《消防燃烧学》第7章_射流混合过程

1回顾第一篇：燃料介绍了燃料的基本性质、分类，以及成分表示方法，不同的成分表示方法的换算第二篇：燃烧计算燃料燃烧时的空气需要量，产物生成量的计算方法（化学反应方程式的质量比、系数比）燃烧温度，发热温度的近似求解过程（内插值近似法）气体分析方程、空气消耗系数和热损失的产物成分计算方法以燃烧的结果作为研究对象，没有考虑燃烧是如何进行的2第三篇燃烧基本原理3第三篇燃烧基本原理一、燃烧的定义《工程燃烧学》--第七章燃烧过程：从混合（扩散）到燃烧反应完成的整个过程所谓燃烧，通常伴有放热、火焰、发光和（或）发烟现象,是可燃物与氧化剂作用发生的氧化反应。燃烧过程是一种复杂的物理过程和化学过程的综合，它既有流动、扩散、混合等物理现象，又有氧化还原反应，并放出光和热的化学现象。燃烧是一种复杂的物理化学过程——三传一反：动量传递（流动）热量传递质量传递（扩散）化学反应4第三篇燃烧基本原理《工程燃烧学》--第七章τ混---表示混合所需要的时间τ热---表示混合后的的可燃物到达开始燃烧反应的温度所需要的时间τ化---表示完成化学反应所需要的时间混热化燃烧过程的进行主要是受化学动力学影响，还是受扩散因素的影响。5第三篇燃烧基本原理（一）基本分类二、燃烧的分类《工程燃烧学》--第七章（1）动力燃烧（动力学因素控制，预混燃烧、爆炸）：混热+化（2）扩散燃烧（受流动、扩散和物理混合因素控制，液体燃料滴/蜡烛/碳粒的燃烧）：混热+化（3）中间燃烧：介乎两者之间6第三篇燃烧基本原理燃烧状态燃烧分类与时间的关系稳态和非稳态与空间的关系一维、二维和三维初始反应物的混合状态预混燃烧和非预混燃烧气体流动状态层流、紊流和过渡燃烧按反应物物态均相和异相燃烧燃烧波的速度缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）按燃料气体、液体和固体燃料燃烧《工程燃烧学》--第七章（二）其他分类7主要内容射流混合过程燃烧反应速度和反应机理着火过程燃烧传播过程异相燃烧火焰的结构及其稳定8第七章射流混合过程实际意义①物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用；例如有焰燃烧。②射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：除固体燃料有时以块状进行燃烧外，其它燃料和氧化剂都是以射流形式送入燃烧空间的。《工程燃烧学》--第七章9第七章射流混合过程《工程燃烧学》--第七章分类：根据射流喷嘴：平面射流与圆形射流根据射流结构：直流射流与旋转射流平行射流与相交射流环形射流与同轴射流根据射流环境：自由射流与受限射流层流射流与湍流射流根据射流流动：主要学习内容：各种射流的定义，射流的形成条件与一般特征。10第一节静止气体中的自由射流第七章射流混合过程《工程燃烧学》--第七章第二节同向平行流中的自由射流第三节交叉射流第四节环状射流和同心射流第五节旋转射流11§7.1静止气体中的自由射流一、自由射流的定义流体由喷嘴流出到一个足够大的空间后，不再受固体边界限制而继续扩散的一种流动。其燃烧装置称为大气烧嘴，例如家用煤气灶。二、自由射流的特点射流气体离开喷口以后，因与外围流体之间有速度差，且有粘性，故产生紊流漩涡层，与外围流体进行动量和质量交换，导致各流动截面上的速度、浓度分布特征发生变化。根据这些特征，沿射流的前进方向，可将射流分为初始段，过渡段和自模段（充分发展段）《工程燃烧学》--第七章12初始段：红色部分为势流核心；核心区内速度、浓度等与出口处相同，长度约4--5d0。