燃烧是一门应用科学，在交通运输、发电、工业过程和化学工程中具有重要意义。在实践中，燃烧应该同时保证安全、高效和清洁。
燃烧学历史悠久。从远古到中世纪，火与土、水、空气一起被认为是宇宙中四大基本元素。然而，由于化学革命的发起者之一、质量守恒定律的发现者安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier，1743—1794) 的工作(1785 年)，火的重要性降低了。1775 至1777 年，拉瓦锡第一个提出燃烧的关键是氧气的假设。他意识到空气中新分离的成分(英格兰的约瑟夫·普利斯特里和瑞典的卡尔·舍勒，1772—1774年) 是一种元素；然后他给它命名并制定了一个新的燃烧定义，即与氧发生化学反应的过程。在精确的定量实验中，他为新理论奠定了基础，这一理论在相对较短的时间内得到了广泛的认可。
最初，关于燃烧的科学出版物数量很少。当时的燃烧实验是在化学实验室进行的。因此从一开始到现在，化学对理解分子水平的燃烧就有很大贡献。
燃烧科学发展中的关键事件
1815 年，汉弗莱·戴维(Humphry Davy) 爵士发明了矿工安全灯。
1826 年，迈克尔·法拉第(Michael Faraday) 做了一系列讲座，并写下了蜡烛的化学史。
1855 年，罗伯特·本森(Robert Bunsen) 开发了他的预混气体燃烧器，测量了火焰温度和火焰速度。
1883 年，弗朗索瓦·欧内斯特·马拉德(Francois Ernest Mallard) 和埃米尔·勒·夏特利埃(Emire Le Chatelier) 研究了火焰传播，提出了第一个火焰结构理论。
与此同时，1879—1881 年，马塞林·贝塞洛特(Marcellin Berthelot) 和保罗·维耶(Paul Vieille) 发现了爆轰的第一个证据；这一点在1881 年立即被马拉德和勒·查塔列(Le Châtelier) 所证实。
1899—1905 年，大卫·查普曼(David Chapman)和埃米尔·焦古埃(Emile Jouguet) 发展了爆燃和爆轰理论，并计算了爆轰速度。
1900 年，保罗·维耶(Paul Vieille) 给出了爆轰现象的物理解释，即激波之后伴随着带有热释放的反应区。
1928 年，尼古拉·谢苗诺夫(Nikolay Semenov) 发表了他的连锁反应和热点火理论，并因其1956 年的工作获得了诺贝尔奖(与西里尔·诺曼·辛舍伍德一起)。连锁反应理论激励了化学气体动力学和反应机理的发展。关于爆炸和由连锁反应引起的爆炸极限的基础工作出现了。这反过来导致了气相反应动力学的巨大进步，即认识到自由基的作用、基本反应的性质，以及化学反应机理的阐明。最近，其使得动力学建模成为可能。
1940 年，雅科夫·泽利多维奇(Yakov Zel’dovich) 分析了二维火焰的热扩散不稳定性，并于1944 年出版了他的著作《气体燃烧与爆轰理论》。
1940 年，格哈德·达科勒(Gerhard Damkoler)研究了湍流对火焰传播的影响，1943 年，基里尔·什切尔金(Kirill Shchelkin) 在简单几何考虑的基础上对其工作进行了扩展。
在美国航空科学研究所(1933 年)和喷气推进实验室(1944 年) 创始人西奥多·冯·卡门(Theodore von Karman)及燃烧学会(1954 年) 共同创始人的影响下，燃烧科学得到极大发展。1950 年左右，他们组织了一个国际小组来汇编和传播关于燃烧科学的多学科知识。从那时起，术语“航空热化学” 就成为燃烧的同义词。
