燃气燃烧与应用_chap3

1、第三章,燃气燃烧的气流混合过程,第一节,静止气流中的自由射流,第二节,平行射流,第三节,相交射流,第四节,旋转射流,第五节,紊流扩散过程,物理过程,实现燃气,/,空气的混合,燃气的燃烧过程,化学过程,?,对于多数的工业炉窑燃烧来说，物理过程往往起支配作,用。燃气流和空气流的混合过程是决定燃烧过程的重要因,素。,?,本章所涉及的基本概念在流体力学中已经学习过。,?,我们只考虑如何使用；,?,公式多为半经验公式，由流体力学原理和实验数据整理,得到。,第一节,静止气流中的自由射流,自由射流,层流自由射流,紊流自由射流,等温,/,非等温,水平,/,垂直,平行气流中的自由射流,平行射流,多股平行射流,射

2、流喷入同向平行射流,相交气流,单股自由射流相交,多股受限气流相交,自由射流,由喷嘴喷射到无限大的充满静止介质的空间,(,一,),层流自由射流,?,射流出口速度较小，流量也较小,属层流；,?,射流与周围介质间的动量、质量交换,分子扩散。,1,等温自由射流,起始段,极点,基本段,射流外部边界,射流收缩角,过渡断面,射流扩张角,轴心速度,2,非等温自由射流,温度差导致密度差，射流轴线发生弯曲,水平射流时,垂直射流时,热射流射入冷介质,轴线上弯；,冷射流射入热介质,轴线下弯；,热射流射入冷介质,扩张角,/,收缩角减小；,冷射流射入热介质,扩张角,/,收缩角增大；,热射流射入冷介质,燃气射流垂直向上喷入

3、静止空气的混合过程,未燃烧区,外部边界,Cg=0,C,l,着火浓度下限,Cst,化学计量比,C,h,着火浓度上限,核心边界，,Cg=100%,从极点,O,引出射线，其穿过的,Cg,随着距,O,距,离的增大而减小；,空气过剩区,着火区,燃气过剩区,纯燃气区,每条射线都经过,Cg=100%;Cg=Ch;Cg=Cst;Cg=Cl;Cg=0,五,个点；,将这些点分别连接，得到等浓度面；,(,二,),紊流自由射流,?,喷嘴直径、喷出的流量都比较大,属于紊流；,?,射流内部有分子微团的横向脉动，引起射流与周围介,质之间的动量交换,/,质量交换，将周围介质卷吸；,dw,?,射流的卷吸作用由内摩擦力产生：,F

4、,?,?,?,dx,?,紊流自由射流的图形与层流相似，但起始段各截面速,度分布较均匀；,紊流自由射流的一些经验公式,1,起始段长度,2,极点深度,0,.,67,r,s,0,?,a,0,.,29,r,h,0,?,a,紊流结构系数,a,：,?,Re=20,10,3,4,10,6,，,a,与,Re,无关；,?,随原始速度不均匀程度加剧而加大；,3,轴心速度的衰减规律,v,m,起始段内：,v,?,1,0,v,m,0,.,96,?,基本段内：,v,0,as,?,0,.,29,r,?,出口矩形速度场，,a=0.066;,?,自然紊动射流：,a=0.08,轴心的速度随着距离而减小,4,任一断面的体积流量,v

5、,0,L,?,as,?,?,2,.,13,?,2,.,22,?,?,0,.,29,?,L,0,v,m,?,r,?,5,紊流自由射流所卷吸的质量,m,en,当射流密度介质密度，即,?,g,=,?,a,当射流密度,介质密度，即,?,g,?,a,m,en,s,?,0,.,32,?,1,m,0,d,?,?,a,m,en,?,0,.,32,?,?,?,m,0,?,g,?,?,?,?,1,2,s,?,1,d,?,按照,L/L0,或者,m,en,/m,0,，都可以计算被卷吸空气达到燃烧要,求所需要的长度,火焰长度；,?,射流中心燃气大量过剩，为形成均匀的可燃混合物，还需,要一段扩散时间，实际的火焰长度总比这