§7.1静止气体中的自由射流《工程燃烧学》--第七章μ=1/2μmyy自模段：轴向流速都呈正态相似分布；x/d0＞8-10过渡段：射流截面上轴向速度分布不断变化直至成为正态相似分布13§7.1静止气体中的自由射流根据普朗特混合长度理论，自由射流半宽(y)：轴向um的沿程衰减规律：轴心Cm的沿程衰减规律:自模段特性yconstx00/0.16(/)1.5muuxd00/0.22(/)1.5mCCxd2expumuyKux82~92uK2expcmCyKCx54~57cK《工程燃烧学》--第七章u的分布规律：C的分布规律:μ=1/2μmyy轴向流速和浓度的径向分布都具有相似性：14自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：000exmmmmm§7.1静止气体中的自由射流《工程燃烧学》--第七章三、射流的卷吸及卷吸量的计算射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的卷吸或引射。有射流必有引射。其中me--为卷吸量；mx--为x截面处射流的总质量流量；m0--为射流的初始质量流量。15•随着与喷口距离x的增加，卷吸率是增大、减小还是保持不变？16§7.1静止气体中的自由射流（1）时射流流量：，与实验条件有关。卷吸率：0s00xemxKmd0.25~0.45eK001eemxKmd（2）时Thring提出用当量直径de代替喷口直径d0，即认为喷出的气体密度为ρs，速度和动量保持恒定（为u0和G0）0s00ssuuGG1220200000011()44sssseesmmAAdddd10200()1eesmxKmd《工程燃烧学》--第七章非等温射流卷吸率：17第一节静止气体中的自由射流第七章射流混合过程《工程燃烧学》--第七章第二节同向平行流中的自由射流第三节交叉射流第四节环状射流和同心射流第五节旋转射流18§7.2同向平行流中的自由射流喷入同向平行气流中的射流，分单股平行射流和多股平行射流。射流的扩展、轴心速度的衰减和射流核的长度主要与射流流体和环境流体之间的速度梯度有关。《工程燃烧学》--第七章射流与外流间的速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合减缓，射流张角、速度及浓度沿轴向的变化率随之减小，势核长度越大，当二者相等时，势核贯穿整个流场。二、单股射流的特点一、定义19§7.2同向平行流中的自由射流Squire和Trouncer从理论上分析了平行流中自由射流的有关特性，提出射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：其中：r1和r2——混合区的内、外半径，u0和us——射流初速度和外围流的速度021(1cos)2suurrurr《工程燃烧学》--第七章三、速度分布20根据轴向速度分布式和Alpinieri的实验数据(λ1)绘出了平行流中射流轴向速度衰减图，图中λ=us/u0由图可看出，当λ由0或2.13趋向1时，射流核越来越大，轴心速度衰减变慢射流特性的影响因素§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃烧学》--第七章（1）流速比0suu21§7.2同向平行流中的自由射流射流的半速线（表示射流的扩散情况）随流速比的变化情况。从图中可以看出，当λ1时，射流张角和射流扩展率随λ增大而减小。《工程燃烧学》--第七章射流的半速线随流速比的变化22§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃烧学》--第七章轴线浓度衰减图，射流特征量应当是比值ρsus/ρ0u0的函数（2）密度（ρ0≠ρs）Alpinieri在研究λ1的情形时，得到一个重要结论：射流特性不仅与速度比有关，而且与密度比有关，当两者的密度比相差较大时，密度差引起轴线上的浓度有显著衰减，以致于对速度比的变化不甚敏感。标准状况下，H2、CO2和空气的密度分别为：0.0899g/L、1.79g/L，为1.29g/L。23第一节静止气体中的自由射流第七章射流混合过程《工程燃烧学》--第七章第二节同向平行流中的自由射流第三节交叉射流第四节环状射流和同心射流第五节旋转射流24§7.3交叉射流一、定义及应用情况以某一角度与主流相交的射流。工业燃烧装置中，经常采用交叉射流，以实现以下功能：强化燃烧或降温，例如向火焰中喷射二次助燃空气。