燃燒學(xué)知識(shí)歸納(機(jī)械工業(yè)出版社)

1、1第一章第一章 燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述第二節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)速率第三節(jié) 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素第四節(jié) 鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)第五節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)平衡第六節(jié) 氮氧化物形成的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理2p 燃燒是燃料與氧氣的劇烈化學(xué)反應(yīng)，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能p 化學(xué)反應(yīng)是燃燒的基本過(guò)程，分為單相燃燒化學(xué)反應(yīng)和異相燃燒化學(xué)反應(yīng)p 研究燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)法p 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究：化學(xué)反應(yīng)機(jī)理與化學(xué)反應(yīng)速率p 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)：分子碰撞理論與鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論p 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象：理想摻混、溫度均勻的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)p 大多數(shù)實(shí)際燃燒過(guò)程為湍流燃燒，要

2、依賴于燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)與湍流流體力學(xué)的耦合p 燃料在燃燒室內(nèi)快速完成燃燒反應(yīng)，釋放熱量，還要抑制與燃燒有關(guān)污染物的產(chǎn)生p 污染物生成的各種化學(xué)反應(yīng)，是燃燒學(xué)的研究?jī)?nèi)容之一第一節(jié)第一節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述燃燒化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述3第二節(jié)第二節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)速率燃燒化學(xué)反應(yīng)速率一、濃度二、化學(xué)反應(yīng)速率三、基元反應(yīng)與總包反應(yīng)四、質(zhì)量作用定律五、反應(yīng)級(jí)數(shù)六、基元反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率七、總包反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率4一、濃度一、濃度 化學(xué)反應(yīng)速率與參與反應(yīng)的物質(zhì)的濃度有關(guān)1、質(zhì)量濃度: 單位體積的混合物中某一組分A的質(zhì)量 2、物質(zhì)的量濃度3、摩爾分?jǐn)?shù)4、摩爾分?jǐn)?shù)與質(zhì)量的量濃度的關(guān)系：)/()(3AAmkgVAm

3、（混合物的體積）組分的質(zhì)量)/()(3AAmmolVAnc（混合物的體積）組分的物質(zhì)的量 BAAA)(nnAnx組分的物質(zhì)的量pRTcxAA5二、化學(xué)反應(yīng)速率二、化學(xué)反應(yīng)速率1、化學(xué)反應(yīng)速率2、混合物質(zhì)燃燒化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)速率的關(guān)系3、反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的濃度隨時(shí)間的變化曲線)()(A時(shí)間間隔的濃度變化量初始反應(yīng)物或反應(yīng)產(chǎn)物cwddccwAA0lim) HG :B(AHGBA數(shù)：各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量系、：反應(yīng)產(chǎn)物；、反應(yīng)物；、hgbahgbaddcddcddcddchgbaHGBA11116三、基元反應(yīng)與總包反應(yīng)三、基元反應(yīng)與總包反應(yīng)p 絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)為復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)： 并非一步完成，經(jīng)若干相繼的中

4、間反應(yīng)，涉及若干中間產(chǎn)物才能生成最終產(chǎn)物。p 組成復(fù)雜反應(yīng)的各個(gè)反應(yīng)被稱為基元反應(yīng)：反應(yīng)物分子、原子或原子團(tuán) 直接碰撞而發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，表示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際歷程。p 總包反應(yīng)：經(jīng)過(guò)各個(gè)基元反應(yīng)過(guò)程后的終極結(jié)果，不代表實(shí)際的反應(yīng)歷程。 采用總包反應(yīng)表示某一特定過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理：“黑箱”方法，雖然可以有效地用于某些燃燒反應(yīng)的熱平衡與質(zhì)量平衡計(jì)算，但并不有助于理解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以及進(jìn)一步解決控制化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的問(wèn)題。 （反應(yīng)后的終極產(chǎn)物）反應(yīng)前的物質(zhì)過(guò)程基元O2H )(O2H2反應(yīng)經(jīng)歷多個(gè)僅僅展現(xiàn)總包反應(yīng)結(jié)果227四、質(zhì)量作用定律四、質(zhì)量作用定律 質(zhì)量作用定律闡明了反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律。

5、質(zhì)量作用定律：在一定溫度下，基元反應(yīng)在任何瞬間的反應(yīng)速率與該瞬間參與反應(yīng)的反應(yīng)物濃度冪的乘積成正比。 質(zhì)量作用定律只能用于基元反應(yīng)，而不能直接應(yīng)用于總包反應(yīng)。 )(BA為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)kbackcwNiiiNiiiMvMv11NiiiiiiMkvvdMd1)( BAbaHvGvBBBAAAhg ab8五、反應(yīng)級(jí)數(shù)五、反應(yīng)級(jí)數(shù)p 定量表示反應(yīng)物濃度變化對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響程度p 對(duì)一步完成的簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)與所有的基元反應(yīng)，反應(yīng)速率表達(dá)式中的反應(yīng)物濃度指數(shù)之和為該反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)，基元反應(yīng)的反應(yīng)級(jí)數(shù)總為整數(shù)。 以n表示化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)， 一般化學(xué)反應(yīng)方程式： 反應(yīng)級(jí)數(shù)一般表達(dá)為： NiiiNiiiMvM

6、v11Niivn19 六六、基元反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率、基元反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率p 由分子直接碰撞而發(fā)生的反應(yīng)稱為基元反應(yīng)，基元反應(yīng)發(fā)生在分子、原子、離子和自由基水平，嚴(yán)格符合質(zhì)量作用定律p 每一個(gè)基元反應(yīng)的反應(yīng)速率均源于各自分子間的碰撞，并不取決于混合物的環(huán)境因素p 在比較理想化的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定的基元反應(yīng)速率可直接應(yīng)用到壓力較高且存在其他成分的場(chǎng)合p 基元反應(yīng)分為以下形式，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率為： 1、雙分子反應(yīng)： 2、單分子反應(yīng)： 3、三分子反應(yīng) ：AAckdtdcuniBAAcckdtdcbiMBAAccckdtdcter10七、總包反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率七、總包反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率p 不能按總的反應(yīng)

7、方程式直接應(yīng)用質(zhì)量作用定律來(lái)表征反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系p 質(zhì)量作用定律只有應(yīng)用于描述正確反應(yīng)機(jī)理的基元反應(yīng)方程式時(shí)才具有意義p 在分析實(shí)際燃燒系統(tǒng)時(shí)，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，基于總包反應(yīng)的概念，寫(xiě)出總反應(yīng)方程式，并借用質(zhì)量作用定律的形式寫(xiě)出其反應(yīng)速率表達(dá)式根據(jù)質(zhì)量作用定律，燃料的消耗速率表示為： 對(duì)總包化學(xué)反應(yīng)，指數(shù)a、b與反應(yīng)級(jí)數(shù)有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)曲線擬合得到。p 一步整體反應(yīng)方程、二步整體反應(yīng)方程backcdtdc2OFF11第三節(jié)第三節(jié) 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素 不論何種化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速率主要與反應(yīng)的溫度、反應(yīng)物性質(zhì)（活化能）、反應(yīng)物的濃度及壓力等因素有關(guān) 一、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速