6、样计算的得到长度,要长很多。,第二节,平行气流,一、平行气流中的自由射流,?,起始段、过渡段、基本段；,?,过渡段,等速核心消失、但轴心速度衰减缓慢；,?,边界为直线，基本段的边界不同于起始段和过渡段；,射流的扩张角,/,轴心速度的,衰减,/,核心区长度,都与,射流出口速度和外围气流,速度之间的速度梯度有关,用外围气流速度,Vs,和射流出口速度,V0,之比来表示气流混合的程度。,v,s,?,v,0,?,0,自由射流，核心区,最短，速度衰减最快；,轴,心,速,度,中,心,速,度,?,?,1,核心区加长，衰减,变慢；,?,1,，混合最弱；,?,1,混合逐渐加强，衰,/,减加快。,x,1,1,时的核

7、心区长度：,?,4,?,12,?,d,0,v,m,?,v,s,x,1,?,射流基本段内轴心速度的衰减规律：,v,0,?,v,s,x,横截面上的速度分布规律,余弦函数,v,?,v,s,1,?,?,r,?,?,?,?,1,?,cos,?,v,m,?,v,s,2,?,2,y,0,.,5,?,?,y,0.5,速度为,1/2(v,m,+v,s,),的径向坐标,y,0,.,5,d,0,?,2,?,x,?,?,?,?,x,?,?,1,?,1,?,?,二、多股平行射流,?,两相邻射流汇合前,独立发,展；,?,汇合后,各股射流之间的动,量交换，速度场发生很大变化；,?,射流起始段,仍旧是轴心速,度能保持,V0,

8、的区段,比一般自,由射流缩短,30,；,?,起始段与基本段之间,过渡,区域，其长度取决于喷嘴间的距,离。,多股平行射流,第三节,相交气流,相交气流,射流喷入与其呈某一角度的气流中；,喷入的气流,射流,(,多数为燃气,),；,被喷入的气流,主气流,(,多数为空气,),；,?,相交气流可强化燃烧过程；应用比较广泛；,?,在工业燃烧装置，常采用将多股燃气射流以一,定角度喷入空气流中的方法。藉此强化燃烧。,周边送燃气,中心送燃气,都不能实现空气燃气的良好混合！,空气燃气混合装置的设计原则,?,采用不同孔径的喷嘴，将燃气射流到空气中；,?,燃气喷嘴的间距应保证各股射流互不重叠,以此为前,提来确定燃气喷嘴

9、直径；,?,燃气流的喷出速度应保证射流达到预定的穿透深度；,在燃烧器截面上形成几个环形的燃气空气混合层。,有关的计算任务,?,燃气出口速度,v2,；,?,空气出口速度,v1;,?,燃气射流孔口直径,d,；,必须确定混合,过程与流体动,力参数之间的,关系,?,燃气射流孔口间距,s,；,?,燃气射流与空气射流的交角,；,流体动力参数,q,21,，是射流出口动压与主气流动压之比。,2,?,2,v,2,q,21,?,2,?,1,v,1,NOTE,：工业燃烧器中的紊动程度、速度,都很大，认为混合过程与,Re/Ar,数无关。,?,射流边界弯曲。圆形,?,马蹄形。,?,主气流减速,?,滞止压力区；,?,绕过

10、射流后：低压区，形成一对反向,漩涡,可起到稳定火焰的作用。,?,射流核心区比自由射流缩短，射流衰,减迅速。,一,单股射流与主气流相交,绝对射流穿透深度,h,：当射流轴,线变得与主气流完全一致时，,喷嘴出口平面到射流轴线之间,的法向距离。,射流,相对射流穿透深度,h/d,：绝对射,流穿透深度与喷嘴直径之比。,射程,x1,：射流轴线在,x,方向的分,速度衰减为出口速度,v2,的,5,时,，轴线距喷嘴出口平面间的法,向距离。,主气流,圆形射流：,45135,o,时，,射流轴线的方程,为：,?,?,v,?,?,ax,?,ay,ax,?,?,195,?,?,?,?,ctg,?,?,?,d,d,?,?,v

