第2章燃烧空气动力学.

1第二章混合与传质2.1湍流物理本质与数学描写2.2“三传”的比拟2.3自由射流中的混合与传质2.4旋转射流中的混合与传质2.5钝体射流中的混合与传质2.6平行与相交射流的混合与传质2混合与传质在燃烧学中的意义组织好工程燃烧过程的思路：化学反应的温度、物质浓度条件不同，则化学反应的速度、反应路线和产物不同。因此，需要合理运用控制传热和传质的方法，精确地设计并控制燃烧过程中的温度分布和物质浓度分布，从而实现对燃烧速度和产物的控制。——所以，工程燃烧学需要重点关注混合与传质过程。各种工程燃烧过程的混合与传质的特性各不相同，需要用实验进行研究分析。但是，典型的燃烧组织过程有着共性的规律。3第一节湍流的物理本质和数学描写一、湍流脉动1883年，雷诺（Reynolds）首先发现了粘性流体存在着两种不同的流动状态——层流和湍流当Re=wd/Relj时，由层流→湍流。湍流的特征：流体质点的速度w大小、方向和压力p都随时间τ不断地变化；流体微团还会绕其瞬时轴无规则、且经常被扰动的有旋运动，所以在流体中明显出现很多集中的涡旋，不断地产生—消灭—再产生—再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。实验还发现湍流状态下，速度w、压力p、某组分物质的量m及流体的温度T总是在一个平均值上下不断的脉动。图2-1定常湍流状态下速度(或压力)的脉动5是瞬时真实速度w（或者压力p）对时间的积分中值：即及及瞬时速度w或者瞬时压力plbww或pp脉动速度时均值w压力时均值p()wp211wwd'211ppd'ppp61.湍流脉动的特性：(1)无论是传递量还是传递强度，湍流状态下的“三传”比层流状态下依靠分子运动扩散实现的“三传”都要强烈得多至少高2～3个数量级。因此湍流脉动不仅影响这流场的结构和分布，同时对流场中的燃料燃烧过程有着直接的影响和强化作用71.湍流脉动的特性：(2)湍流能量的不断产生和耗散是流体湍流运动的两个最基本的特征过程。在湍流状态下，流体具有足够大的雷诺数Re和足够大的湍流尺度l，可以在更大的尺度空间中实现“三传”。但是大尺度湍流运动是不稳定的，它会通过大尺度漩涡的不断破碎，产生更小尺度的旋涡，直到形成最小尺度的湍流运动，此时雷诺数的数量级约等于1，由于流体的粘性作用大大增强，使运动趋于稳定。与此同时，大尺度湍流运动的能量随着旋涡的破碎，不断向小尺度运动中传递，以维持最小尺度运动的稳定，而其能量最终耗散为热。显然大尺度湍流运动的能量越强，维持运动稳定的最小旋涡尺度越小。这种湍流脉动能量的产生和耗散，对燃烧动力学过程本质的分析和研究十分关键。82.速度脉动的特性：(1)速度脉动w´（或p´）对时间的平均值（时均值）为0。即(2)速度脉动w´的时均方根值(3)湍流脉动相关性设流场中的两个流体质点1和2的间距为y，各自的速度脉动分别为w1´、w2´。它们之间的相关系数e12定义为'00110wwdwwdww2'2010wwd1212011212'2'212wweww式中，是流场中任意两点速度脉动乘积的时均值'21w'22w和分别为流场中1和2点处的速度脉动的时均方根值图2-3相关系数的实验结果a)Re的关系b)y的关系103.湍流混合与热、质传递中的基本动力学参数(1)动量传递中的特征参数1)湍流正应力22201()()'22()xxx'22()yyy'22()zzz112)湍流切应力''01()()()()ijiijjiijj''()()xyxxyy''()()yzyyzz''()()xzxxzz123)湍动度E流场中某点速度脉动的时均方根值与某一特征速度的比值。工程中常用流动的平均速度作为特征速度'2'2'2'211()33xyz湍动度E是一个极其重要的量纲一的特征数，它决定了流场中由于速度脉动引起动量、热量和质量的传递能力，直接影响到边界层的过渡及边界层脱离过程的发生。