第六章氣體射流與擴散燃燒

第六章氣體射流和擴散燃燒劉雪玲天津大學(xué)熱能工程系射流概念及分類射流形式：直流射流旋轉(zhuǎn)射流工程中常見的射流形式圓孔自由射流環(huán)狀射流同軸射流平行射流旋轉(zhuǎn)射流交叉射流逆向射流受限射流2射流：氣體從噴孔、管嘴或條縫向外噴射形成氣流，進入燃燒室。燃燒器分類：預(yù)混燃燒器擴散燃燒器（非預(yù)混）部分預(yù)混器射流燃燒（擴散燃燒）擴散燃燒的特點燃氣空氣發(fā)生在燃氣、空氣的交界面上燃料空氣燃燒室混合臨界著火濃度燃燒火焰形式射流形式?jīng)Q定擴散火焰比預(yù)混火焰更長、更光亮一次空氣系數(shù)對射流燃燒的影響α1>1：動力火焰0<α1<1：內(nèi)層動力火焰，外層擴散火焰燃燒速度最慢、焰長度最長α1＝0：擴散火焰擴散燃燒分析模型模型：穩(wěn)態(tài)、絕熱流動模型T、CkC＝0T0、C0T、Ck擴散燃燒室模型初始燃料濃度C0，溫度T0火焰面α＝1，濃度C＝0，燃燒室平均燃料濃度Ck燃料停留時間τ1燃料向火焰面擴散時間τ3擴散燃燒模型分析燃燒室內(nèi)燃料的平均擴散速度燃燒室內(nèi)燃料的平均燃燒速度擴散燃燒分析模型無量綱發(fā)熱率（燃燒完全系數(shù)）無量綱內(nèi)部換熱率φ2無量綱溫度擴散燃燒分析模型穩(wěn)定工況φ1＝φ2＝φq↑τ↑φ2φ1φθ擴散燃燒室的φ－θ擴散燃燒分析提高擴散燃燒穩(wěn)定工作點的溫度水平關(guān)鍵：提高完全燃燒系數(shù)加強擴散混合的強度減少混合擴散時間增加燃料停留時間旋轉(zhuǎn)射流燃燒分區(qū)分段燃燒橫截面大的燃燒室減小流速回流區(qū)或環(huán)流區(qū)燃料性質(zhì)與初始濃度一定層流射流燃燒和湍流射流燃燒層流擴散－質(zhì)量擴散以分子擴散的方式實現(xiàn)射流燃燒（擴散燃燒）燃料、空氣混合湍流擴散－質(zhì)量擴散不但以分子擴散的方式實現(xiàn)，也依靠氣團的無規(guī)則脈動（對流擴散）實現(xiàn)的。質(zhì)量擴散作用流出速度(雷諾數(shù))對擴散火焰的影響層流區(qū)過渡區(qū)湍流區(qū)噴孔流出速度u0火焰的長度12擴散火焰的結(jié)構(gòu)（濃度分布）射流核心:射流核心內(nèi)為燃料氣體，核心內(nèi)速度、濃度與出口相同外邊界:外邊界外為空氣，燃料濃度為0內(nèi)、外邊界之間:具有一定濃度的燃料氣擴散火焰的結(jié)構(gòu)（濃度分布）CF:內(nèi)邊界最大,火焰面最小CO2:外邊界以外最大,火焰面最小Cp:火焰面最大,核心區(qū)為0CN2:外邊界以外最大,內(nèi)邊界面最小A-A截面擴散火焰的結(jié)構(gòu)濃度分布擴散火焰的焰形和長度α>1火焰面外移α＝1火焰面最穩(wěn)定α<1火焰面向軸心遷移有必要研究射流擴散混合過程的濃度分布規(guī)律圓形自由射流的結(jié)構(gòu)特征三個特征分區(qū)射流初始段射流自?