《消防燃烧学》第7章_射流混合过程ppt

1、1回顾回顾p第一篇：燃料n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p第二篇：燃烧计算n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）n燃烧温度，发热温度的近似求解过程（内插值近似法）n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第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理3第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理一、燃烧的定义一、燃烧的定义工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章燃烧过程：从混合（扩散）到燃烧反应完成的整个过程燃烧过程：从混合（扩散）到燃烧反应完成的整个过程 所谓燃烧，通

2、常伴有放热、火焰、发光和（或）发烟现象所谓燃烧，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。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。光和热的化学现象。燃烧是一种复杂的物理化学过程燃烧是一种复杂的物理化学过程三传一反：三传一反： 动量传递（流动）动量传递（流动） 热量传递热量传递 质量传递（扩散）质量传递（扩散） 化学反应化学反应4第三篇第

3、三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章混混-表示混合所需要的时间表示混合所需要的时间热热-表示混合后的的可燃物到达开始燃烧反应的温度所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需要的时间化化-表示完成化学反应所需要的时间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。素的影响。5第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理（一）基本分类（一）基本分类二、燃烧的分类二、燃烧的分类工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章 （1）动力燃烧动力燃烧（动力学因素控制，预混燃烧、爆（动

4、力学因素控制，预混燃烧、爆 炸）：炸）： 混混 热热+ 化化 （3）中间燃烧中间燃烧：介乎两者之间：介乎两者之间6第三篇第三篇 燃烧基本原理燃烧基本原理燃烧状态燃烧状态燃烧分类燃烧分类与时间的关系与时间的关系稳态和非稳态稳态和非稳态与空间的关系与空间的关系一维、二维和三维一维、二维和三维初始反应物的混合状态初始反应物的混合状态预混燃烧和非预混燃烧预混燃烧和非预混燃烧气体流动状态气体流动状态层流、紊流层流、紊流 和过渡燃烧和过渡燃烧按反应物物态按反应物物态均相和异相燃烧均相和异相燃烧燃烧波的速度燃烧波的速度缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）按燃料按燃料气体、液体

5、和固体燃料燃烧气体、液体和固体燃料燃烧工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章（二）其他分类（二）其他分类7主要内容p射流混合过程p燃烧反应速度和反应机理p着火过程p燃烧传播过程p异相燃烧p火焰的结构及其稳定8第七章第七章 射流混合过程射流混合过程实际意义实际意义 物理因素在整个燃烧过程起着更为重要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。的作用；例如有焰燃烧。 射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：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燃料和氧化剂都是以射流形式送入燃烧空间的。间的

6、。工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章9第七章第七章 射流混合过程射流混合过程工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章分类：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：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。各种射流的定义，射流的形成条件与一般特征。10第七章第七章 射流混合过程射流混合过程工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章117.1 7.1 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流一、一、自由射流的定义自由射流的定义 流体由喷嘴流出到一个足够大

7、的空间后，流体由喷嘴流出到一个足够大的空间后，不再受不再受固体边界限制固体边界限制而继续扩散的一种流动。其燃烧装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。置称为大气烧嘴，例如家用煤气灶。二、二、自由射流的特点自由射流的特点 射流气体离开喷口以后，因与外围流体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，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，沿射流的前进发生变化。根据这些特征，沿射流的前进

8、方向，可将射流分为方向，可将射流分为初始段初始段，过渡段过渡段和和自自模段（充分发展段）模段（充分发展段）工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章12初始段： 红色部分为势流核心；红色部分为势流核心；核核心区内速度、浓度等与出口处心区内速度、浓度等与出口处相同，长度约相同，长度约4-54-5d d0 0。7.1 7.1 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章= 1/2myy 自模段：轴向流速都呈正态相似分布；轴向流速都呈正态相似分布；x x/ /d d0 08-108-10 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射流截面上轴向速度分布不断变化直

9、至成为正态相似分布137.1 7.1 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 根据普朗特混合长度理论，自由射流半宽根据普朗特混合长度理论，自由射流半宽(y)(y)： 轴向轴向u um m的沿程衰减规律：的沿程衰减规律： 轴心轴心C Cm m的沿程衰减规律的沿程衰减规律: : yconst x00/0.16 (/)1.5muuxd00/0.22 (/)1.5mCCxd2expumuyKux8292uK 2expcmCyKCx5457cK 工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章u u的分布规律：的分布规律：C C的分布规律的分布规律: := 1/2myy轴向流速和浓度的径向分布都具有相似性：轴向流速

10、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自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率卷吸率表示：表示：000exmmmmm7.1 7.1 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章三、射流的卷吸及卷吸量的计算三、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，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，使与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射射流的质量沿流向逐渐增加流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的，这种现象称为射流的卷吸卷吸或或引射引射。有射流必有引射有射流必有引射。

