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1. 定义
研究燃烧和火焰之前，先给一个明确的定义是有好处的。
【燃烧】
根据前文沥青同学写的帖子，相信大家对燃烧应该比较熟悉了，燃烧最基本的定义就是：“产生热或者同时产生光和热的快速氧化反应；也包括只伴随少量热没有光的慢速氧化反应”
这里我们研究的燃烧，基本都是限定在快速的氧化反应范畴中，因此我们可以只使用燃烧定义的前半段。
燃烧最主要的用途，是将化学键中储存的能量转变成热。
【燃烧方式】
燃烧可以根据有无火焰分成【有火焰燃烧】和【无火焰燃烧】两种。下面用大家比较熟悉的例子：一个发动机中火花塞点火引发燃烧的示意图来说明两种燃烧方式。http://b.hiphotos.baidu.com/forum/wh%3D400%2C640%3Bq%3D45%3Bg%3D0/sign=a2470d453b12b31bc739c52db6281a4c/9edfc3cec3fdfc03438f72bad63f8794a5c226e4.jpg （a）图，活塞中预混着燃料和空气混合气体。火花塞点火后，局部开始发生燃烧反应，并向外扩散。图中标注Propagating flame的一个很薄的区域就是我们通常说的【火焰】，在这一区域中，发生着激烈的连锁化学反应，这称为【有火焰燃烧】。在火焰后方是灼热的燃烧产物。随着火焰在燃烧空间中的运动，未燃气体中的温度和压力不断升高，在一定条件下（图b），未燃气体中很多部位开始发生快速的化学反应，导致整个区域非常快速的燃烧。这种现象叫做【自点火】，属于【无火焰燃烧】。它伴随非常快速的压力升高导致了典型的发动机爆震声，而爆震是我们不希望发生的，汽油的辛烷值影响的爆震指标就是指这个现象。当然柴油机中，采用压燃的方式点火，就是属于后者。
研究燃烧和火焰之前，先给一个明确的定义是有好处的。
【燃烧】
根据前文沥青同学写的帖子，相信大家对燃烧应该比较熟悉了，燃烧最基本的定义就是：“产生热或者同时产生光和热的快速氧化反应；也包括只伴随少量热没有光的慢速氧化反应”
这里我们研究的燃烧，基本都是限定在快速的氧化反应范畴中，因此我们可以只使用燃烧定义的前半段。
燃烧最主要的用途，是将化学键中储存的能量转变成热。
【燃烧方式】
燃烧可以根据有无火焰分成【有火焰燃烧】和【无火焰燃烧】两种。下面用大家比较熟悉的例子：一个发动机中火花塞点火引发燃烧的示意图来说明两种燃烧方式。http://b.hiphotos.baidu.com/forum/wh%3D400%2C640%3Bq%3D45%3Bg%3D0/sign=a2470d453b12b31bc739c52db6281a4c/9edfc3cec3fdfc03438f72bad63f8794a5c226e4.jpg （a）图，活塞中预混着燃料和空气混合气体。火花塞点火后，局部开始发生燃烧反应，并向外扩散。图中标注Propagating flame的一个很薄的区域就是我们通常说的【火焰】，在这一区域中，发生着激烈的连锁化学反应，这称为【有火焰燃烧】。在火焰后方是灼热的燃烧产物。随着火焰在燃烧空间中的运动，未燃气体中的温度和压力不断升高，在一定条件下（图b），未燃气体中很多部位开始发生快速的化学反应，导致整个区域非常快速的燃烧。这种现象叫做【自点火】，属于【无火焰燃烧】。它伴随非常快速的压力升高导致了典型的发动机爆震声，而爆震是我们不希望发生的，汽油的辛烷值影响的爆震指标就是指这个现象。当然柴油机中，采用压燃的方式点火，就是属于后者。
下面讲一下大家最关心的概念：什么是火焰
这个问题在化吧属于月经问题，不断被人提出、不断被解答，但答案却一直未能统一。
有人说火焰是物质，是等离子态的、或者气态的一些物质；有人说火焰是现象，是发光发热的化学反应引发的物理现象。
这两种说法都没有什么本质错误，下面我们用一个新的定义将其统一起来。
【火焰】
火焰是一个以亚音速、自维持传播的局域燃烧区域。
这样一来，上面几种说法都被统一起来。我们依次来分析一下这个定义。
首先，我们不用物质的定义，我们说火焰是一个空间概念：一个”区域“。在这个区域中，发生着燃烧反应，当然伴随着热、或者光和热，而这个区域内的物质也就是大家常说的等离子态、或者气态的燃烧反应物和产物。
其次，这个区域有很多的限制条件。最重要的条件，这个区域是“局部”的，即火焰在任何时候都只占可燃混合物的很小一部分。
第二个关键词是亚音速，这是指火焰传播的速度，这个速度我们后面会讲到。顺带一提，以音速传播的不连续燃烧波被称为【缓燃波】，而以超音速传播的燃烧波被称为【爆震波】，这两种波的传播机理不同，属于两种完全不同的现象。关于爆震波我们以后有时间再讨论。
