出的红外辐射，经由信号处理系统转变成目标的视频热图像的一种技术，它将物体的热分布转换成可视图像，并在监视器上以灰度级或伪彩色显示出来，从而得到被测目标温度场的实时分布。该技术目前已应用于化工、冶金等生产行业以及高焓风洞、油池火灾等科研领域的高温测量，在燃烧爆炸场温度测试领域也有应用。红外热成像技术的测温原理基于全辐射测温法，为得到黑体的全部辐射度，对普朗克公式(4.4)在全波段0,积分，得到Stefan-Bolzmann方程，即黑体的全波段辐射与其绝对温度T的四次方成正比： (4.5)式中：w/m2为Bolzmann常数；为物体的绝对温度，K。式(4.5)用于实际物体，需要乘以辐射率： (4.6)红外热成像测温的物理基础就是利用物体温度与其辐射能量的关系(式(4.6)，测出其辐射能量，将其转换成物体温度显示出来。而实际红外热成像仪测量的是部分波段内的光谱辐射能量，即： (4.7)因此热像仪红外探测器的输出电平信号与所接收的辐射能可用下式表示： (4.8)式中：、R分别为探测器输出电平信号、光学系统上