11、 其中其中me e-为卷吸量；为卷吸量； mx-为为x截面处射流的总质量流量；截面处射流的总质量流量； m0-为射流的初始质量流量。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？167.1 7.1 静止气体中的自由射流静止气体中的自由射流 （1） 时时 射流流量射流流量： ，与实验条件有关。，与实验条件有关。 卷吸率卷吸率：0s00 xemxKmd0.250.45eK 001eemxKmd（2） 时时 Thring提出用提出用当量直径当量直径de代替喷口直径代替喷口直径d0，即认为喷出的气体密，即认为喷出的气体密度为度为s，速度和动量保持恒定（为，速度和动

12、量保持恒定（为u0和和G0） 0s00ssuuGG1220200000011()44sssseesmmAAdddd10200()1eesmxKmd工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章 非等温射流卷吸率非等温射流卷吸率：17第七章第七章 射流混合过程射流混合过程工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章187.2 7.2 同向平行流中的自由射流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

13、。流流体和环境流体之间的速度梯度有关。工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章 射流与外流间的速射流与外流间的速度梯度越大，混合速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合度就快；相反，混合减缓，射流张角、速减缓，射流张角、速度及浓度沿轴向的变度及浓度沿轴向的变化率随之减小，势核化率随之减小，势核长度越大，当二者相长度越大，当二者相等时，势核贯穿整个等时，势核贯穿整个流场。流场。二、单股射流的特点二、单股射流的特点一、定义一、定义197.2 7.2 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流 Squire和和Trouncer从理论上分析了平行流中自由射流从理论上分析了平行流中自由射流的有关特性，提出射流

14、出口附近混合区中轴向速度的分布的有关特性，提出射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：公式：其中：其中：r r1 1和和r r2 2混合区的内、外半径，混合区的内、外半径， u u0 0和和u us s射流初速度和外围流的速度射流初速度和外围流的速度021(1 cos)2suurrurr工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章三、速度分布三、速度分布20根据轴向速度分布式和根据轴向速度分布式和Alpinieri的实验数据的实验数据(1)绘出了平行流中射流轴向绘出了平行流中射流轴向速度衰减图，图中速度衰减图，图中=us/u0由图可看出，当由图可看出，当由由0或或2.13趋向趋向1时，射流核越来时，射流

15、核越来越大，轴心速度衰减变慢越大，轴心速度衰减变慢射流特性的影响因素射流特性的影响因素7.2 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章（1 1）流速比流速比0suu217.2 7.2 同向平行流中的自由射流同向平行流中的自由射流射 流 的 半 速 线射 流 的 半 速 线（表示射流的扩（表示射流的扩散情况）随流速散情况）随流速比的变化情况。比的变化情况。从图中可以看出，从图中可以看出，当当1的情形时，得到一个重要结论：的情形时，得到一个重要结论：射流特性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不仅与速度比有关，而且与密度比有关，当两

16、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，变化不甚敏感。标准状况下，H2、 CO2和空气的密度分别为：和空气的密度分别为：0.0899g/L、1.79g/L，为，为1.29g/L。23第七章第七章 射流混合过程射流混合过程工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章247.3 7.3 交叉射流交叉射流一、定义及应用情况一、定义及应用情况 以某一角度与主流相交的射流。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，以实现以下功工业燃烧装置中，经常采用交叉射流，以实现以下功能：能：

17、强化燃烧或降温强化燃烧或降温，例如向火焰中喷射二次助燃空，例如向火焰中喷射二次助燃空气。气。二、流场结构二、流场结构正交射流正交射流 喷孔中心线与壁面交叉角为喷孔中心线与壁面交叉角为9090，主流沿，主流沿x x方向流方向流动。动。 工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章257.3 7.3 交叉射流交叉射流弯曲射流大致可弯曲射流大致可分为三段：分为三段：为为射流核射流核OB，比，比自由射流显著缩自由射流显著缩短，且向下游歪短，且向下游歪斜；斜；为显著弯为显著弯曲段射流剖面迅曲段射流剖面迅速变形；速变形；旋涡旋涡扩展段，射流转扩展段，射流转到主流方向。到主流方向。Os为为um联结线，联结线，Oc为几

18、何中心线为几何中心线工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章圆孔射流横穿主流时的弯曲变形圆孔射流横穿主流时的弯曲变形267.3 7.3 交叉射流交叉射流绝对穿透深度：绝对穿透深度：横穿主流的射流弯横穿主流的射流弯曲到和主流方向接近平行时，弯曲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。轴线离开喷射口的垂直距离。相对穿透深度：相对穿透深度：绝对穿透深度与喷绝对穿透深度与喷嘴直径嘴直径d d0 0之比称为相对穿透深度。之比称为相对穿透深度。穿透深度（穿透深度（y/d）与）与呈反比，归呈反比，归纳为下列穿透深度的经验公式：纳为下列穿透深度的经验公式：工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章正交射流的