8、率的影響阿累尼烏斯定律 二、活化能 E 對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 三、壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 四、反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 五、催化作用對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響12一、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的一、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響影響阿累尼烏斯定律阿累尼烏斯定律p 在影響化學(xué)反應(yīng)速率的諸因素中，溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響最為顯著 化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù): A前置因子，指前因子或頻率因子； R摩爾氣體常數(shù)； E活化能，單位為J/mol，E可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定； T熱力學(xué)溫度(K)。)exp(RTEAkRTEAk lnln2)(lnRTEkdTd13二、二、活化能活化能 E 對(duì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響化學(xué)反應(yīng)速率的影響p 化學(xué)反應(yīng)活化

9、能是解釋反應(yīng)速率常數(shù)與溫度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方程式時(shí)提出的p 關(guān)于化學(xué)反應(yīng)活化能的解釋主要基于兩種理論： 1、活化分子碰撞理論：分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所必須達(dá)到的最低能量，就被稱為活化能E。能量達(dá)到或超過(guò)E的分子，被稱為活化分子。不同的反應(yīng)，活化能是不相同的。 2、過(guò)渡狀態(tài)理論：化學(xué)反應(yīng)之所以發(fā)生，是具有足夠大能量的反應(yīng)物分子在有效碰撞后先形成了一種活化配合物，它處于不穩(wěn)定的、高度活性的過(guò)渡狀態(tài)，然后再最終形成產(chǎn)物。 14三、壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響三、壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 在很多實(shí)際燃燒工程中，考慮壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 反應(yīng)速率與反應(yīng)物分壓力之間的關(guān)系： 等溫條件下，系統(tǒng)壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響與其反

10、應(yīng)級(jí)數(shù)n成指數(shù)關(guān)系： 若采用氣體的摩爾分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化率來(lái)表示反應(yīng)速率時(shí)，則BAbappwnpw ddxwApRTddcwA1npw1npwV)1(0np燃盡時(shí)間15四、反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響四、反應(yīng)物濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響 質(zhì)量作用定律描述了反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響2BARTpxkxw)1 (AAxexw)1 (AAxxew16五、催化作用對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響五、催化作用對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響p 催化劑是能夠改變化學(xué)反應(yīng)速率而其本身在反應(yīng)前后的組成、數(shù)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變的一種物質(zhì)p 催化劑對(duì)反應(yīng)速率的作用為催化作用p 均相催化劑和多相催化劑p 催化劑之所以能加快反應(yīng)速率，是因?yàn)榻?/p>

11、低了化學(xué)反應(yīng)的活化能p 固體物質(zhì)參與的催化反應(yīng): 表面反應(yīng)的一種，用“吸附作用”來(lái)說(shuō)明 吸附反應(yīng)速率常數(shù)： 解吸反應(yīng)速率常數(shù)： 前置因子 吸附與解吸動(dòng)力學(xué)過(guò)程的活化能)exp(TREAkadsadsads)exp(TREAkdesdesdesadsAdesAadsEdesE17第四節(jié)第四節(jié) 鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng) 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論是化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的兩個(gè)基礎(chǔ)理論之一 一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)二、不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)三、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)四、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的孕育與爆炸特點(diǎn)18一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)一、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點(diǎn)p 很多化學(xué)反應(yīng)是由于形成極其活躍的組分而引發(fā)一系列連續(xù)、競(jìng)爭(zhēng)的中間反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)物形成產(chǎn)物p 中間反應(yīng)生成若干

12、不穩(wěn)定的自由基或自由原子，稱為活性中心。以很高的化學(xué)反應(yīng)速率與原始反應(yīng)物分子反應(yīng)，本身消失，同時(shí)產(chǎn)生新活化中心，使反應(yīng)一直進(jìn)行生成最終產(chǎn)物p 活化中心起到中間鏈節(jié)的作用p 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是化學(xué)反應(yīng)中最普通、最復(fù)雜的反應(yīng)形式p 各個(gè)中間反應(yīng)均屬于基元反應(yīng)p 各個(gè)反應(yīng)具有各自不同的反應(yīng)速率常數(shù)p 是燃燒過(guò)程中必然發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)19p 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)經(jīng)歷鏈的激發(fā)、傳播與終止p 產(chǎn)生基(也稱為自由基、根或游基）的基元反應(yīng)為啟鏈反應(yīng)，基被破壞的基元反應(yīng)為終鏈反應(yīng) 1、鏈激發(fā) 2、不分支， （產(chǎn)物與反應(yīng)物中基的數(shù)目之比）=1 3、分支， 1 4、終止，形成穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物 5、終止，與壁面碰撞消失鏈?zhǔn)椒磻?yīng)步驟鏈?zhǔn)椒?/p>

13、應(yīng)步驟20二、不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)二、不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)p 若一個(gè)活性中心在產(chǎn)物生成過(guò)程中仍形成一個(gè)活性中心，這種反應(yīng)是不分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng) p 穩(wěn)態(tài)近似分析方法簡(jiǎn)化（中間組分銷毀速度和形成速度相等）21 三三、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)p 在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)途徑中，如果一個(gè)基元反應(yīng)中消耗一個(gè)基的同時(shí)生成兩個(gè)或多個(gè)新的基，則為分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)p 基的濃度會(huì)成指數(shù)關(guān)系累積，迅速形成產(chǎn)物，且具有爆炸效應(yīng)p 分支基元反應(yīng)步驟的反應(yīng)速率是總體反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)，而不是鏈的激發(fā)環(huán)節(jié)的反應(yīng)速率p 分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是火焰自行傳播的動(dòng)力，是火焰化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理中的基本內(nèi)容 22四、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的孕育與爆炸特點(diǎn)四、分支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的孕育與爆炸特點(diǎn)p 分

14、支鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在開(kāi)始階段的反應(yīng)速率很小，當(dāng)活性中心積累到一定程度后，反應(yīng)速率急劇增大p 從反應(yīng)開(kāi)始到化學(xué)反應(yīng)速率增大到可以感覺(jué)到的程度時(shí)的時(shí)間被稱為孕育時(shí)間p 孕育時(shí)間不是反映反應(yīng)混合氣體的物理化學(xué)常數(shù)。取決于活性中心的濃度、溫度、容器形狀以及壁面材料p 經(jīng)一段孕育時(shí)間后，反應(yīng)速率猛烈上升，一直到活化中心的濃度達(dá)到最大值，形成分支反應(yīng)的爆炸現(xiàn)象23p 熱爆炸是由于溫度提高而使活化分子增多所致p 鏈?zhǔn)奖ㄊ怯捎诨钚灾虚g產(chǎn)物迅速繁殖的結(jié)果，在等溫下也會(huì)發(fā)生p 冷焰p 閃點(diǎn)爆炸現(xiàn)象與熱爆炸的區(qū)別爆炸現(xiàn)象與熱爆炸的區(qū)別24第五節(jié)第五節(jié) 燃燒化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)平衡燃燒化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)平衡p 反應(yīng)速率常數(shù)與平衡

15、常數(shù)的關(guān)系的重要性：l 已知某反應(yīng)的一個(gè)方向的反應(yīng)速率常數(shù)時(shí)，可求另一速率常數(shù)，不必同時(shí)測(cè)定兩個(gè)速率常數(shù)l 化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，過(guò)程復(fù)雜、難度很大，測(cè)量結(jié)果具有較大的不確定度l 化學(xué)平衡常數(shù)是基于熱力學(xué)的測(cè)量或計(jì)算得到的，屬于較準(zhǔn)確的熱力學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)k1、k2為正、逆反應(yīng)速率常數(shù)，只與溫度有關(guān)，與濃度無(wú)關(guān)。21kkkc平衡常數(shù)p可逆反應(yīng)最終必然達(dá)到化學(xué)平衡，此時(shí)的正向反應(yīng)速率與逆向反應(yīng)速率相等，系統(tǒng)內(nèi)的組分濃度不再變化。p化學(xué)平衡狀態(tài)，組分濃度滿足：25在解決化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)： 如果能夠確定該反應(yīng)處于平衡態(tài) 根據(jù)反應(yīng)速率常數(shù)及平衡常數(shù)的關(guān)系，通過(guò)已知的正向（或逆向）反應(yīng)速率常數(shù)及平衡常