；紊淞鬟^渡段O-C-O射流核心，核心內(nèi)速度、濃度與出口相同xp=(3.2~6.2)兩個區(qū)間的過渡段，無因次參數(shù)與x/d0無關(guān)射流主體段：過渡段＋自模段射流擴散混合邊界層：初始段的射流核心～射流外邊界區(qū)域xT>(8~10)d0,無因次參數(shù)與x/d0無關(guān)圓形自由射流速度和流量的變化M-射流的極點X小，截面小，u分布陡峭X大，截面大，u分布平緩X↑，u平均值↓u/um∝r/r0.5u/umx=0.6mx=0.8mx=1.0mx=1.2mx=1.6m圓形自由射流速度的變化圓形自由射流無因次速度函數(shù)平面自由射流無因次速度函數(shù)圓形和平面自由射流無因次速度圓形自由射流無因次關(guān)系圓形自由射流速度和流量的變化平面射流的無因次關(guān)系圓形射流的守恒方程組及通解（1）基本守恒方程連續(xù)方程動量守恒方程質(zhì)量組分守恒方程能量守恒方程圓形射流的守恒方程組及通解（2）定常自由射流的通用守恒方程：通用無因次參量ψ和通用擴散系數(shù)β的含義在速度場在溫度場在濃度場圓形射流的守恒方程組及通解（3）在射流軸心線上（r=0,0≤x≤∞）在噴口的端面上(x=0,0≤r≤d0/2)在外邊界限以外（r≥R，0≤x≤∞）邊界條件和物理條件圓形射流的守恒方程組及通解（4）在遠離噴口的截面上無因次參數(shù)的相似解邊界條件和物理條件圓形射流的守恒方程組及通解對湍流圓形自由射流對層流圓形自由射流圓形射流的守恒方程組及通解湍流圓形自由射流的速度、溫度和濃度分布無因次參數(shù)ψr=0，軸心線上的關(guān)系衰減分布規(guī)律u,T,C在噴口處最大X↑u,T,C↓圓形射流的守恒方程組及通解層流圓形自由射流的速度、溫度和濃度無因次參數(shù)ψr=0，軸心線上的關(guān)系湍流圓形射流在軸心線上的燃料濃度CF,m=f(x/d0)層流圓形射流在軸心線上的燃料濃度CF,m=f(x/d0，Re0)CFm＝C化學(xué)恰當(dāng)比，火焰面湍流射流的擴散火焰長度噴口流出流量：軸向距離s處截面流量：等溫，常密度和湍流條件下Re0>2.5×104x/d0>6整個過程動量守恒純?nèi)剂腺|(zhì)量流量mF(m0)—＝S面上凈卷吸的質(zhì)量流量mAS面上的流體的質(zhì)量流量mS湍流射流的擴散火焰長度當(dāng)量直徑修正等溫，常密度和湍流條件下，卷吸質(zhì)量：不等溫條件下卷吸質(zhì)量：湍流射流的擴散火焰長度擴散火焰面穩(wěn)定在α＝1的位置，CF＝CFmst令（理論空氣量）湍流火焰長度lT非等溫引射過程氣體燃料湍流射流的擴散火焰長度經(jīng)驗公式謝米金和岡瑟經(jīng)驗公式層流射流的擴散火焰長度經(jīng)驗公式層流自由射流擴散火焰長度lL=f(L0,d0,Re0)層流圓形射流：lL=f(L0/v,VF,O)燃料種類確定：lL=f(VF,O)作業(yè)2：圓形噴口向大氣噴射出CO氣體射流，噴口直徑d0=65mm，噴射速度u0=1.7m/s，

CO動力粘度為1.748×10-5kg/(m.s)，密度，估算點燃以后噴口軸心線上火焰長度為多少米。湍流擴散火焰長度估算的經(jīng)驗公式浮力起主要作用區(qū)，無因次火焰長度經(jīng)驗公式：動量起主要作用區(qū)，無因次火焰長度經(jīng)驗公式：火焰弗盧得數(shù)（FroudeNumber）：初始射流動量通量與作用在火焰上的力的比。擴散火焰長度估算的經(jīng)驗公式恰當(dāng)比：當(dāng)量直徑：無因次火焰長度：例：已知：丙烷射流火焰的出口直徑為d0=6.17mm，丙烷的質(zhì)量流量和射流出口丙烷密度為：

環(huán)境壓力為1atm，溫度為300K，密度為，燃燒溫度試估算：射流火焰的長度。作業(yè)1：已知：丙烷射流火焰的出口直徑為d0=3.085mm，丙烷的質(zhì)量流量和射流出口丙烷密度為：