19、穿透深度正交射流的穿透深度277.3 7.3 交叉射流交叉射流斜交射流斜交射流 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，即喷孔中心喷孔中心线与壁面交叉角大于或小于线与壁面交叉角大于或小于9090。 弯曲变形规律：弯曲变形规律： 穿透深度随流速比穿透深度随流速比(=u(=u0 0/v/v0 0) )的增大而增大的增大而增大工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章射流轴线随交角和流速比的变化射流轴线随交角和流速比的变化28第七章第七章 射流混合过程射流混合过程工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章297.4 7.4 环状射流和同心射流环状射流和同心射流一、流

20、场结构：一、流场结构：（1 1）充分发展区充分发展区流动情况与轴对称圆形射流相似；流动情况与轴对称圆形射流相似；（2 2）但在喷嘴附近但在喷嘴附近 环状射流中心形成低压回流区；环状射流中心形成低压回流区；在同心射流交界面上，由于中在同心射流交界面上，由于中央喷管有一定壁厚，也会形成央喷管有一定壁厚，也会形成回流区。回流区。 因此，对环状射流和同心射因此，对环状射流和同心射流来说，喷嘴的几何形状，对流来说，喷嘴的几何形状，对邻近喷嘴的射流状态有较大影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响。回流区一般用于改善火焰的稳定性。的稳定性。工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章30二、外围环状

21、射流与中心射流的相互影响二、外围环状射流与中心射流的相互影响7.4 7.4 环状射流和同心射流环状射流和同心射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章 图为中心射流的势流核心图为中心射流的势流核心和轴心速度随流速比和轴心速度随流速比(=ua/uc)的变化情况。从图中可以看出，的变化情况。从图中可以看出，当环状射流的速度很小，例如当环状射流的速度很小，例如=0.08时，一直到时，一直到4d0距离内，距离内，中心射流的轴心速度都保持常中心射流的轴心速度都保持常量，也就是说，势核长度约为量，也就是说，势核长度约为中心喷嘴直径中心喷嘴直径d0的的4倍。倍。随着随着的增大，势核长度越来越小，的增大，势核长度

22、越来越小，中心射流速度衰减变快中心射流速度衰减变快。当。当=2.35时，中心射流很快被环时，中心射流很快被环流所吸收。流所吸收。环状射流对中心射流的影响环状射流对中心射流的影响317.4 7.4 环状射流和同心射流环状射流和同心射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章对于外围环状射流来说，用对于外围环状射流来说，用环缝宽度环缝宽度1/2(D2-D1)作为特性作为特性尺寸，环缝出口速度尺寸，环缝出口速度ua0作为作为特性速度时，中心射流对外特性速度时，中心射流对外围射流的影响如图所示。从围射流的影响如图所示。从图中可以看出，图中可以看出，随着中心流随着中心流速的增大（速的增大（减小），环形射减小）

23、，环形射流势核逐渐减小，速度衰减流势核逐渐减小，速度衰减变快变快。直到。直到=0.08时，经过时，经过相当距离后（相当距离后（D2-D1），环形），环形射流被中心射流完全吸收。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中心射流对外围环形射流的影响32第七章第七章 射流混合过程射流混合过程工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章337.5 7.5 旋转射流旋转射流一、定义一、定义 射流在离开喷嘴前先强迫流体作旋转运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动，它从喷嘴喷出后便会一边旋转一边向前运动，这就是前运动，这就是旋转射流旋转射流，简称，简称旋流旋流。工程燃烧

24、学工程燃烧学-第七章第七章（1 1）存在轴向分速度）存在轴向分速度v vx 、径向分速度、径向分速度 v vr r和切向分速度和切向分速度v v 二、特点二、特点（2 2）旋转强烈到一定程度时，喷嘴附近）旋转强烈到一定程度时，喷嘴附近可形成回流区可形成回流区347.5 7.5 旋转射流旋转射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章 实线实线 vx 虚线虚线 v 在轴心处在轴心处v vx05以后，以后，v 、vr 基本上消失，只有基本上消失，只有vx存在。存在。旋转射流沿程无因次速度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 7.5 旋转射流旋转射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章