16、數(shù)，可計(jì)算得到逆向（或正向）反應(yīng)速率常數(shù) 計(jì)算方法計(jì)算方法26第六節(jié)第六節(jié) 氮氧化物形成的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理氮氧化物形成的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理p 燃燒設(shè)備排放NO的濃度為數(shù)百至數(shù)千mg/m3、NO2濃度為數(shù)十mg/m3，在紫外線作用下，NO轉(zhuǎn)化為NO2p 熱力 NO（火焰后區(qū)域），快速NO（火焰鋒面），燃料NO（燃料中）p 熱力 NO形成（鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）： Zeldovich機(jī)理模型解釋 p NO的生成速率與氧濃度的平方根成正比，總的反應(yīng)級(jí)數(shù)n=1.5p 快速NO源自于火焰內(nèi)的碳?xì)浠c分子氮。p 燃料NO來(lái)源于燃料中有機(jī)氮。原油中含有0.10.2%的有機(jī)氮。煤中含有0.21.6%的有機(jī)氮。含氮燃料在燃燒過(guò)程中先

17、形成中間產(chǎn)物HCN，在火焰后區(qū)域內(nèi)再進(jìn)一步與O、OH和H反應(yīng)生成NO。在工程燃燒系統(tǒng)中一般有2050%的燃料氮轉(zhuǎn)化為NO 。 作業(yè)：作業(yè)：1-1027第二章第二章 燃燒空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)燃燒空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)混合與傳質(zhì)混合與傳質(zhì)第一節(jié) 湍流的物理本質(zhì)和數(shù)學(xué)描寫(xiě)第二節(jié) 動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的比擬第三節(jié) 湍流射流中的積分守恒條件第四節(jié) 湍流自由射流中的混合與傳質(zhì)第五節(jié) 旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)第六節(jié) 鈍體射流中的混合與傳質(zhì)第七節(jié) 平行與相交射流中的混合與傳質(zhì)2.1 湍流的物理本質(zhì)和數(shù)學(xué)描寫(xiě)湍流的物理本質(zhì)和數(shù)學(xué)描寫(xiě) 2.1.1 湍流脈動(dòng)2.1.2 湍流的數(shù)學(xué)描寫(xiě)雷諾方程組2.1.3 湍流附加應(yīng)力的假定2.1.

18、1 湍流脈動(dòng)湍流脈動(dòng)流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài)層流層流湍流湍流ReRelj1883年，雷諾首先發(fā)現(xiàn)了粘性流體的兩種流動(dòng)狀態(tài)：Re Reljn 湍流的特征：流體質(zhì)點(diǎn)的速度w和壓力p都隨時(shí)間不斷地、無(wú)規(guī)律地變化，有時(shí)流體微團(tuán)還會(huì)繞其瞬時(shí)軸無(wú)規(guī)則、且經(jīng)常受擾動(dòng)的有旋運(yùn)動(dòng)（渦旋）脈動(dòng)脈動(dòng)。n 湍流狀態(tài)下，速度w、壓力p、某組分物質(zhì)的量m及流體的溫度T總是在一個(gè)平均值上下不斷的脈動(dòng)。湍流的物理本質(zhì)湍流的物理本質(zhì)脈動(dòng)脈動(dòng)Reynolds number 物理量物理量 時(shí)間平均時(shí)間平均脈動(dòng)脈動(dòng)n是瞬時(shí)速度w（或壓力p）對(duì)時(shí)間的積分中值： 即 及 及 ( )w p01wwdwww01ppdppp 湍流脈動(dòng)的特性 p脈動(dòng)是

19、湍流流場(chǎng)中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)量、熱量和質(zhì)量 傳遞（三傳）的動(dòng)力源。p湍流能量的不斷產(chǎn)生和耗散是流體湍流運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)最基本的特征過(guò)程。速度脈動(dòng)的特性 性質(zhì)性質(zhì)1：w的時(shí)均值的時(shí)均值0w 0011d()d0wwwwww性質(zhì)性質(zhì)2：w的時(shí)均方根的時(shí)均方根20w2220011 d() d0wwwwwww速度脈動(dòng)的特性 性質(zhì)性質(zhì)3： 湍流脈動(dòng)的相關(guān)性湍流脈動(dòng)的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)意義上的統(tǒng)計(jì)意義上的1201212222212121w w dwwewwww1w2wy如果如果 y=0121e湍流高度相關(guān)湍流高度相關(guān)如果如果 y= 012e湍流無(wú)關(guān)湍流無(wú)關(guān)e12 隨 Re 增加而增大。流場(chǎng)中，相距y的任意兩點(diǎn)的相關(guān)性用e12表示速

20、度脈動(dòng)w決定湍流中的“三傳”過(guò)程ijww 2w222*()/3xyzwwwEwyc T w ym w 2221()2xyzwww2222222yyyxxxzzzwwwwwwwwwxyzyxzxzy動(dòng)量傳遞 湍湍動(dòng)動(dòng)度（湍流強(qiáng)度）度（湍流強(qiáng)度） 熱通量熱通量熱量傳遞質(zhì)量傳遞 湍流正應(yīng)力湍流正應(yīng)力 湍動(dòng)切應(yīng)力湍動(dòng)切應(yīng)力 傳質(zhì)通量傳質(zhì)通量湍流耗散湍流耗散湍流動(dòng)能湍流動(dòng)能2.1.2 湍流的數(shù)學(xué)描述湍流的數(shù)學(xué)描述雷諾方程組雷諾方程組粘性不可壓縮流體Navier-Stokes方程 連續(xù)性方程： 運(yùn)動(dòng)方程:0yxzwwwxyz2222221()xxxxxdwwwwpgdxxyz 2222221()yyyyy

21、dwwwwpgdyxyz2222221()zzzzzdwwwwpgdzxyz X方向Y方向Z方向時(shí)均化處理 對(duì)各參數(shù)進(jìn)行時(shí)均化處理 慣性力xxxxxxxxxxyzdwwwwwdxdydzdx dy dz dwwwwwwwxyz0yxzwwwxyz連續(xù)方程yxzxwwwwxyzyxxxxxzxyxxxxzxxyxzxwwwwwwwwwwwww www ww wxyzwxxyyzz第一項(xiàng) 時(shí)均化后第二項(xiàng) 時(shí)均化后同理：第三項(xiàng)時(shí)均化后： 第四項(xiàng)時(shí)均化后：xw（時(shí)均值不隨時(shí)間變化） ()xxw wx2211211()()()()xxxxxxxxxw w dwwww dwwwxxxx()()xyxyww

