消防燃烧学：燃烧氧学说的发展与应用

火的使用是人类文明发展的重要标志。据考古发现，人类用火的历史可以追溯到距今170万～180万年以前。人类利用火来烧烤食物、御寒取暖、防御野兽，逐渐发展到利用火来制作生活用具、生产工具和武器。这不仅改善了当时人类的生活质量，结束了茹毛饮血的原始生活方式，更重要的是促进了社会生产力的发展。从青铜器、铁器的出现，到现代的冶金、化工、机械制造、汽车、航空、航天等事业的发展均与火的使用密切相关。显然，没有火的使用，人类就没有今天高度发展的物质文明和文化文明，用火已成为人类生活中不可或缺的重要方面。人类在征服和利用火的过程中，也开始了对火的认识。在古希腊的神话中，火是普罗米修斯为了拯救人类的灭亡从天上偷来的。在我国，燧人氏钻木取火的故事要更为切合实际和动人，但这些离火的本质都相距甚远。

17世纪末，德国的斯塔尔（Georg Ernst Stahl，1660—1734）提出了“燃素说”的燃烧理论，该理论认为：①火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体，由这种火微粒构成的元素就是燃素。②所有的可燃物都含有燃素，并且在燃烧时将燃素释放出来，变为灰烬，不含燃素的物质不能燃烧。③物质在燃烧时之所以需要空气，是因为空气能吸收和富集燃素。这一学说对许多燃烧现象给予了解释，但是，一些本质问题却尚不清楚。例如，燃素的本质是什么？为什么有的物质燃烧后质量反而会增加？为什么燃烧会使空气的体积减小？“燃素说”是让燃烧成为一门科学的最早努力，虽然不久以后就被证明是完全错误的，但它所代表的一代科学家注意观察和理论总结的研究方法，却为后代科学家提供了一个范例，也正是这种精神，对后来正确的燃烧学的建立起到极大的促进作用。

1772年11月1日，法国科学家拉瓦锡（Lavoisier，Antoine-Laurent，1743—1794）发表关于燃烧的第一篇论文，其要点是：由燃烧引起的质量增加并不仅限于锡、铝等金属，硫、磷的燃烧也类同，只是它们的燃烧产物为气体或粉末，这种燃烧后质量增加的现象，即“燃素说”中所认为的怪事，绝不是两三个特殊情况，而是极其普遍的现象。拉瓦锡根据实验进一步提出，这种“质量的增加”是由于可燃物同空气中的一部分物质化合的结果，燃烧是一种化合现象，但当时，拉瓦锡尚未完全弄清楚空气中的这一部分是什么物质。1774年，英国科学家普利斯特列（Joseph Priestley，1733—1804）在空气中发现了氧气。拉瓦锡很快在实验中证明，这种物质在空气中的比例为1/5，并命名这一物质为“氧”（Oxygen，原义为酸之源）。拉瓦锡在对所有实验结果进行综合分析归纳的基础上，推翻了当时流行已久的“燃素说”，提出了关于火的氧化理论——“燃烧氧学说”，并于1777年公布于世。“燃烧氧学说”认为：燃烧是可燃物与氧的化合反应，同时发光、放热。这一理论引发了化学界的一大革新。但“燃烧氧学说”仅仅是揭开了燃烧现象本质的面纱，仅能解释燃烧是可燃物与氧的化合反应，而这一反应是如何进行的、要经过哪些步骤、受哪些因素的影响等，还未能给予解答。

19世纪，由于热力学和热化学的发展，燃烧过程开始被作为热力学平衡体系来研究，从而阐明了燃烧过程中一些重要的平衡热力学特性，如燃烧反应的热效应、燃烧产物的平衡组成、绝热燃烧温度、着火温度等，热力学成为认识燃烧现象重要的理论基础。20世纪20年代，由于化学动力学的发展，自由基（链）反应理论问世。到了30年代，美国化学家路易斯（Gilbert Newto nLewis，1875—1946）和前苏联化学家谢苗诺夫（Semenov，Nikolay Nikolaevich，1896—1986）等人将化学动力学的机理引入了对燃烧的研究，创建了燃烧反应动力学的“链锁反应理论”，这就解决了燃烧的历程问题，使人们对燃烧的本质有了更深刻的认识，并初步奠定了燃烧理论的基础。这一理论无疑对燃烧学是一个很大的推动，许多从事燃烧研究的科学家对此非常感兴趣，他们把“链锁反应理论”应用于研究燃烧动力学，促进了燃烧学的飞速发展。(www.xing528.com)

20世纪30～50年代，人们开始认识到影响和控制燃烧过程的因素不仅仅是化学反应动力学因素，还有气体流动、传热、传质等物理因素，燃烧则是这些因素综合作用的结果，从而建立了着火、火焰传播、湍流燃烧等理论。50～60年代，美国力学家卡门（Karman Von，1881—1963）和我国力学家钱学森首先倡议用连续介质力学来研究燃烧基本过程，并逐渐建立了“反应流体力学”，学者们开始以此对一系列的燃烧现象进行了广泛的研究。

计算机的出现使燃烧理论与数值方法的结合展现出了巨大的威力。斯波尔丁（SpaldingDB）在20世纪60年代后期首先得到了层流边界层燃烧过程控制微分方程的数值解，并成功地接受了实践的检验，但在进一步研究中，遇到了湍流问题的困难。斯波尔丁等人继承和发展了普朗特（Pulangte，1875—1953）、雷诺（Leinuo，1842—1912）和周培源等人的工作，将“湍流模型方法”引入了燃烧学的研究，提出了一系列的湍流输运模型和湍流燃烧模型，并成功地对一大批描述基本燃烧现象和实际的燃烧过程进行了数值求解。80年代，英、美、日、德、中、法等国相继开展了以上类似的工作，逐渐形成了所谓的“计算燃烧学”，用它能很好地定量预测燃烧过程和进行燃烧技术研究，使燃烧理论及其应用达到了一个新的高度。另一方面，燃烧过程测试手段的进步，特别是先进的激光技术，现代质谱、色谱等光学、化学分析仪器的问世，改进了燃烧实验的方法，提高了测试精度，从而可以更深入地、全面地、系统地研究燃烧过程的各种机理，使燃烧学研究在深度和广度上都有了飞跃的发展。