【火焰的种类】可以根据反应物是预先混合好的还是分离的，来分成【预混火焰】和【非预混火焰】也叫【扩散火焰】；还可以根据火焰的流动特点分成【层流火焰】和【湍流火焰】。
这个问题在化吧属于月经问题，不断被人提出、不断被解答，但答案却一直未能统一。
有人说火焰是物质，是等离子态的、或者气态的一些物质；有人说火焰是现象，是发光发热的化学反应引发的物理现象。
这两种说法都没有什么本质错误，下面我们用一个新的定义将其统一起来。
【火焰】
火焰是一个以亚音速、自维持传播的局域燃烧区域。
这样一来，上面几种说法都被统一起来。我们依次来分析一下这个定义。
首先，我们不用物质的定义，我们说火焰是一个空间概念：一个”区域“。在这个区域中，发生着燃烧反应，当然伴随着热、或者光和热，而这个区域内的物质也就是大家常说的等离子态、或者气态的燃烧反应物和产物。
其次，这个区域有很多的限制条件。最重要的条件，这个区域是“局部”的，即火焰在任何时候都只占可燃混合物的很小一部分。
第二个关键词是亚音速，这是指火焰传播的速度，这个速度我们后面会讲到。顺带一提，以音速传播的不连续燃烧波被称为【缓燃波】，而以超音速传播的燃烧波被称为【爆震波】，这两种波的传播机理不同，属于两种完全不同的现象。关于爆震波我们以后有时间再讨论。
【火焰的种类】可以根据反应物是预先混合好的还是分离的，来分成【预混火焰】和【非预混火焰】也叫【扩散火焰】；还可以根据火焰的流动特点分成【层流火焰】和【湍流火焰】。
下面讲一个最简单的层流预混火焰，就是我们中学实验用的本生灯
首先我们看一下这个火焰的结构http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=19f64224fffaaf5184e381b7bc5594ed/8a660d86c9177f3eb0e4160f72cf3bc79e3d560b.jpg 火焰是一个传播的区域，因此我们首先要固定坐标的原点在燃烧波上，这样便于我们理解上图中火焰的结构：温度分布、产物分布和能量分布。前面一个区域叫做预混区，在这里几乎没有能量释放出来；后面一个区域叫反应区，在这里释放大量能量。常压下，火焰的厚度很小，通常只有毫米级别。因此，经常把反应区划分成一个很窄的快速反应区和后面的较宽的慢速反应区。在快速反应区，温度梯度和组分浓度梯度都非常的大，这些梯度提供了火焰自维持的驱动力：热量和自由基组分从反应区扩散到预热区。进一步，为了保持火焰的自维持，一个必要的条件是燃烧产物的扩散速度大于未燃气体的扩散速度，这就是说燃烧产物的气体密度要小于反应物，燃烧才能得以维持。这些条件在后面讲到（如果能讲到的话）阻燃一节用所应用。
下面讲一下火焰的光，这是烃类反应的基本特征。颜色和预混物种空气含量有关：空气过量，快速反应区一般呈蓝色。蓝色的辐射来源在于高温区被激发的CH自由基。当空气减少到小于化学计量比时候，快速反应区呈蓝绿色，这是由于激发的C2辐射。在这两种火焰中OH自由基都会发出可见光。对于CO，CO+O --> CO2 也会发出化学荧光，只是强度很弱。如果火焰更加缺氧，就会生成黑烟，形成黑体辐射。碳烟辐射强度最大值处于光谱中红外区域的位置，但是人眼的感光性使我们看到的是从亮黄到暗橘色的发射光，其具体颜色取决于火焰温度。
具体的火焰温度和辐射的关系请查阅参考资料：
gaydon,GA 这个人写的基本书关于火焰的光谱做了详细研究，一本叫《The Spectroscopy of Flames》，一本叫《Flames: Their Structure, Radiation and Temperature》，由于这两本书比较老而且电子版很难找，建议大家去大学的图书馆借阅。
首先我们看一下这个火焰的结构http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=19f64224fffaaf5184e381b7bc5594ed/8a660d86c9177f3eb0e4160f72cf3bc79e3d560b.jpg 火焰是一个传播的区域，因此我们首先要固定坐标的原点在燃烧波上，这样便于我们理解上图中火焰的结构：温度分布、产物分布和能量分布。前面一个区域叫做预混区，在这里几乎没有能量释放出来；后面一个区域叫反应区，在这里释放大量能量。常压下，火焰的厚度很小，通常只有毫米级别。因此，经常把反应区划分成一个很窄的快速反应区和后面的较宽的慢速反应区。在快速反应区，温度梯度和组分浓度梯度都非常的大，这些梯度提供了火焰自维持的驱动力：热量和自由基组分从反应区扩散到预热区。进一步，为了保持火焰的自维持，一个必要的条件是燃烧产物的扩散速度大于未燃气体的扩散速度，这就是说燃烧产物的气体密度要小于反应物，燃烧才能得以维持。这些条件在后面讲到（如果能讲到的话）阻燃一节用所应用。