在湍流模化实验中，它和雷诺数Re一样是同等重要而必须遵循的动力学相似准则，即不仅要求模型和原型的Re（或进入第二自模化区），而且也要求湍动度E相等13(2)热、质传递中的特征参数1)热通量''()()yyycTwcTTww2)传质通量''ymw3)湍流动能k222'2'2'2222''2''2''21()21[()()()]21[(2)(2)(2)]2xyzxxyyzzxxxxyyyyzzzzk14222'2'2'2222''2''2''21()21[()()()]21[(2)(2)(2)]2xyzxxyyzzxxxxyyyyzzzzk''0xxxx''0yyyy''0zzzz222'2'2'21[()()()]2xxyyzzk15二湍流的数学描写—雷诺方程组1.粘性不可压缩流体运动的基本方程连续方程：运动方程:x方向：y方向：z方向：0yxz2xxxdwpgwdx2yyydwpgwdy2zzzdwpgwdz0yxz2xxxdwpgwdx16时均化处理:考虑在湍流状态下，流体质点的不定常湍动，因此必须对各参数进行时均化处理。按上述方程式从左向右进行时均化。惯性力xxxxxxxxxxyzd0yxz连续方程yxzx()()()xyxxxyxxxxxzxxyxzxxz17时均化处理:第一项第二项同理：第三项时均化后：第四项时均化后：xw（时均速度恒定的定常湍流流动，）()xxwwx01()xxx0xw'''20011()()[()()]()()xxxxxxxxxxx''''0011()()[()()]()()yxyxyyxxyxyx''''0011()()[()()]()()zxzxzzxxzxzx()()()xyxxxxxzwwd18时均化处理:重力项压力项粘性力项01xxgdg01()ppdxx2222222201()()xxzxx19时均化处理:连续方程时均化后为：0yxz2222222xxyxzxxxyxzxxxxX方向20整理得:X方向22222222xxyxzxxxxxxxyxzxxxxxxyxzx22()xyxxzx2222222xxyxzxxxyxzxxxx21附加应力与粘性力合并后得：雷诺方程组连续方程X方向Y方向Z方向0yxz2xxyxzxxxxxxyxzx2xyyyzyyyyyxyyzy2xzyzzzzzzzxzyzz22结论:加上连续方程，方程数为3+1=4，而未知数为10个10个未知数3个时均速度1个时均压力3个湍流正应力3个湍流切应力要能求解运动方程及连续方程必须补充六个方程——湍流附加应力方程xwywzwp'2xw'2yw'2zw''xyww''yzww''zxww23三、湍流附加应力的假设普朗特混合长度理论——动量转移理论泰勒涡量理论等效湍流粘性力假设241.普朗特假定湍流切应力的大小是由流体微团速度脉动wy´引起的在l范围内横向动量转移来确定的。认为：在混合长度范围内wx´≈wy´≈wz´是同一个数量级，则'121(||||)2x2()(1)xxxd1()()xxxd1()||||||2xxxxyzdwdwdwwlll通过单位横向面积的流体质量应为横向转移的动量经时均化处理后为'yw''yxww''xyww25普朗特假定湍流切应力混合长度l的物理意义为：因速度脉动，引起流体任两层之间的纵向速度差正好等于纵向速度脉动时，该距离称混合长度l混合长度l需要通过实验测量，对管内流动，在层流底层，l很小，而在充分湍流的中心区域，l很大。222xxxyxdwdwdw||xw26归纳：（1）湍流切应力（2）当的地方，湍流切应力=0（3）除壁面附近的流动外，出现湍流切应力最大值的地方，速度梯度也最大。（4）切应力的正负符号与的相同。2xdwdy0xdwdyxdwdyxdwdy272.泰勒涡量理论在湍流理论中，涡量理论同样有着重要的地位。该理论认为：湍流切应力σt是由于涡量横向转移所引起的。以二元平面流动来进行说明，根据斯托克斯定理，单位时间内在单位面积上因为脉动引起的旋涡量(旋涡强度)等于旋转角速度脉动ω′的2倍。28''2tywy''||ly1()2yxwwxy1||2xwy'''11()()2