二、流场结构正交射流喷孔中心线与壁面交叉角为90℃，主流沿x方向流动。《工程燃烧学》--第七章25§7.3交叉射流弯曲射流大致可分为三段：Ⅰ为射流核OB，比自由射流显著缩短，且向下游歪斜；Ⅱ为显著弯曲段射流剖面迅速变形；Ⅲ旋涡扩展段，射流转到主流方向。Os为um联结线，Oc为几何中心线《工程燃烧学》--第七章圆孔射流横穿主流时的弯曲变形26§7.3交叉射流绝对穿透深度：横穿主流的射流弯曲到和主流方向接近平行时，弯曲轴线离开喷射口的垂直距离。相对穿透深度：绝对穿透深度与喷嘴直径d0之比称为相对穿透深度。穿透深度（y/d）与λ呈反比，归纳为下列穿透深度的经验公式：《工程燃烧学》--第七章正交射流的穿透深度27§7.3交叉射流斜交射流为了助燃或降温，有时需要二次空气斜穿过主流，即喷孔中心线与壁面交叉角大于或小于90℃。弯曲变形规律：穿透深度随流速比(α=u0/v0)的增大而增大《工程燃烧学》--第七章射流轴线随交角和流速比的变化28第一节静止气体中的自由射流第七章射流混合过程《工程燃烧学》--第七章第二节同向平行流中的自由射流第三节交叉射流第四节环状射流和同心射流第五节旋转射流29§7.4环状射流和同心射流一、流场结构：（1）充分发展区流动情况与轴对称圆形射流相似；（2）但在喷嘴附近环状射流中心形成低压回流区；在同心射流交界面上，由于中央喷管有一定壁厚，也会形成回流区。因此，对环状射流和同心射流来说，喷嘴的几何形状，对邻近喷嘴的射流状态有较大影响。回流区一般用于改善火焰的稳定性。《工程燃烧学》--第七章30二、外围环状射流与中心射流的相互影响§7.4环状射流和同心射流《工程燃烧学》--第七章图为中心射流的势流核心和轴心速度随流速比(λ=ua/uc)的变化情况。从图中可以看出，当环状射流的速度很小，例如λ=0.08时，一直到4d0距离内，中心射流的轴心速度都保持常量，也就是说，势核长度约为中心喷嘴直径d0的4倍。随着λ的增大，势核长度越来越小，中心射流速度衰减变快。当λ=2.35时，中心射流很快被环流所吸收。环状射流对中心射流的影响31§7.4环状射流和同心射流《工程燃烧学》--第七章对于外围环状射流来说，用环缝宽度1/2(D2-D1)作为特性尺寸，环缝出口速度ua0作为特性速度时，中心射流对外围射流的影响如图所示。从图中可以看出，随着中心流速的增大（λ减小），环形射流势核逐渐减小，速度衰减变快。直到λ=0.08时，经过相当距离后（D2-D1），环形射流被中心射流完全吸收。中心射流对外围环形射流的影响32第一节静止气体中的自由射流第七章射流混合过程《工程燃烧学》--第七章第二节同向平行流中的自由射流第三节交叉射流第四节环状射流和同心射流第五节旋转射流33§7.5旋转射流一、定义射流在离开喷嘴前先强迫流体作旋转运动，它从喷嘴喷出后便会一边旋转一边向前运动，这就是旋转射流，简称旋流。《工程燃烧学》--第七章（1）存在轴向分速度vx、径向分速度vr和切向分速度v二、特点（2）旋转强烈到一定程度时，喷嘴附近可形成回流区34§7.5旋转射流《工程燃烧学》--第七章实线vx虚线v在轴心处vx0，回流区边界上vx=0，回流区边界(vx=0)与射流边界之间vx有一最大值vmax，x，vmax，vx分布趋于平坦均匀，回流区变小直到消失。35§7.5旋转射流《工程燃烧学》--第七章（3）速度沿程衰减快；当x/d5以后，v、vr基本上消失，只有vx存在。旋转射流沿程无因次速度36(4)射流中心有很强的卷吸力§7.5旋转射流《工程燃烧学》--第七章射流轴线上的静压力低于大气压力(负压)，说明旋转射流中心有很强的卷吸作用，x，静压力大气压力，卷吸作用。37§7.5旋转射流燃烧技术中，旋转射流是强化燃烧和组织火焰的一个有效措施，它能有效地提高火焰稳定性和燃烧强度。三、旋流的作用《工程燃烧学》--第七章38四、旋流的几个相关概念自由旋涡：靠流体内部的位能变化（静压或水位差）而运动，所以叫“位流旋涡”。这种旋涡的回旋运动并非由外加扭矩所引起，若忽略摩擦损耗，则不同半径