下面讲一下火焰的光，这是烃类反应的基本特征。颜色和预混物种空气含量有关：空气过量，快速反应区一般呈蓝色。蓝色的辐射来源在于高温区被激发的CH自由基。当空气减少到小于化学计量比时候，快速反应区呈蓝绿色，这是由于激发的C2辐射。在这两种火焰中OH自由基都会发出可见光。对于CO，CO+O --> CO2 也会发出化学荧光，只是强度很弱。如果火焰更加缺氧，就会生成黑烟，形成黑体辐射。碳烟辐射强度最大值处于光谱中红外区域的位置，但是人眼的感光性使我们看到的是从亮黄到暗橘色的发射光，其具体颜色取决于火焰温度。
具体的火焰温度和辐射的关系请查阅参考资料：
gaydon,GA 这个人写的基本书关于火焰的光谱做了详细研究，一本叫《The Spectroscopy of Flames》，一本叫《Flames: Their Structure, Radiation and Temperature》，由于这两本书比较老而且电子版很难找，建议大家去大学的图书馆借阅。
从这章开始 要求读者具备一定程度的反应动力学知识，关于基元反应、反应级数、自由基链式反应、稳态近似等概念我就不讲了。
一些重要的燃烧反应机理
1. H2-O2系统
这是一个非常常见而且用途广泛的燃烧系统，从初中的爆鸣气体实验到火箭发动机。大家都知道，氢气燃烧反应化学式：
2H2 + O2 == 2H2O
但这个简单的化学式背后发生了很多基元反应，其机理不是那么简单。不同温度下，其机理还不尽相同。下面简单阐述一下这个反应的最简单的机理。
我们用M 来表示反应容器壁。这个反应初始的激发是http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=9664d701ba0e7bec23da03e91f2fb9fa/8af666bf6c81800ab6bd4a00b33533fa838b4797.jpg 接着是链传递过程http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=c216fec4533d26972ed3085565fab24f/edae90f33a87e95057d0306212385343faf2b42c.jpg 链终止：http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=c535a6d0cc1b9d168ac79a69c3dfb4eb/7eb13fcad1c8a7867ae47e016509c93d71cf5025.jpg 以上是最简易的包含H, O和OH自由基的链式反应机理。然而，这个机理并不能完全符合H2在O2中燃烧的表现，为了完善这个机理，我们需要引入其他中间体：HO2, H2O2等。http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=5e02abd38813632715edc23ba18ea056/6f35a93b5bb5c9ea5a1334ecd739b6003bf3b30f.jpg 根据温度、压力和反应进程不同，上述所有反应的逆反应都应该被考虑。因此，要模拟H2-O2系统我们必须考虑至少40个反应，包括8种组分；H2,O2,H2O,OH,O,H,HO2和H2O2
一些重要的燃烧反应机理
1. H2-O2系统
这是一个非常常见而且用途广泛的燃烧系统，从初中的爆鸣气体实验到火箭发动机。大家都知道，氢气燃烧反应化学式：
2H2 + O2 == 2H2O
但这个简单的化学式背后发生了很多基元反应，其机理不是那么简单。不同温度下，其机理还不尽相同。下面简单阐述一下这个反应的最简单的机理。