25、第七章 射流轴线上的静压力低于大气射流轴线上的静压力低于大气压力压力( (负压负压) )，说明旋转射流中心，说明旋转射流中心有很强的卷吸作用，有很强的卷吸作用，x x ，静压力，静压力大气压力，卷吸作用大气压力，卷吸作用 。377.5 7.5 旋转射流旋转射流 燃烧技术中，燃烧技术中，旋转射旋转射流是强化燃烧和组织火流是强化燃烧和组织火焰的一个有效措施，它焰的一个有效措施，它能有效地提高火焰稳定能有效地提高火焰稳定性和燃烧强度性和燃烧强度。 工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章38四、旋流的几个相关概念四、旋流的几个相关概念自由旋涡自由旋涡：靠流体内部的位能变化（静压：靠流体内部的位能变化（静压

26、或水位差）而运动，所以叫或水位差）而运动，所以叫“位流旋涡位流旋涡”。这种旋涡的回旋运动这种旋涡的回旋运动并非由外加扭矩所引并非由外加扭矩所引起起，若忽略摩擦损耗，则不同半径上流体，若忽略摩擦损耗，则不同半径上流体微团的动量矩应当守恒，故又叫微团的动量矩应当守恒，故又叫“自由旋自由旋涡涡”。 7.5 7.5 旋转射流旋转射流工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章特点特点：（1 1）切线速度）切线速度v v0 0与半径成反比，即越靠近涡与半径成反比，即越靠近涡心，切线速度越快；心，切线速度越快；（2 2）自由旋涡是一种）自由旋涡是一种“无旋无旋”圆周运动。圆周运动。397.5 7.5 旋转射流旋转射

27、流固体旋涡固体旋涡：流体绕中心按固体旋转规律旋转的流体绕中心按固体旋转规律旋转的旋涡，又叫强制旋涡。表达式为：旋涡，又叫强制旋涡。表达式为：旋风或旋流是由外旋风或旋流是由外围的自由旋涡和涡围的自由旋涡和涡核的强制旋涡组成，核的强制旋涡组成，二者整体叫做圆周二者整体叫做圆周旋涡旋涡rwv工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章407.5 7.5 旋转射流旋转射流旋流强度、旋流数旋流强度、旋流数 旋转射流的规模和强度在控制火焰长度、提旋转射流的规模和强度在控制火焰长度、提高燃烧强度及改善火焰稳定性方面起着重要的作用。高燃烧强度及改善火焰稳定性方面起着重要的作用。 在旋转自由射流中，由于外力矩等于零，轴在

28、旋转自由射流中，由于外力矩等于零，轴向动量向动量G Gx x及角动量及角动量G G都保持守恒。即都保持守恒。即constrdrprdrvvGRRxxx0022constrdrvrvGRx02工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章417.5 7.5 旋转射流旋转射流（1 1）旋流数）旋流数 轴向动量轴向动量Gx及角动量及角动量G都是旋转射流的动力特性参数，都是旋转射流的动力特性参数，由它们组成的无量纲数由它们组成的无量纲数s来反应旋转射流的旋转强度，来反应旋转射流的旋转强度，叫做旋流数。叫做旋流数。S的表达式为：的表达式为：0200222RxRRxxv rvrdrGsGRvrdrprdr R 意义：

29、旋流数意义：旋流数S S，不仅可以用来反映射流的旋转强度，不仅可以用来反映射流的旋转强度，而且，对于几何相似的旋流装置来说，它也是一个非而且，对于几何相似的旋流装置来说，它也是一个非常适用的表示射流动力相似的相似准数。常适用的表示射流动力相似的相似准数。工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章427.5 7.5 旋转射流旋转射流旋流数的计算旋流数的计算 计算旋流数时，需要知道旋转射流中切向速度计算旋流数时，需要知道旋转射流中切向速度v、轴、轴向速度向速度vx及静压及静压p沿半径沿半径r的分布规律，这对计算人员的分布规律，这对计算人员来说往往有一定困难，为了避免静压积分运算的困难，来说往往有一定困难，

30、为了避免静压积分运算的困难，将其忽略不计。将其忽略不计。00020022RxRxxv rvrdrGsGRvrdr R 旋流数具体的计算方法还应视各种旋流装置的结构旋流数具体的计算方法还应视各种旋流装置的结构特点有所不同。特点有所不同。工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章437.5 7.5 旋转射流旋转射流五、旋转射流的流场结构五、旋转射流的流场结构 流场结构的探测方法流场结构的探测方法 利用五孔球形皮托管或激光多普勒风速仪可以探测利用五孔球形皮托管或激光多普勒风速仪可以探测旋转射流的速度分量旋转射流的速度分量vx、vr、v及静压及静压p沿沿x和和r方向的方向的分布。分布。弱旋流：弱旋流：当当sss. .时，射流中心的轴向反压梯度逐渐时，射流中心的轴向反压梯度逐渐增大，以致克服该区轴向速度，并增大，以致克服该区轴向速度，并出现中部回流区出现中部回流区。工程燃烧学工程燃烧学-第七章第七章447.5 7.5 旋转射流旋转射流可以看出