22、w wyy()()xzxzw ww wzz2111()()0 xxxw dw dwxyxxxxxzw wdwww ww wdxyz可以合并時(shí)均化處理 重力項(xiàng) 壓力項(xiàng) 粘性力項(xiàng) x方向211xxg dg211 11ppdxx21222222221()xxxxxwwww dwxyz 由湍流脈動(dòng)引起的附加應(yīng)力2222222yxxxxyxzxxxyxzxwwwpgww ww wxxyzxyzw ww ww wxyz n 連續(xù)性方程時(shí)均化后：0yxzwwwxyz時(shí)均化處理附加應(yīng)力與粘性力合并后得附加應(yīng)力與粘性力合并后得 ：雷諾方程組：雷諾方程組n連續(xù)性方程nX方向nY方向nZ方向0yxzwwwxyz2y

23、xxxxyxzxxxyxzxwwwpgww ww wxxxyyzzw ww ww wxyz 2yyyyxyyzyxyyyzywwwpgw www wyxxyyzzw ww ww wxyz 2zzzzxzyzzxzyzzzwwwpgw ww wwzxxyyzzw ww ww wxyz 2.1.3 湍流附加應(yīng)力的假定湍流附加應(yīng)力的假定各種半經(jīng)驗(yàn)的理論模型 ： 普朗特混合長(zhǎng)度理論 動(dòng)量轉(zhuǎn)移理論 泰勒渦量理論 等效湍流粘性力假設(shè) 普朗特混合長(zhǎng)度理論 ()xwyl y+l 2w 1w y y-l x ()xwyl ( )xwy 通過(guò)單位橫向面積的 流體質(zhì)量應(yīng)為yw 橫向轉(zhuǎn)移的動(dòng)量為()yxww 經(jīng)時(shí)均化

24、處理后yxw w 湍流湍流切應(yīng)力由流體微團(tuán)速度脈動(dòng)切應(yīng)力由流體微團(tuán)速度脈動(dòng)wy 引起的在引起的在 l 范圍內(nèi)范圍內(nèi)橫向動(dòng)量轉(zhuǎn)移來(lái)確定的橫向動(dòng)量轉(zhuǎn)移來(lái)確定的。 在在混合長(zhǎng)度范圍混合長(zhǎng)度范圍內(nèi)內(nèi)wx wy wz 是是同一個(gè)數(shù)量級(jí)，則同一個(gè)數(shù)量級(jí)，則121(|) |2xwwww 1()( )xxxdwwwylwyldy2( )()xxxdwwwywylldyxxyzdwwlwwdy 湍流湍流附加附加切切應(yīng)力應(yīng)力l的的物理意義：物理意義：因速度脈動(dòng)，引起流體任兩層之間的平均速度差w正好等于縱向速度脈動(dòng)wx時(shí)，該距離稱混合長(zhǎng)度l。22xtxydww wldy 歸納歸納：n（1）湍流切應(yīng)力n（2）當(dāng)?shù)牡胤?/p>

25、，湍流切應(yīng)力= 0n（3）除壁面附近的流動(dòng)外，出現(xiàn)湍流切應(yīng)力最大值的地方，速度梯度也最大。n（4）切應(yīng)力的正負(fù)符號(hào)與速度梯度 的相同。2xdwdy0 xdwdyxdwdy泰勒渦量理論 湍流切應(yīng)力t 是由于渦量橫向轉(zhuǎn)移所引起的 泰勒渦量理論推導(dǎo)出的湍流切應(yīng)力的計(jì)算式 它與普朗特混合長(zhǎng)度理論的計(jì)算式完全一致的。只不過(guò)泰勒理論中的某一橫向尺寸lt 是普朗特混合長(zhǎng)度l 的 倍，即 1d22()2dwxltty22tll等效湍流粘性力假設(shè) Bossinesq假定湍流附加切應(yīng)力也正比于平均的橫向速度梯度，并引進(jìn)等效湍流粘度t和t 與普朗特混合長(zhǎng)度理論比較 湍流附加應(yīng)力項(xiàng)用等效湍流粘性力來(lái)表示 xxyxtt

26、dwdww wdydy 2xtxdwll wdy 22222()()222w www wwwwx yxxxxx zwxttxyzxyz 用等效湍流粘性力代替湍流附加應(yīng)力得：222222()()()xyxxxxxxzxtw wwwww ww wpgxxyzxyz 是流體的物性，一般為常數(shù)，雖流體種類和溫度T而改變。 t 不是流體物性參數(shù)，而是湍流附加應(yīng)力參數(shù) 。 t = f (Re, x, y, z, 粗糙度) 一般t 通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。2.2 動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的比擬動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞的比擬2.2.1 分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散及湍流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散2.2.2 熱量交換和質(zhì)量交換的比擬2.2.1 分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散及湍流

27、運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散及湍流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散 當(dāng)ReRelj ，流體間的相互作用和混合主要靠分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，又稱內(nèi)遷移現(xiàn)象。 按分子運(yùn)動(dòng)論P(yáng)r1()pac 1ScD1aLeD分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的“三傳”引起的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布規(guī)律一樣三者服從同一個(gè)規(guī)律13aDl w層流 ReRelj時(shí)，湍流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散11Retxvvl充分湍流，分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散可忽略 引入湍流t，at，Dt，和Prt，Sct，Let來(lái)反映其“三傳”。湍流的動(dòng)量，熱量和質(zhì)量擴(kuò)散均源于脈動(dòng)和漩渦，可近似為: Dt t at= lw， Prt Sct Let 1 (1) 與 均小于1，說(shuō)明：動(dòng)量交換過(guò)程不如熱量和質(zhì)量交換更強(qiáng)烈，溫度和濃度混合邊界層

28、比速度邊界層發(fā)展得快。 (2) 由于Let=a/D1，說(shuō)明：溫度和濃度邊界層的發(fā)展十分相近，可以用傳熱過(guò)程的基本規(guī)律近似描寫(xiě)質(zhì)量交換（熱、質(zhì)傳遞的可比擬性）Pr0.75,0.70.75ttScaD10.9taLeDPrtatScD“三傳三傳”基本規(guī)律的數(shù)學(xué)描述基本規(guī)律的數(shù)學(xué)描述 ddwyddPTCyddCy傳遞通量G“三傳”的特征參數(shù)K，m2/s“三傳”的傳遞動(dòng)力Y動(dòng)力源性質(zhì)單位動(dòng)量傳遞N / m2運(yùn)動(dòng)粘度速度差w熱量傳遞W / m2 或J / (m2 s)熱擴(kuò)散率a溫度差T質(zhì)量傳遞kg / (m2 s) 或mol / (m2 s)擴(kuò)散系數(shù)D濃度差C“三傳三傳”的可比擬性用如下公式來(lái)描述：的可

29、比擬性用如下公式來(lái)描述：GKY 2.2.2 熱量交換和質(zhì)量交換的比擬熱量交換和質(zhì)量交換的比擬1. 1. 對(duì)流傳質(zhì)的努塞爾數(shù)準(zhǔn)則方程對(duì)流傳質(zhì)的努塞爾數(shù)準(zhǔn)則方程 仿照對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程 寫(xiě)出對(duì)流傳質(zhì)的準(zhǔn)則方程 顆粒近似為小球體，對(duì)流傳質(zhì)的Nuzl準(zhǔn)則方程為： 由純分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散引起的傳質(zhì)，當(dāng)顆粒與氣體間相對(duì)Re很小時(shí)，Nu0 2.0。 Nuf(Re,Pr)LzlzlNuShf(Re,Sc)LD13zl0NuNuRe ScnC13zlNu2Re ScnCSh：舍伍德舍伍德 （Sherwood）數(shù)數(shù)2. 顆粒在靜止空間中對(duì)流傳質(zhì)的特性 或在燃燒學(xué)中的重要意義： 氧氣向顆粒表面的擴(kuò)散與顆粒的粒徑d0成反比

