燃烧学讲义2010-第二章

西安交通大学能源与动力工程学院1第二章混合与传质2.1传质学基础2.2湍流物理模型及计算2.3三传的比拟2.4自由射流中的混合与传质2.5旋转射流中的混合与传质2.6钝体射流中的混合与传质2.7平行与相交射流的混合与传质西安交通大学能源与动力工程学院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。西安交通大学能源与动力工程学院32.1传质学基础物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质，也称为质量传递。传质的两种基本方式：分子扩散传质和对流传质。西安交通大学能源与动力工程学院4扩散的基本定律传质的推动力是组分的浓度梯度。组分i的浓度通常用质量浓度ikg/m3或摩尔浓度Cikmol/m3来表示。对于混合气体，可见在等温系统中，组分的摩尔浓度与分压成正比。iipCRT西安交通大学能源与动力工程学院5费克（Fick）第一定律质量基准总质量浓度ρ为常数摩尔基准总摩尔浓度C为常数对于一维扩散AABAABAjDDAABAABAJDCxDCAAABdjDdyAAABdCJDdy西安交通大学能源与动力工程学院6费克（Fick）第二定律质量基准对于一维扩散摩尔基准对于一维扩散2AABADt22AAABdDtdy2AABACDCt22AAABCdCDtdy西安交通大学能源与动力工程学院7质扩散率费克中出现的质扩散率D，表征物质扩散能力的大小，是个物性参数。它的数值取决于扩散时的温度、压力及混合物系统的性质，主要依靠实验来确定。一般只用到二元混合物的质扩散率，有半经验的计算公式，在已知p0,T0条件下的D0时，推算p,T条件下的D32000pTDDpT西安交通大学能源与动力工程学院8对流传质及传质系数流体流过壁面或液体界面时，如果主流与界面之间有浓度差，就引起传质。这种传质称之为对流传质。流体与界面间传质通量可如下定义与传热中的牛顿冷却公式形式相同。,,,,1/AwAACAwACCCNkCCk推动力速率阻力西安交通大学能源与动力工程学院9浓度边界层在对流传质中，在界面上也象热边界层一样会形成浓度边界层。扩散介质的浓度变化主要发生在浓度边界层之内。yxu,CACACAw西安交通大学能源与动力工程学院10重要的准则数普朗特准则数(动量传递/热量传递)施密特准则数(动量传递/质量传递)对流传热的努谢尔特数对流传质的舍伍德数PraScDlNuDlShD西安交通大学能源与动力工程学院11管内强制对流湍流换热的公式管内强制对流传质的公式0.830.440.023ReShSc0.80.40.023RePrNu西安交通大学能源与动力工程学院122.2湍流物理模型及计算2.2.1湍流的物理本质——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，由定常的层流流动→非定常的紊流流动—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，有时流体微团还会绕其瞬时轴无规则、且经常受扰动的有旋运动，所以在流体中明显出现很多集中的漩涡，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。西安交通大学能源与动力工程学院13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西安交通大学能源与动力工程学院14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´的时均根值(3)流场中任意一点上的两个不同方向上的速度脉动如wx´、wy´的乘积的时间平均值只有当（非湍流）或2211110wdwwd2122102110xyxxyyxyxxwwyyww0xyww西安交通大学能源与动力工程学院15流场中，任意相距y的两点1和2上，其相关性用e12表示当y=0时，；当y→时e12=0，说明点1与点2湍流无关。211212121ewwdww12212ew西安交通大学能源与动力工程学院16速度脉动wx´决定湍流中的“三传”过程——湍流切应力——湍流正应力动量传递——湍动度——湍流热通量热量传递——湍流传质通量质量传递其中：w*——某一特征速度c——比热m´——流体某一组分物质量的脉动量xyww2xw222*()/3xyzycTwymw2221()2xyz2222222yyyxxxzzz另外两个主要量：湍流动能湍流耗散西安交通大学能源与动力工程学院172.2.2湍流的数学描写—雷诺方程式粘性不可压缩流体连续性方程和运动微分方程Navier-Stokes方程按牛顿第二定律：惯性力=重力（体积力)+压力（表面力）+粘性力连续方程：运动方程:X方向：Y方向：Z方向：0yxz2222221()xxxxxd2222221()yyyyyd2222221()zzzzzd西安交通大学能源与动力工程学院18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yxxxxxzxyxxxxzxxyxzx西安交通大学能源与动力工程学院19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2111()()0xxxwdwdw（时均值不随时间变化）()xxwwx22112'''11()()()()xxxxxxxxxwwd''()()xyxy''()()xzxz西安交通大学能源与动力工程学院20时均化处理:重力项压力项粘性力项211xxgdg21111ppdxx21222222221()xxxxx西安交通大学能源与动力工程学院21时均化处理:连续方程时均化后为：X方向0yxz可以合并由湍流脉动引起的附加应力2222222yxxxxyxzxxxyxzx西安交通大学能源与动力工程学院22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2yxxxxyxzxxxyxzx2yyyyxyyzyxyyyzy2zzzzxzyzzxzyzzz西安交通大学能源与动力工程学院23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xwywzwp2'xw2'yw2'zw''xyww''yzww''zxww要能求解运动方程及连续方程必须补充六个方程——湍流附加应力方程西安交通大学能源与动力工程学院242.2.3湍流附加应力的假设普朗特混合长度理论（0方程模型）——动量转移理论等效湍流粘性力假设（0方程模型）西安交通大学能源与动力工程学院25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1()(1)xxxd2()()xxxd1()2xxxxyzdwdwdwwlllwwdydydy()xwyly+l2w1wyy-lx()xwyl()xwy通过单位横向面积dfdxdz的流体质量应为yw横向转移的动量为()yxww经时均化处理后yxww西安交通大学能源与动力工程学院26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Δw正好等于纵向速度脉动wx´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西安交通大学能源与动力工程学院27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xdwdyxdwdy西安交通大学能源与动力工程学院28等效湍流粘性力假设Bossinesq假定湍流附加切应力也正比于平均的横向速度梯度，并引进等效湍流粘性系数t和t与普朗特混合长度理论比较2xxxxyxttdwdwdwd等效湍流普朗特理论粘性力假设2xtxdwllwdy＝西安交通大学能源与动力工程学院29等效湍流粘性力假设把代入雷诺方程，其粘性项是两项之和，即