燃烧科学发展的新纪元始于伯纳德·刘易斯(Bernard Lewis) 于1954年发起成立的燃烧学会。1957 年，随着《燃烧与火焰》杂志的发行，该学会的影响力进一步增强。该学会在促进构成燃烧领域广泛的专业科学学科方面发挥了重要作用。自成立以来，该学会还帮助促进了国际研究活动，对燃烧技术的未来和全球范围内的(污染物) 排放控制具有重要意义。
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▍燃烧在很大程度上是(但不仅仅是) 一门应用驱动的科学学科，创造了一些技术驱动因素。
在其早期发展阶段，安全问题以及有关可燃性极限和爆炸的知识是最重要的。
在20 世纪50 年代，燃烧研究受到航空推进和火箭推进的推动(例如，对火焰中离子的研究与弱等离子体对微波辐射的吸收有关)。
20 世纪60 年代末，人们对燃烧产生的污染物(如CO/NOx 和碳烟) 的兴趣有所上升。
20 世纪70 年代初，越来越多的研究项目被用于城市和野外的火灾。
20 世纪70 年代的能源危机刺激了对节能和燃烧效率的研究。
在20 世纪80 年代和90 年代，人们对超声速燃烧越来越感兴趣，并对燃烧在气候变化中的作用进行了研究。
所有这些技术驱动因素仍然存在于燃烧研究中。新的驱动因素，如微动力发电、催化燃烧、温和燃烧、自蔓延高温合成(self-propagating high temperature synthesis，SHS) 燃烧或纳米颗粒合成等也正在出现。
▍科学工具和新分析方法的重要发展促进了燃烧科学的进步，包括：
引入严格的化学反应守恒方程。
计算机技术的发展使得在受扩散影响且涉及复杂化学的燃烧环境中解决复杂的流体运动成为可能(大量的基元反应，它们各自并不“复杂”，而是相当简单，即它们中的大多数只涉及两种反应物，有时是三种反应物，形成或破坏一个化学键)。在燃料氧化和污染物形成过程中生成了大量的瞬态中间组分。
激光诊断在诊断基本反应过程和火焰结构中的应用。
用于燃烧现象数学分析的活化能渐近理论的发展。
在2000 年第28 届国际燃烧研讨会上，欧文·格拉斯曼(Irvine Glassman)在他的报告中谈到了燃烧科学领域的研究对现代社会的重要性。他在致辞中呼吁燃烧界为解决实际问题做出贡献，并在解决经济、社会和环境问题方面发挥更大的创造性。只有对燃烧过程中发生的基本过程有深刻的理解，并且将其视为需要多学科研究的现象，这一呼吁才能实现。
▍《燃烧现象——火焰形成、传播和熄灭机制》[(波)乔伊·贾罗辛斯基, (法)伯纳德·维西尔主编; 席文雄等译. 北京: 科学出版社, 2021.11]一书通过提供有关燃烧的一些基本问题的最新信息来应对这一挑战。
本书对燃烧学现象方面的知识进行了补充和丰富，有助于对火焰形成、传播和熄灭这些基本过程的理解。这本书的特点在于，展示了不同的初始和边界条件下所呈现的特定火焰行为类型，并对控制燃烧的最重要过程进行了详细阐述。
这本书根据所述问题的不同，分为8 个主题章节。
◆ 第1 章简要介绍燃烧面临的主要挑战。回顾了燃烧科学发展中的关键事件。
◆ 第2 章专门讨论燃烧诊断。大多数新的诊断技术已经由同一作者在杂志Applied Combustion Diagnostics(2002) 和一些调查报告(例如，Proceedings of the Combustion Institute(2005)；Progress in Energy and Combustion(2006)) 中进行了介绍。在本书中，K. Kohse-Höinghaus 介绍了如何在燃烧化学中进行测量的相关工作，该领域有许多新近发展。
◆ 第3 章讨论可燃性极限、可燃混合物的点燃和极限火焰的熄灭。点燃和熄灭这两种现象都依赖于时间。