30、。比如：在懸浮燃燒中, 燃料顆粒粒徑愈小,“三傳”愈強(qiáng)烈。 02zlDd0zlNu2zldD熱、質(zhì)傳遞過(guò)程的比擬關(guān)系m TCddTQfxddCmDfrQT f zlmC f NufaLRe,Pr NuShf(Re,Sc)zlzlLD項(xiàng)目熱量傳遞Q質(zhì)量傳遞 名稱公式及單位名稱公式及單位源動(dòng)力溫度差濃度差基本規(guī)律傅里葉導(dǎo)熱定律菲克定律牛頓對(duì)流傳熱對(duì)流傳質(zhì)準(zhǔn)則數(shù)努塞爾數(shù)傳質(zhì)努塞爾數(shù)或舍伍德數(shù)m fm dxdTddCxzlT符號(hào)傳熱量Q = q f， W傳質(zhì)量 ，kg/s或mol/s傳熱通量q =Q / f， W/m2傳質(zhì)通量 ，kg/（m2s）或mol/（m2s）熱導(dǎo)率，W/（m K）質(zhì)量擴(kuò)散率D，

31、m2/s溫度梯度 ，K / m濃度梯度 ，kg/m4或mol/m4放熱系數(shù) ，W/（m2 K）質(zhì)量交換系數(shù) ，m/ s溫度差 ，K濃度差c， kg/m3或mol/m3傳熱面積 f， m2傳質(zhì)面積f， m2接上表接上表2.3 湍流射流中的積分守恒條件湍流射流中的積分守恒條件2.3.1 湍流自由射流的特性2.3.2 平行射流的積分守恒條件2.3.3 自由射流的積分守恒條件2.3.4 “三傳”過(guò)程中普遍適用的二元微分方程組2.3.1 湍流自由射流的特性湍流自由射流的特性 湍流自由射流：一股射流，從噴口射入無(wú)限大空間與周圍靜止流體進(jìn)行湍流混合傳質(zhì)的過(guò)程。流體不與固體壁面接觸，不受固壁的粘性阻滯、粘性力

32、影響的層流底層不存在。1. 湍流自由射流的外形結(jié)構(gòu)特征湍流自由射流的外形結(jié)構(gòu)特征 x 初始段 R 基本段 wzs y R y 擴(kuò) 展 角 2 射流極點(diǎn)射流極點(diǎn)射流外邊界線射流外邊界線（速度為0 ）核心區(qū)核心區(qū)射流內(nèi)邊界射流內(nèi)邊界（速度w1）轉(zhuǎn)折斷面轉(zhuǎn)折斷面射流初始段特點(diǎn)：射流內(nèi)外邊界間的區(qū)域就是湍流混合邊界層R。射流基本段特點(diǎn)：射流中心線上的速度 wzs 隨射流減小?；径蔚乃俣确植汲蓡畏逍危谕膺吔绾洼S心線處的速度梯度 混合邊界層厚度R 對(duì)基本段， , a 和 是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)整理 對(duì)初始段，湍流自由射流的無(wú)量綱射程距離 d0dwy0tan()tanRxxxRx 000000()0.290

33、.41a shaxasRRRaxasbb對(duì) 圓形噴口平面 噴對(duì) 口2 表示周圍介質(zhì) zs 表示軸線上2. 湍流自由射流的基本特性 自由射流中任意斷面上 壓力梯度很小，可認(rèn)為自由射流內(nèi)部的壓力p是不變的，處處相等，且等于周圍介質(zhì)的壓力p0，即p = p0。 3.湍流自由射流的自?；卣?即斷面上的速度、溫度、濃度等參數(shù)分布的相似性。 ( 0)xyxwwww，1.51 ()zszszswTCywTCR 2TTT2zszsTTT2CCC2zszsCCC2.3.2 平行射流的積分守恒條件平行射流的積分守恒條件1.不等溫伴隨流射流的不等溫伴隨流射流的動(dòng)量差動(dòng)量差積分守恒條件積分守恒條件2.小溫差不等溫伴

34、隨流射流小溫差不等溫伴隨流射流焓差焓差及及濃度差濃度差積分守恒條件積分守恒條件 平行射流平行射流( )11211120001()d()()2R bkkkkw wwyyw ww Rb或常數(shù)( )11211120001()()()2R bkkkkw iiy dyw iiRb或常數(shù)( )11211120001()d()()2R bkkkkw CCyyw CC Rb或常數(shù)i1、i2、i，C1、C2、C分別為斷面1-4、周圍介質(zhì)及射流任意斷面上的焓和濃度。3. 等溫伴隨流射流的積分守恒條件 對(duì)等溫伴隨流射流 = 1 = 2 = 常數(shù) 。 動(dòng)量差積分守恒條件 焓差和濃度差積分守恒條件 ( )1121120

35、001()d()()2R bkkkkw wwyyw ww Rb或常數(shù)( )1121120001()d()()2R bkkkkw iiyyw ii Rb或常數(shù)( )1121120001()d()()2R bkkkkw CCyyw CC Rb或常數(shù)2.3.3 自由射流的積分守恒條件自由射流的積分守恒條件 不等溫自由射流， 1 2 常數(shù)，w2 = 0。 等溫自由射流 = 1 = 2 = 常數(shù)，w2=0 軸對(duì)稱射流：k = 1, 噴口半徑及邊界層厚度分別為R0和R； 平面射流：k = 0, 噴口半高度和邊界層厚度分別為b0和b。 ()2211110001d()2Rbkkkkw yyw Rb或或常數(shù)()

36、221110001d()2Rbkkkkw yyw Rb或或常數(shù)2.3.4 “三傳三傳”過(guò)程中普遍適用的二元微分方程組過(guò)程中普遍適用的二元微分方程組1()()1()()1()()()()0kxxxxytkkxytkkxytkkkxywwwwwyxyyyyiiiwwyaxyyyyCCCwwyDxyyyyw yw yxy t 湍流運(yùn)動(dòng)粘度， at 湍流熱擴(kuò)散率， at = t / Prt Dt 湍流擴(kuò)散系數(shù)， Dt = t / Sct對(duì)于伴隨流射流，邊界條件邊界條件為 當(dāng) y = 0，w = wzs，i = izs 及C = Czs 當(dāng) y = R (或b)時(shí)，w = w2，i = i2 及C =

37、C2 0wyd0diy0Cy0wyd0diy0Cy2.4 湍流自由射流中的混合與傳質(zhì)湍流自由射流中的混合與傳質(zhì) 2.4.1 湍流自由射流軸心線上參數(shù)的變化規(guī)律 2.4.2 大溫差不等溫自由射流的湍流混合與傳質(zhì) 2.4.3 射流本身因燃燒而升溫時(shí)的混合與傳質(zhì) 2.4.4 氣-固(液)兩相射流中的混合與傳質(zhì) 2.4.1 湍流自由射流軸心線上參數(shù)的變化規(guī)律湍流自由射流軸心線上參數(shù)的變化規(guī)律1. 軸對(duì)稱射流軸心線上動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換的變化規(guī)律(1) 沿射流方向x(或s)的變化規(guī)律 對(duì)軸對(duì)稱噴口， 推論：當(dāng)s = s0或x = x0時(shí)，wzs = w1對(duì)射流核心區(qū)的內(nèi)夾角 , 對(duì)普通圓形直噴口，a =