11、,?,?,d,?,2,1,1,2,2,2,1,.,3,3,紊流结构系数,可调喷嘴,a=0.06;,圆柱形喷嘴,a=0.070.08,适用条件,?,v,1,.,45,?,10,?,?,8,?,10,?,2,?,v,?,3,2,1,1,2,2,2,ax,45,?,?,?,?,135,?,0,?,d,?,aD,1,ax,射程的经验公式：,aD,1,?,K,1,q,21,d,与射流交角有关的系数；,90,o,，为最大。,射流穿透深度的经验公式,h,?,0,.,132,q,21,d,a,120130,o,的射流穿透深度大于,90,o,。,?,对矩形、方形、椭圆形等其它形状的喷嘴，使用当量直径的,概念，可

12、使用前面关于圆形射流的结论。,?,在射流穿透深度上，射流的直径为射流穿透深度的,0.75,倍,这个结论非常重要！,D,j,二,多股射流与受限气流相交,h,影响多股气流与受限气流相交的因素,，除了前述的流体动力参数、角度、,温度之外，还有：,?,0,.,75,(1),主气流流道的相对半宽度,B/2d,B/2d22,，相当于自由射流；,(2),射流喷嘴相对中心距,s/d,s/d16,相邻射流间的影响很小；,s/d,相同，则各股射流轨迹也相同；,(,一,),喷嘴或厚壁孔口喷出的射流,厚壁孔口,壁厚与孔口直径之比大于,0.5,；出口截面,上的气流速度是均匀的。,2,?,v,?,2,1,1,o,1,.,

13、0,?,10,?,?,1,.,0,?,10,当,s/d16, ,=90,时,2,?,2,v,2,?,3,?,v,射流轴线的方程为：,y,?,0,.,104,?,?,?,d,?,?,x,?,?,?,?,?,?,?,v,?,?,d,?,2,1,1,2,2,2,3,.,25,当,s/d=8,时，相邻射流间的影响显著，不能应用该方程。,关于射流穿透深度,实验表明：,s/d,越小，射流穿透深度也越小。,1,考虑,s/d,对射流穿透深度的影响,当,s/d=816, q,21,=50200,=90,o,时，,h,?,Ks,q,21,d,与单股射流公式一致,2,实际上，射流进入使流道内混合物速度增加,引入修正

14、系数,L,1,?,1,?,L,2,?,2,?,?,L,1,?,1,混合物质量流量,/,主气流质量流量,计算流体动力参数时用混合物流速代替主流流速，有,mix,q,21,2,?,2,v,2,q,21,?,2,?,2,2,?,?,1,v,1,?,则射流穿透深度为,h,Ks,v,2,?,d,?,v,1,?,2,K,s,mix,?,q,21,?,K,s,q,21,?,1,?,3,再考虑喷入角度的影响,h,K,s,K,?,v,2,?,d,?,v,1,Ks,与喷入角度有关的系数，实,验确定为,Sin,?,2,mix,?,K,s,sin,?,q,21,?,1,在考虑混合物流速增加、喷入角度变化的影响之后，,

15、得到最终的射流穿透深度计算式：,h,K,s,K,?,v,2,?,d,?,v,1,?,2,mix,?,K,s,sin,?,q,21,?,1,其中：,Ks,是与喷嘴间距有关的系数；,实际上，在设计时喷嘴间距,是需要计算确定的；因此，,这里存在一个试算过程。,(,二,),薄壁孔口喷出的射流,?,薄壁孔口,壁厚与孔口直径之比为,0.250.3,；,?,出口截面上的气流会发生收缩。,?,必须考虑实际的喷出速度,比按照射流体积计算的速度要大！,定义流量系数,A,?,d,?,?,?,?,?,?,A,?,d,?,?,2,收缩后的孔口直径；,喷嘴实际的喷嘴直径；,v,2,收缩处实际的气流速度,此时的射流穿透深度

16、为,h,K,s,sin,?,mix,?,q,21,d,?,v,2,?,如何考虑喷嘴前燃气流速,/,方向对射流穿透深度的影响,?,燃气流速低、燃气通道大，孔口前的燃气流动方向与射,流方向一致时,不予考虑；,?,燃气流速较高、燃气通道小，孔口前的燃气流动方向予,射流方向不一致时,往往是垂直的,对厚壁孔口可不,考虑；但对薄壁孔口必须考虑；,喷嘴前的燃气流速,Vg;,实际的射流速度,V2/sin,;,tg,=V2/Vg,用实际射流速度代替前面的,V2,h,K,s,sin,?,v,2,sin,?,?,d,v,1,?,?,K,s,?,2,?,?,1,?,mix,q,21,第四节,旋转射流,离开喷嘴前，先强