在3.1 节中，J. Jarosinski 提出了标准可燃性管中极限火焰的可燃性极限和熄灭机理问题。这种特殊类型管中的熄灭问题非常特殊，与其他火焰不同，引起了人们很长时间的兴趣。
在3.2 节中，M. Kono 和M. Tsue 研究了从电火花产生火核到火焰形成的机理。他们讨论了在实验室进行的数值模拟结果，并与实验观测结果进行了对比，证实数值模拟是阐明火花点火机理的重要工具。
▲ 从管的开口端向下传播的含2.20％C3H8混合气的平面极限火焰的淬熄过程。采用叠加了直接摄影的纹影系统观察图像。方管尺寸为125mm×125mm×500mm。帧之间的时间间隔为0.3s
◆ 第4 章介绍非常特殊的火焰类型。
在4.1 节中，C-J. Sung 讨论了对冲预混火焰的传播。只考虑对称预混双火焰在对冲射流中的传播。这种对冲预混火焰技术可用于确定层流火焰速度，作为研究预混火焰各种现象的参考量。讨论了基于该技术确定层流火焰速度和推导总活化能的方法。
在4.2 节中，Ishizuka 介绍了他最近对沿涡核传播火焰的实验和理论结果。根据实验结果，讨论了现有模型对火焰速度、涡参数和混合特性的有效性。
在4.3 节中，S. H. Chung 指出了边缘火焰的一些特征。有边缘的火焰以多种形式出现。对这一课题的深入了解对于湍流燃烧建模至关重要。
◆ 第5 章讨论了火焰的不稳定现象。
在5.1 节中，G. Searby 介绍了燃烧不稳定性的基本原理，他研究的现象分为两类：火焰前缘不稳定性和热声不稳定性。每一类都可以进一步细分，并对其进行讨论。
在5.2 节中，S. Candel、D. Durox 和T. Schuller 考虑了微扰火焰动力学的某些方面。通过系统的实验，阐述了燃烧不稳定性与噪声产生的关系。数据表明，声发射是由火焰动力学决定的。在此基础上，燃烧噪声可以与燃烧不稳定性联系起来。
在5.3 节中，D. Dunn Rankin 讨论了密闭通道中爆燃的形状以及爆燃呈现郁金香形状的条件。从19 世纪开始，人们就研究了预混火焰在密闭容器中的传播。郁金香火焰是火焰–流动相互作用的一个有趣例子，源于朗道–达里厄(Landau–Darrieus) 不稳定。
▲ 声扰动调制的甲烷–空气预混火焰。四色纹影可视化，f = 75Hz，ω∗ = 15, v′/ˉv =0.2，ϕ = 0.95
◆ 第6 章介绍不同的火焰淬熄方法。
在6.1 节中，A. Gutkowski 和J. Jarosinski 介绍了窄通道火焰传播的实验和数值研究结果以及热损失导致的淬熄机理。这项工作再次涉及淬熄距离的经典研究。通过实验确定了极限火焰的主要特性。
在6.2 节中，S. S. Shy 专门讨论了湍流火焰淬熄问题，从燃烧基本原理和实际原因来看，这一问题很重要。讨论了湍流应变、当量比和热损失对预混湍流火焰整体淬熄的影响。
在6.3 节中，C-J. Sung 考察了对冲预混火焰的熄灭。他重点研究了拉伸所致的淬熄，并强调了对冲预混火焰熄灭极限的四个方面：非均匀扩散效应、边界条件差异所起的部分作用、脉动不稳定性的影响以及与可燃性基本极限的关系。
在6.4 节中，J. Chomiak 和J. Jarosinski 讨论了旋转圆柱形容器中火焰传播和淬熄的机理。他们从所谓的Ekman 层的形成来解释所观察到的淬熄现象，Ekman 层是导致火焰从壁面上脱落和宽度减小的原因。用离心加速度驱动的自由对流效应解释了火焰速度随旋转角速度增大而减小的原因。
◆ 第7 章关注湍流火焰。
在7.1 节中，R. Borghi、A. Mura 和A. A. Burluka 介绍了湍流预混火焰的最新研究，强调了物理方面的问题。对需要额外工作的领域进行了全面的定义和讨论。