我们用M 来表示反应容器壁。这个反应初始的激发是http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=9664d701ba0e7bec23da03e91f2fb9fa/8af666bf6c81800ab6bd4a00b33533fa838b4797.jpg 接着是链传递过程http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=c216fec4533d26972ed3085565fab24f/edae90f33a87e95057d0306212385343faf2b42c.jpg 链终止：http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=c535a6d0cc1b9d168ac79a69c3dfb4eb/7eb13fcad1c8a7867ae47e016509c93d71cf5025.jpg 以上是最简易的包含H, O和OH自由基的链式反应机理。然而，这个机理并不能完全符合H2在O2中燃烧的表现，为了完善这个机理，我们需要引入其他中间体：HO2, H2O2等。http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=5e02abd38813632715edc23ba18ea056/6f35a93b5bb5c9ea5a1334ecd739b6003bf3b30f.jpg 根据温度、压力和反应进程不同，上述所有反应的逆反应都应该被考虑。因此，要模拟H2-O2系统我们必须考虑至少40个反应，包括8种组分；H2,O2,H2O,OH,O,H,HO2和H2O2
下面看看物化书上的H2-O2爆炸极限http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=de1157d834d12f2ece05ae687fc3d5ff/dba4b3d8bc3eb135960781b4a41ea8d3fc1f442f.jpg 如图所示，H2和O2体系存在三个爆炸极限，这一点在国内广泛流传的物化书 付献彩的《物理化学》上有所提及。下面来分析一下这些爆炸极限形成的原因。[1,2]
我们取图中一条垂直线来看，比如500摄氏度这条线。
从1~1.5 mmHg的时候，没有爆炸发生，这是由于激发的步骤（H2）和随后发生的链式反应(H3-H6)所产生的自由基被容器壁反应所消耗而中断，这一步骤是一个非均相的反应，严格来说它和容器壁面的材料有关。
当压力大于1.5 mmHg时，混合物就发生爆炸，这是(H3)-(H6)所产生的自由基速率大于容器壁消耗速率的结果。压力增加会导致自由基浓度线性增加，相应的反应速率呈几何增加。
压力继续上升，到达50mmHg之前一直属于爆炸区域，当超过50mmHg时，混合物就停止了爆炸特性，这是因为链式反应中的H3和低温下的显著链终止反应(H11)竞争所导致。由于羟基氧自由基（HO2)相对不活跃，因此(H11)可以看做链终止反应，这一自由基会扩散至容器壁并被消耗。
在第三个极限，3000mmHg处，再次进入爆炸区域。这是，反应（H16)加入了链式反应中，引起了H2O2链式反应过程，继续引发爆炸。
更详细的机理阐述见参考文献3-6
参考文献：
1. Glassman, I., Combustion, 2nd Ed., Academic Press, Orlando, FL, 1987
2. Lewis, B., and VonElbe G., Combustion, Flames and Explosions of Gases, 3rd Ed., Academic Press, Orlando, FL, 1987
3. Gardiner, WC and Olson DB, "Chemical Kinetics of High Temperature Combustion", Annual Review of Physical Chemistry, 31:377-399 (1980)
4. Westbrook CK and Dryer FL, "Chemical Kinetic Mo
我们取图中一条垂直线来看，比如500摄氏度这条线。
从1~1.5 mmHg的时候，没有爆炸发生，这是由于激发的步骤（H2）和随后发生的链式反应(H3-H6)所产生的自由基被容器壁反应所消耗而中断，这一步骤是一个非均相的反应，严格来说它和容器壁面的材料有关。
当压力大于1.5 mmHg时，混合物就发生爆炸，这是(H3)-(H6)所产生的自由基速率大于容器壁消耗速率的结果。压力增加会导致自由基浓度线性增加，相应的反应速率呈几何增加。
压力继续上升，到达50mmHg之前一直属于爆炸区域，当超过50mmHg时，混合物就停止了爆炸特性，这是因为链式反应中的H3和低温下的显著链终止反应(H11)竞争所导致。由于羟基氧自由基（HO2)相对不活跃，因此(H11)可以看做链终止反应，这一自由基会扩散至容器壁并被消耗。
在第三个极限，3000mmHg处，再次进入爆炸区域。这是，反应（H16)加入了链式反应中，引起了H2O2链式反应过程，继续引发爆炸。
