层流扩散详细讲解

1、层流扩散层流扩散动力学层流扩散火焰在静止流体中或在静止流体中或流速分布均匀的流速分布均匀的层流中，流体微层流中，流体微团以宏观速度运团以宏观速度运行行，以，以分子无规分子无规则运动扩散。则运动扩散。分子扩散分子扩散层流时，流体微层流时，流体微团以时均流速运团以时均流速运行行 ，亦称移流传，亦称移流传输、随流传输或输、随流传输或对流传输。对流传输。紊流时，流体紊流时，流体微微团不以团不以时均流速时均流速运行，而以脉动运行，而以脉动流速扩散，即由流速扩散，即由于涡流和脉动运于涡流和脉动运动，使扩散大为动，使扩散大为加快。加快。剪切流动中，由剪切流动中，由于时均流速分布于时均流速分布的不均匀，引起的

2、不均匀，引起含有物质散开的含有物质散开的现象。现象。层流扩散层流扩散紊流扩散紊流扩散离散（弥散）离散（弥散）l 扩散扩散：流体中含有物质：流体中含有物质从含量多处从含量多处向含量少处向含量少处传输的现象。传输的现象。一、层流扩散动力学FickFick定律定律1单位时间内通过单位面积的单位时间内通过单位面积的溶解物质与溶质浓度在该面积法溶解物质与溶质浓度在该面积法线方向的梯度成比例。线方向的梯度成比例。FickFick定律定律（分子扩散定律）（分子扩散定律） micQDxl Q为溶质在xi方向的单位通量； c为溶质浓度； Dm为分子扩散系数。l 负号表示溶质扩散的方向与浓度梯度方向相反，即是从浓

3、度高处向浓度低处扩散。梯度型经验公式梯度型经验公式分子扩散方程分子扩散方程2dx1dx2A AD C BDDB C x1x3x2dx3流入流出流出流出流入流入x1方向：23231 mcQdx dx dtDdx dx dtx流入1231123111 mmQQdxdx dx dtxccDDdxdx dx dtxxx流出流入流出123123111mQcdx dx dx dtDdx dx dx dtxxx分子扩散方程分子扩散方程212311mcDdx dx dx dtxxx x1 1方向：方向：x x2 2方向：方向：x x3 3方向：方向：12322mcDdx dx dx dtxx12333mcDd

4、x dx dx dtxxdt dt时段内由于浓度时段内由于浓度c c的变的变化，控制体内扩散质的化，控制体内扩散质的增加量增加量: :控制体控制体123cdx dx dx dtt质量守恒定律质量守恒定律112233mmmccccDDDtxxxxxx22i=1 2 3（，） ， miccDtx亦称为亦称为 Fick第二定律第二定律 分子扩散分子扩散层流扩散层流扩散流速分布均匀的层流流速分布均匀的层流x1方向：123123cdx dx dxcu dx dx dt流入111231cucudxdx dx dtx流出流入流出11231cudx dx dx dtxdx1dx2A AD C BDDB C x

5、1x3x2dx3流入流出流出流出流入流入 x3方向：123312cdx dx dxcu dx dx dt流入333123cucudxdx dx dtx流出流入流出31233cudx dx dx dtx123213cdx dx dxcu dx dx dt流入222132cucudxdx dx dtx流出流入流出21232cudx dx dx dtxdx1dx2A AD C BDDB C x1x3x2dx3流入流出流出流出流入流入x2方向：x x1 1方向：方向：x x2 2方向：方向：x x3 3方向：方向：x x1 1方向：方向：x x2 2方向：方向：x x3 3方向：方向：12311mcD

6、dx dx dx dtxx12322mcDdx dx dx dtxx12333mcDdx dx dx dtxx11231cudx dx dx dtx21232cudx dx dx dtx31233cudx dx dx dtx 层流中，层流中，dtdt时段内由于浓度时段内由于浓度c c的变化，控制的变化，控制体内扩散质的增加量体内扩散质的增加量: :123cdx dx dx dtt 22imiicuccDtxx123111222333mmmcucucuccccDDDtxxxxxxxxx123123112233mmmcucucuccccDDDtxxxxxxxxx层流扩散项层流扩散项分子扩散项分子扩

7、散项二、层流扩散火焰层流扩散火焰结构2层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡3扩散火焰的多相过程4基本概念1基本概念1 燃料燃烧的时间 燃料燃烧所需要的全部时间通常由两部分构成，即氧化剂和燃料之间发生物理性接触所需要的时间m和进行化学反应所需要的时间r。燃料的燃烧扩散式燃烧扩散式燃烧预混式预混式燃烧燃烧部分预混式燃烧完全预混式燃烧基本概念1 扩散燃烧和预混燃烧 化学反应进行很快，燃烧的快慢主要取决于混合扩混合扩散速度散速度，而与化学反应速度关系不大。mrm 扩散燃烧扩散燃烧: :mrr 预混预混燃烧燃烧: : 混合过程进行很快,燃烧的快慢主要取决于化学反应化学反应速度速度（或化学动力因素），而与混合

8、扩散过程关系不大。基本概念1 一次空气系数和二次空气系数 在燃烧器中预先和燃气混合的空气量与燃烧需要理论空气之比叫一次空气系数。a0VV 二次空气是指燃气在燃烧过程中依靠扩散作用从周围获得的空气，二次空气占燃烧所需理论空气量的比例叫二次空气系数。基本概念1 扩散式燃烧 点燃前，燃气与空气不相接触（0），燃烧所需的氧气完全依靠扩散作用从周围大气获得，燃气与空气在接触面处边混合边燃烧。 层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气进入燃烧区；紊流状态下，则主要依靠紊流扩散作用来获得燃烧所需的氧气；两种流态下的火焰结构有很大的差异。层流扩散火焰结构2 分子扩散进行得比较缓慢，其速度远低于燃烧的化学

9、反应速度，因此层流扩散燃烧的速度由氧的扩散速度决定。 燃烧反应只在燃料与氧气有效接触的火焰面上进行，而燃烧的化学反应进行得很快，因此火焰焰面很薄。图图2-1 2-1 层流扩散火焰的层流扩散火焰的结构示意图结构示意图层流扩散火焰结构21一外侧混合区（烟气空气）；2内侧混合区（烟气燃气）；Cg燃气浓度；Ccp燃气产物浓度； 火焰锥顶与喷口之间的距离称为火焰长度或火焰高度。 对于层流扩散火焰，其火焰高度与燃气流量成正比，而与气体的扩散系数成反比DvdL2式中 L 层流扩散火焰高（长）度； v 燃气流速； d 燃气出口直径； D 气体的扩散系数。 层流扩散火焰结构2层流扩散火焰向紊流扩散火焰的过渡3图3-1 层流火焰向紊流火焰的过渡1-火焰长度终端曲线，2-层流火焰终端曲线扩散火焰的多相过程4 一般说来，燃气火焰是不发光的透明火焰。但实际中，会发现扩散火焰往往呈现出明亮的淡黄色。这不是气体燃料本身燃烧形成的，而是由于燃料气在高温缺氧的环境下发生热分解而产生的固体碳的颗粒燃烧造成的。碳氢化合物进行扩散燃烧时，可能出现两个不同的燃烧区域：一个是真正的扩散火焰，它是从燃烧器出口向上伸展的一个很薄的反应层，不发光；另一个是光焰