在7.2 节中，J. H. Frank 和R. S. Barlow 描述了非预混火焰的基本特征，重点介绍了与预测建模相关的基本现象。他们展示了如何通过实验和数值模拟的紧密结合来加速推动复杂燃烧系统预测模型的发展。
7.3 节讨论了湍流燃烧的精细分辨率建模。L. Selle 和T. Poinsot 在湍流燃烧数值方法的综述中，着重介绍了高性能数值计算的重要进展，并讨论了近期的发展前景。他们认为，大规模并行的大涡模拟求解器很快就有望在成本上具有竞争力，用于工业系统的开发。了解和控制燃烧不稳定性可能是未来有效精细分辨率建模的任务之一。
◆ 第8 章给出了燃烧和火焰传播的其他有趣的例子。
在8.1 节中，F. Takahashi 介绍了蜡烛和层流射流扩散火焰，强调了蜡烛燃烧的物理和化学机理，以及在正常重力和微重力条件下类似的层流同轴扩散火焰。这个表面上简单的系统实际上是非常复杂的，因而它的研究对于理解扩散火焰的基本原理具有重要意义。
▲ 静止空气中甲烷(顶部)、乙烷(中间) 和丙烷(底部) 射流扩散火焰(直径2.87 mm)的视频图像，正常重力(左侧) 和微重力(中间和右侧)。平均燃油喷射速度：(a)，(b)13.5cm/s，(c) 5.3cm/s，(d)，(e) 7.7cm/s，(f) 3.3 cm/s，(g)，(h) 5.6cm/s，(i) 2.2cm/s
在8.2 节中，J. D. Smith 和V. Sick 介绍了火花点火发动机的燃烧过程。他们考虑了这类发动机中的三种燃烧方式：均质充量火花点火(预混湍流燃烧)、分层充量火花点火(部分预混湍流燃烧) 和火花辅助压缩点火或火花辅助均质充量火花压缩点火(CI)，后者是一个较新的概念，引入的目的是实现超低排放燃烧。讨论了各种方法的优缺点。
在8.3 节中，Z. Filipi 和V. Sick 回顾了压燃式发动机的最新进展。除了经典的压燃式发动机，他们还研究了另外两个概念：高速轻型发动机和预混压燃式发动机中的低温燃烧。他们认为，未来压燃式发动机将通过结合这两个概念来运行。
在8.4 节中，A. Teodorczyk 提出了爆燃转爆轰(DDT) 的复杂问题。他根据经典方案回顾了光滑管中DDT 过程相关的现象，然后描述了阻塞通道中的DDT问题。
在8.5 节中，B. Veysier 阐述了爆轰的知识现状。结合近年来非侵入式光学诊断和高性能计算的数值模拟结果，给出了复杂多维结构爆轰波的特殊特征。研究了横波在爆轰波传播中的作用，爆轰波胞格结构特征尺寸与起爆和传爆临界条件之间的相关性，以及波锋后非单调放热过程的影响。讨论了旋转爆轰研究的最新进展。
撰写这本书的想法源于2006 年两位作者在普瓦捷大学举办的研讨课程。该想法逐渐成形并最终题名为《燃烧现象——火焰形成、传播和熄灭机制》。本书由26 位撰稿人组成的作者团队撰写，使用照片文件来对控制燃烧发展的物理机理进行有效展示。海德堡的国际燃烧研讨会与普瓦捷的爆炸和反应系统动力学国际研讨会给了我们一个很好的机会与一些作者讨论这本书的某些问题。我们非常感谢许多燃烧专家的帮助，他们使这本书成为可能。
我们希望阅读这本书对我们科学界的成员来说将是一种智力上的刺激和享受。
Jozef Jarosinski
Bernard Veyssiere
本文摘编自《燃烧现象——火焰形成、传播和熄灭机制》[(波)乔伊·贾罗辛斯基, (法)伯纳德·维西尔主编; 席文雄等译. 北京: 科学出版社, 2021.11]一书“第1 章引言：燃烧面临的挑战”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。
（本文编辑：刘四旦）
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