更详细的机理阐述见参考文献3-6
参考文献：
1. Glassman, I., Combustion, 2nd Ed., Academic Press, Orlando, FL, 1987
2. Lewis, B., and VonElbe G., Combustion, Flames and Explosions of Gases, 3rd Ed., Academic Press, Orlando, FL, 1987
3. Gardiner, WC and Olson DB, "Chemical Kinetics of High Temperature Combustion", Annual Review of Physical Chemistry, 31:377-399 (1980)
4. Westbrook CK and Dryer FL, "Chemical Kinetic Mo
补充一点其他反应机理的大致情况
关于CO：其详细机理参考上述文献【5】
关于甲烷在空气中燃烧：
甲烷的化学动力学是研究的最广泛、最清楚的。1970-1982年间，甲烷燃烧机理从含有12个碎片15个基元反应进化到25个组分75个基元反应。比较著名的反应机理是GRI Mech机理，可以在网上直接查阅。1998年，该机理包含277个反应和49个组分
http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/
最新的版本是GRI Mech 3.0，包含325个基元反应和53个组分。
下图是甲烷燃烧的低温条件机理总结，相应的序号去上面网址查阅对应反应http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=43f871cb08d162d985ee621421dea950/82577d2a6059252d95da220b369b033b5ab5b91a.jpg
关于CO：其详细机理参考上述文献【5】
关于甲烷在空气中燃烧：
甲烷的化学动力学是研究的最广泛、最清楚的。1970-1982年间，甲烷燃烧机理从含有12个碎片15个基元反应进化到25个组分75个基元反应。比较著名的反应机理是GRI Mech机理，可以在网上直接查阅。1998年，该机理包含277个反应和49个组分
http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/
最新的版本是GRI Mech 3.0，包含325个基元反应和53个组分。
下图是甲烷燃烧的低温条件机理总结，相应的序号去上面网址查阅对应反应http://imgsrc.baidu.com/forum/w%3D580/sign=43f871cb08d162d985ee621421dea950/82577d2a6059252d95da220b369b033b5ab5b91a.jpg
最后补两张图
计算得出的在层流预混火焰中（甲烷燃烧，化学当量比混合），组分的摩尔分数和温度分布，以及组分的生成率http://d.hiphotos.baidu.com/forum/wh%3D400%2C640%3Bq%3D45%3Bg%3D0/sign=f74e46c4f9edab64742745c4c70683f5/1717970a304e251fc68bdcf7a586c9177f3e5367.jpg http://g.hiphotos.baidu.com/forum/wh%3D400%2C640%3Bq%3D45%3Bg%3D0/sign=2c16fb3c718da9774e7a8e2f8061d42f/1133b912c8fcc3cea57bf13c9045d688d43f202c.jpg
计算得出的在层流预混火焰中（甲烷燃烧，化学当量比混合），组分的摩尔分数和温度分布，以及组分的生成率http://d.hiphotos.baidu.com/forum/wh%3D400%2C640%3Bq%3D45%3Bg%3D0/sign=f74e46c4f9edab64742745c4c70683f5/1717970a304e251fc68bdcf7a586c9177f3e5367.jpg http://g.hiphotos.baidu.com/forum/wh%3D400%2C640%3Bq%3D45%3Bg%3D0/sign=2c16fb3c718da9774e7a8e2f8061d42f/1133b912c8fcc3cea57bf13c9045d688d43f202c.jpg