38、 0.076 103.3zswwaxR3.4000.29axasRR1000.960.960.29zswaswaxRR000.960.290.67asR00tan0.67Ras26.5(2) 射流軸心線上 和 的變化規(guī)律 2. 平面射流軸心線上動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換的變化規(guī)律1zsTT1zsCC11000.700.70()0.29zszsTCaxasTCRR1001zswwaxasbb11001.0321.0320.41zszsTCTCaxasbbb0為平面噴口的半高度 3.湍流射流基本段各斷面上的卷吸特性 (1) 軸對(duì)稱等溫射流基本段任一斷面上的體積流量Q的變化規(guī)律 討論

39、：湍流軸對(duì)稱射流轉(zhuǎn)折面上Q / Q1 = 2.13。也就是說(shuō)從射流噴口到轉(zhuǎn)折面上，射流卷吸周圍介質(zhì)的體積流量是出口流量的1.13倍。在射流基本段上，任一斷面上Q / Q1與無(wú)量綱距離ax / R0成正比。對(duì)等溫同密度的介質(zhì)，Q / Q1等于無(wú)量綱質(zhì)量流量m / m1。對(duì)不等溫軸對(duì)稱射流（射流密度1 周圍介質(zhì)密度2 混合后的密度）基本段卷吸后11002.15()2.22()2.22(0.29)zswQaxasQwRR211012.22(0.29) 1 masmR (2) 軸對(duì)稱射流基本段任一斷面上的面積平均速度和質(zhì)量平均速度 定義：任一斷面上的體積流量Q 除以該斷面的面積 f 為面積平均速度 。

40、定義：任一斷面上的動(dòng)量M 除以該斷面的質(zhì)量流量 m 為質(zhì)量 (流量) 平均速度 。(3) 平面噴口等溫射流基本段任一斷面上體積流量Q的變化規(guī)律mww1001QaxasQbb0.2zsww0.48mzsww討論：平面射流在轉(zhuǎn)折面上 。 初始段卷吸0.42Q1。平面射流基本段上 。對(duì)等溫同密度介質(zhì)，對(duì)不等溫軸對(duì)稱射流 (4) 平面噴口等溫射流基本段的面積平均速度和質(zhì)量平均速度 22110101(1.181)1(1.180.41 1)maxasmbb 0.41zsww0.7mzsww10QaxQb11mQmQ11.42QQ4. 湍流自由射流中的其他特性 1.51(zszszsw

41、TCywTCRb 或 ）000()ahRb或000()asRb或1zsww000.960.960.29asaxRR001axasbb物理量軸對(duì)稱射流平面射流無(wú)量綱斷面速度分布相似性射流半擴(kuò)展角 tanaR / x = 3.4ab / x = 2.4a射流核心區(qū)半角 tan1.49a0.97a 極點(diǎn)深度0.290.41 核心區(qū)長(zhǎng)度0.671.03 無(wú)量綱軸心線速度11zszsTCTC000.700.700.29asaxRR001.0321.0320.41axasbb00()()RbRb或或13.3zsww213.46zsww102.132.92zswaxwR101.421.

42、18zswaxwbw0.20zsw0.41zswmw0.70zsw1QQ0.47zsw 無(wú)量綱軸心線剩余溫度和濃度 無(wú)量綱外邊界 無(wú)量綱斷面流量 面積平均速度 質(zhì)量平均速度 湍流結(jié)構(gòu)系數(shù) a0.066 0.0760.108 0.118接上表接上表n焓差守恒n n剩余濃度的變化n，無(wú)量綱速度、溫差、濃度差衰減加快，射程2.4.2 大溫差不等溫自由射流的湍流混合與傳質(zhì)大溫差不等溫自由射流的湍流混合與傳質(zhì)0.00.81.00123450axR1zsww 增大= =5=1=0.5=0.2 =0.10.00.81.00123451zsCC1zsTT0axR 增大= =

43、5=1=0.5=0.2 =0.1或1101 0.535(1)0.96zszswwwaxwR111zszszsCTwBCTw2.4.3 射流本身因燃燒而升溫時(shí)的混合與傳質(zhì)射流本身因燃燒而升溫時(shí)的混合與傳質(zhì)010000.960.53511zszswwTaxRwTw110010.701 0.7351zszsTTTaxRTTT110010.701 0.7351zszsCCTaxRCTC 1 2.4.4 氣氣-固固(液液)兩相射流中的混合與傳質(zhì)兩相射流中的混合與傳質(zhì)1. 兩相射流軸心線上無(wú)量綱速度和濃度的變化規(guī)律 2. Czs= Clr (理論燃盡燃料濃度） 該斷面理論上完全燃燒 該斷面到射流極點(diǎn)的無(wú)量

44、綱距離稱為理論燃盡火焰長(zhǎng)度3. 兩相射流任意斷面上1.5zsmCC110lrlrlr10.7010.77CCaxRCC2.5 旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì) 2.5.1 旋轉(zhuǎn)射流的特性 2.5.2 旋流強(qiáng)度及旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)型式 2.5.3 各種旋流器旋流強(qiáng)度的計(jì)算 2.5.4 旋轉(zhuǎn)射流的一些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果介紹 2.5.1 旋轉(zhuǎn)射流的特性旋轉(zhuǎn)射流的特性 旋轉(zhuǎn)射流：一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)旋轉(zhuǎn)射流：一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn), 混合混合+傳質(zhì)。傳質(zhì)。速度分布射流斷面上分成兩部分： 射流內(nèi)部射流內(nèi)部有旋運(yùn)動(dòng) r0， w0 rr1， w w1 外側(cè)部分外側(cè)部分無(wú)旋運(yùn)動(dòng) rr1， w w1 r， w01.0n

45、wr1.5 2.0nwr常數(shù) 1.5 2.0nwr常數(shù)1.0nwwrr1w1r1 rw 自由旋轉(zhuǎn)區(qū) 核心區(qū)（剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)） 自由旋轉(zhuǎn)區(qū)壓力分布 研究外側(cè)部分研究外側(cè)部分勢(shì)流旋轉(zhuǎn)區(qū)勢(shì)流旋轉(zhuǎn)區(qū) 按伯努利方程：外邊壁 p=任意點(diǎn) w r = w1 r1 =常數(shù)把任意點(diǎn)的 代入上式得任意點(diǎn)的壓力 顯然分界處顯然分界處r=r1 結(jié)論：結(jié)論：分界處的壓力pr1比大氣低半徑壓力切向速度任意點(diǎn)rpw分界處r1Pr1w1外邊界Rpw=0212pw11rwwr221112rppwr21112rppw2112wwr常數(shù) 徑向壓力分布： 軸向壓力分布： 在確定的速度環(huán)量 =2Rw下20122rppw 12112r rp

46、pw12xppw2221228tanxpppRx徑向和軸向反壓力梯度的建立，形成負(fù)壓區(qū)，周圍介質(zhì) 逆于射流軸線運(yùn)動(dòng)-回流（內(nèi)卷吸） 逆于射流半徑運(yùn)動(dòng)-外卷吸 12112r rppw 20122rppw 自由旋轉(zhuǎn)區(qū)r1w1r1 r 壓力分布 核心區(qū)（剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)） 自由旋轉(zhuǎn)區(qū) 研究中心部分研究中心部分準(zhǔn)剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)準(zhǔn)剛體旋轉(zhuǎn)區(qū) 徑向壓力梯度dp/dr = 慣性離心力 = 積分得：當(dāng)r=r1時(shí)，又 22wrr2212prc+積分常數(shù)2221111122rprcwc221111122rppwwc2112()2cpw22111222pwpw n核心區(qū)核心區(qū) 210,002rww21122ppw r=02.