17、迫流体做旋转运动；,?,离开喷嘴后，流体一面旋转，一面在静止介质中前进。,?,旋转紊流运动、自由射流、绕流；,?,是旋流式燃烧器常用的方法；强化燃烧。,?,产生旋流的方法,?,使气流,(,全部或部分,),沿切向进入主流道；,?,在轴向流道中设置旋流器；,?,采用机械旋流装置,(,转动的叶片等,),一、旋转射流的基本特性,旋转流场,1,、除轴向分速度、,径向分速度之外，,还有切向分速度；,而且喷嘴出口处的,径向分速度远大于,直流时的情形。,2,、在轴向和径向都,建立了压力梯度；强,旋流时，射流内部存,在一个反向回流区。,3,、强旋流时，从外侧卷吸介质；在内回流区卷吸介质,高温烟,气；内、外两侧对

18、高温烟气的卷吸起到稳焰作用；,4,、旋转射流的扩张角壁直流大，随着旋转强弱而变化；,5,、气流速度衰减快，射程短。,旋流数,?,旋涡流场依靠流体内部的静压差而运动,位能旋涡；,?,旋涡的回旋运动并非外部扭矩所引起的，忽略摩擦的,话，不同半径上的流体微团动量矩守恒。“自由旋涡”,在半径,r,处，速度为,u,在半径,r+dr,处，速度为,u+du,流体微团的体积：,r,.d,?,.dr,流体微团的质量,:,?,r,.d,?,.dr,?,u,u,?,dr,?,r,动量矩质量速度力臂,(,半径,),T=m.u.r,外加扭矩动量矩随时间的变化率,对自由旋涡，,T=0,d,?,ur,?,T,?,m,dt,

19、u.r=Const,?,越靠近蜗旋中心，切向速度越大；,?,蜗旋中心例外；,角动量的轴向通量,G,?,?,?,R,0,0,质量流量,R,0,v,轴向分速度；,u,切向分速度；,?,ur,?,?,vdF,?,?,0,?,ur,?,?,v,2,?,rdr,动量矩,轴向动量,G,x,?,?,v,?,v,2,?,rdr,?,?,P,2,?,rdr,0,0,R,0,R,0,在旋转自由射流中，,Gx=const; G,?,=const,旋流数,G,?,s,?,G,x,.,R,0,?,用来表示射流的旋转强度；,?,几何相似的旋流装置，,s,是射流动力相似的相似准则；,二、旋转射流的流场,1,弱旋转射流,?,

20、S0.6;,?,轴向压力梯度尚不足以产生回流区；,?,旋流的作用仅表现在提高射流对周围气流的卷吸能力；,?,加速射流流速的衰减；,?,轴向速度分布是相似的，满足高斯分布,轴线上速度,最大，往边界逐渐降低；,2,?,K,v,r,?,v,?,?,exp,?,?,?,?,x,?,a,?,2,?,v,m,?,?,与射流的旋流数有关的系数,92,K,v,?,1,?,6,s,射流扩张角,?,?,4,.,8,?,14,s,卷吸的质量,m,en,x,?,?,0,.,32,?,0,.,8,s,?,m,0,d,2,强旋转射流,?,S0.6;,?,射流轴向的反压力梯度增加，在两个滞止点之间出现,回流区；,?,在稳定火焰方面起重要作用；,第五节,紊流扩散过程,一、紊流的基本特性,?,层流,流线相互平行；,?,紊流,平行运动被破坏；行程为不规则的波浪形；分散,为一个个的分子微团；在宏观的前向运动之外，还产生了横,向的位移。,紊流时，截面上的速,度分布较均匀，前进,阻力增加，消耗的能,量随之增加；,瞬时速度随时间的变化,在一定时间间隔内，某空间点上的,时均,速度,瞬时速度,?,脉动速度的时均值为零；,v,?,?,?,1,?,0,v,i