47、5.2 旋流強(qiáng)度及旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)型式旋流強(qiáng)度及旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)型式1、軸向通量（旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩）、軸向通量（旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩）G和軸向動(dòng)量和軸向動(dòng)量 Gx 均遵守守均遵守守恒條件恒條件：0(2)RxGwrdr wrconst 00(2)2RRxxxGwrdr wprdrconst2、旋流旋流強(qiáng)度（旋流數(shù)）強(qiáng)度（旋流數(shù)），反映旋流射流的強(qiáng)弱程度，反映旋流射流的強(qiáng)弱程度 R為定性尺寸，一般取射流出口半徑 d0/2 (R0)可用噴口處平均的w和wx計(jì)算。w /wx反映了旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱。xGGR 3、不同旋流強(qiáng)度下，旋流射流有兩種基本的流動(dòng)型式：閉合閉合 飛邊飛邊 閉合型氣流閉合型氣流 ：n 很小時(shí)，沒(méi)有回流區(qū)。n 回

48、流區(qū)，s /d0 2.03.0處，回流區(qū)消失。飛邊型氣流：飛邊型氣流：n 再，外卷吸繼續(xù)。n 若外側(cè)補(bǔ)氣不足補(bǔ)氣不足，在外側(cè)形成局部低壓區(qū)局部低壓區(qū)，造成氣流貼墻貼墻。（煤粉燃燒中造成燃燒工況惡化和爐墻結(jié)渣） 2.5.3 各種旋流器旋流強(qiáng)度的計(jì)算各種旋流器旋流強(qiáng)度的計(jì)算 切向葉片式旋流器 葉片傾角，葉片寬度B，氣流出口直徑d0 ，葉片出口的直徑d1 旋流強(qiáng)度。 但，B 旋流器的流動(dòng)阻力。 軸向葉片式旋流器01sin1.571d dn B 412222121 ()1tan2(1) 1 ()xGR RGRR R 為為阻塞系數(shù)阻塞系數(shù)2 為葉片外邊緣（半徑R2）處的安裝角2.5.4 旋轉(zhuǎn)射流的一些實(shí)

49、驗(yàn)研究結(jié)果介紹旋轉(zhuǎn)射流的一些實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果介紹 弱旋轉(zhuǎn)射流： 0.6回流區(qū)不明顯實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng) 0.6 時(shí)，在s/d00.6出現(xiàn)雙峰分布。921 6K 強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流： 0.6 最大特征，出現(xiàn)中心回流區(qū)中心回流區(qū) 速度和壓力都按1/xk衰減即： w1/xk；其中w包括軸向、切向、徑向速度； p1/xk 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：軸向徑向切向壓力pkk124 噴口形狀的影響 回流量回流區(qū)尺寸擴(kuò)口半張角長(zhǎng)度l/d0無(wú)擴(kuò)口小小00有擴(kuò)口大大35度12x/d 無(wú) 擴(kuò) 散 段 x/d 有 擴(kuò) 散 段 無(wú)擴(kuò)口的噴口無(wú)擴(kuò)口的噴口 有擴(kuò)口的噴口有擴(kuò)口的噴口 2.6 鈍體射流中的混合與傳質(zhì)鈍體射流中的混合與傳質(zhì) 2.6.1 鈍體射流的

50、流動(dòng)結(jié)構(gòu) 2.6.2 鈍體射流的流動(dòng)特性 2.6.1 鈍體射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)鈍體射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu) 流體經(jīng)過(guò)非流線型非流線型物體時(shí)，在下游的減速擴(kuò)壓流動(dòng)中，由于反壓力梯反壓力梯度度的作用，引起邊界脫邊界脫離離而形成負(fù)壓，造成回回流旋渦區(qū)流旋渦區(qū)。 主流區(qū)與回流區(qū)間有強(qiáng)烈的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的交換。D d 2 3 4 1 R0 R1 a b c 最大速度線，在此線上0dwdr 零速度線 2.6.2 鈍體射流的流動(dòng)特性鈍體射流的流動(dòng)特性1 1. .鈍體射流流動(dòng)的特征參數(shù)鈍體射流流動(dòng)的特征參數(shù) 軸向總質(zhì)量流量 回流區(qū)軸向回流質(zhì)量流量 零速度線的徑向坐標(biāo)射流出口的初始質(zhì)量流量 鈍體的阻塞率外邊界對(duì)周圍介質(zhì)的卷吸

51、量回流質(zhì)量流率 k可以看作回流強(qiáng)度的尺度。 102dRmqwr r002dRmhqwr r01F(1)mqw A10mmmqqq0mhmqkq0R2. 鈍體幾何參數(shù)對(duì)平均流動(dòng)特性的影響 鈍體張角2的影響 回流區(qū)H，L，k 阻塞率的影響 k，L/d 增大鈍體張角和阻塞率有利于燃料著火和燃燒穩(wěn)定性，但同時(shí)會(huì)顯著增大流動(dòng)阻力。（綜合優(yōu)化） 2.7 平行與相交射流中的混合與傳質(zhì)平行與相交射流中的混合與傳質(zhì) 2.7.1 混合與傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件 2.7.2 平行射流 2.7.3 相交射流 2.7.4 橫向射流 2.7.1 混合與傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件混合與傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上射流組， 軸線平行

52、平行射流平行射流 軸線成一定角度相交相交射流相交射流 交角為180度反向射流反向射流。1. 平行射流平行射流混合和傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件混合和傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件 用兩股射流混合邊界層上平均速度梯度平均速度梯度來(lái)反映它們的“三傳”強(qiáng)弱。 混合長(zhǎng)度l/邊界層厚度R=常數(shù)。 所以湍流切應(yīng)力湍流切應(yīng)力 12wwdwdyR2222211111111222222222d()()()2dwwwlkwwkwyww兩股平行射流平行射流湍流混合的強(qiáng)弱混合的強(qiáng)弱決定于： 動(dòng)壓比動(dòng)壓比 湍流擴(kuò)散的動(dòng)力來(lái)源 動(dòng)壓比時(shí)，湍流混合，混合邊界層偏于動(dòng)壓小的一側(cè)。 動(dòng)壓比1時(shí)，湍流混合。 射流自身動(dòng)壓射流自身動(dòng)壓 射流內(nèi)部進(jìn)行三傳

53、的動(dòng)力源, 維持射流內(nèi)部的小尺度湍動(dòng)。 系數(shù)系數(shù)k射流流經(jīng)噴口后的湍動(dòng)度的反映 211222ww222w2. 相交射流混合和傳質(zhì)的動(dòng)力參數(shù)條件 相交射流在各自慣性力慣性力作用下相互碰撞和混合，這個(gè)慣性力比湍流切應(yīng)力要大數(shù)百倍。 原因：原因： 射流等值核心區(qū)等值核心區(qū)被強(qiáng)烈破壞。破壞。 射流變形變形，混合邊界層很快波及到射流軸心線區(qū)。 兩股射流合成一股射流，具有最大的相對(duì)周界長(zhǎng)度最大的相對(duì)周界長(zhǎng)度。 結(jié)論：結(jié)論：決定相交射流混合過(guò)程的是 慣性力的比值慣性力的比值 初始慣性力初始慣性力21 112222w fMw f2w f2.7.2 平行射流平行射流1.平行射流平行射流相鄰區(qū)域相鄰區(qū)域湍流混合邊

54、界層厚度湍流混合邊界層厚度b同向平行射流同向平行射流反向平行射流反向平行射流 2.平面平行射流平面平行射流各自側(cè)各自側(cè)的混合邊界層厚度的混合邊界層厚度b1和和b2 假設(shè)：假設(shè)：（1）混合邊界層厚度 b =b1 - b2 以外的區(qū)域，流體參數(shù)都是常數(shù)； （2）兩股平行射流為不可壓縮同類同溫流體。 10.271bmxm m為速度比x為軸向距離0.27bx2122221 1.051.520.371 0.640.761 0.40.310.631 0.640.76bmmbmmbmmbmm 3. 平面伴隨流射流混合邊界層厚度b和b1、b2 伴隨流射流混合邊界層發(fā)展規(guī)律與平面平行射流有所不同。主射流與伴隨流

55、之間的湍流混合發(fā)生在主射流的上、下兩側(cè)對(duì)稱的邊界層中。2110.5840.134bbmbb 2.7.3 相交射流相交射流1. 相交射流匯合流的結(jié)構(gòu)特征相交射流匯合流的結(jié)構(gòu)特征 (1) 在相交射流的交角平面內(nèi)，射流整體收縮、壓扁，成橢圓形斷面。形成新的匯合流后又逐漸發(fā)展成軸對(duì)稱的圓形斷面。(2) 交角，匯合流的收縮，在一定的軸向距離x范圍內(nèi)，匯合流不存在自由射流所有的直線外邊界線。 匯合流的變形程度匯合流的變形程度，常使用主變形率主變形率來(lái)表征 ，是匯合流橫斷面尺寸的增量與其初始噴口尺寸的比值。 1xbdd(3) 根據(jù)的變化情況，相交射流的流動(dòng)可分為三個(gè)區(qū)段初始段初始段：從噴口出口斷面到兩射流內(nèi)

56、側(cè)相鄰的外邊界線相交為止。 = 0，射流不變形。一般很短。過(guò)渡段過(guò)渡段：從初始段終端到=常數(shù)時(shí)為止。是相交射流中射流斷面變形最大的區(qū)域，也是混合最強(qiáng)烈的區(qū)域。主要段主要段：從射流過(guò)渡段的終端開(kāi)始。 = 不變值不變值，標(biāo)志著兩股相交射流已經(jīng)完成了混合，匯合成一股新的自由射流。 2. 相交射流主變形率的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果介紹 (1) 噴口直徑d1 = d2 ，出口動(dòng)量全相同(2) 噴口直徑d1 = d2 ，不同動(dòng)量M (= M2/ M 1)，不同交角 一定時(shí)一定時(shí) M2 (即M)，湍流混合。M = 1時(shí)時(shí)max。 M一定時(shí)一定時(shí) (2030)，湍流混合。 (3) 噴口直徑d1 d2 ，出口動(dòng)量相等 其流

57、動(dòng)結(jié)構(gòu)流動(dòng)結(jié)構(gòu)與d1 = d2時(shí)一樣一樣 但 對(duì)湍流混合的影響對(duì)湍流混合的影響比等直徑、等動(dòng)量時(shí)弱弱。011expkxd3. 相交射流匯合流的運(yùn)動(dòng)方向及速度衰減 (1) 等直徑噴口等直徑噴口相交射流運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向的確定 按平行四邊形法則平行四邊形法則，匯合流偏離主射流的偏角(2) 不等直徑噴口不等直徑噴口相交射流運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向的確定 d2/d1 1.5時(shí)，可以不作修正。d2/d11.5時(shí)，用有效動(dòng)量Myx代替M1，即 2215222MM1yxMM wZS/w1 1/xd (3) 相交射流匯合流在運(yùn)動(dòng)方向軸心線運(yùn)動(dòng)方向軸心線上的速度速度衰減衰減 速度衰減，混合，射程。 x/d1 25時(shí)，各種

58、工況下的 都很接近了。 1zsww1-自由射流2- = 103-= 204- =305- = 402zsww 2zsww h/d0 h/d0 2.7.4 橫向射流橫向射流1. 橫向射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)橫向射流的流動(dòng)結(jié)構(gòu) 近似于繞流圓柱體繞流圓柱體的情況。2. 橫向射流的速度衰減橫向射流的速度衰減 按右上圖的流動(dòng)結(jié)構(gòu)得到的 隨 的衰減變化曲線。 1221zszswwwwww0hd a) T2/T1=1 b) T2/T1=21- w2=0 2- w2/w1=20 2- w2/w1=10 2- w2/w1=53. 橫向射流的射入深度及運(yùn)動(dòng)軌跡 (1) 橫向射入深度橫向射入深度的確定 “最小溫度法”定義 “

59、最大速度法”定義(2) 橫向射流運(yùn)動(dòng)軌跡橫向射流運(yùn)動(dòng)軌跡方程式 軸對(duì)稱圓形噴口 平面縫形噴口12()(1)jjvvMhMkkqbq22201()()whkdw31.32120200()195tan 90()waxayaydwdd2.52120200()1.9tan 90()waxayaydwbbd0 橫向射流噴口的定性尺寸。對(duì)軸對(duì)稱噴口或方形、長(zhǎng)寬比不大的矩形噴口，d0為當(dāng)量直徑；對(duì)平面縫形噴口，d0為縫隙的半寬度b0 k實(shí)驗(yàn)常數(shù) 105第三章第三章 著火理論著火理論 第一節(jié) 著火的基本概念第二節(jié) 熱自燃理論第三節(jié) 鏈鎖自燃理論第四節(jié) 強(qiáng)迫點(diǎn)燃理論第五節(jié) 燃燒熱工況106燃燒過(guò)程是發(fā)光放熱的化

60、學(xué)反應(yīng)過(guò)程，存在兩個(gè)最基本的階段：著火階段、著火后燃燒階段。反應(yīng)的引發(fā)劇烈反應(yīng)的加速過(guò)程燃燒階段著火階段（孕育期）1073.1 著火的基本概念著火的基本概念著火的定義：著火的定義：燃料和氧化劑混合后，由無(wú)化學(xué)反應(yīng)、燃料和氧化劑混合后，由無(wú)化學(xué)反應(yīng)、緩慢的化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強(qiáng)烈放熱狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，緩慢的化學(xué)反應(yīng)向穩(wěn)定的強(qiáng)烈放熱狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，最終在某個(gè)最終在某個(gè)瞬間、空間瞬間、空間中某個(gè)中某個(gè)部分出現(xiàn)火焰。部分出現(xiàn)火焰。一、著火過(guò)程一、著火過(guò)程著火過(guò)程著火過(guò)程：是化學(xué)反應(yīng)的速度出現(xiàn)躍變的臨界過(guò)程，是化學(xué)反應(yīng)的速度出現(xiàn)躍變的臨界過(guò)程，即化學(xué)反應(yīng)從低速狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)加速到極高速的即化學(xué)反應(yīng)從低速狀態(tài)在