第六章气体射流与扩散燃烧

第六章气体射流和扩散燃烧刘雪玲天津大学热能工程系射流概念及分类射流形式：直流射流旋转射流工程中常见的射流形式圆孔自由射流环状射流同轴射流平行射流旋转射流交叉射流逆向射流受限射流2射流：气体从喷孔、管嘴或条缝向外喷射形成气流，进入燃烧室。燃烧器分类：预混燃烧器扩散燃烧器（非预混）部分预混器射流燃烧（扩散燃烧）扩散燃烧的特点燃气空气发生在燃气、空气的交界面上燃料空气燃烧室混合临界着火浓度燃烧火焰形式射流形式决定扩散火焰比预混火焰更长、更光亮一次空气系数对射流燃烧的影响α1>1：动力火焰0<α1<1：内层动力火焰，外层扩散火焰燃烧速度最慢、焰长度最长α1＝0：扩散火焰扩散燃烧分析模型模型：稳态、绝热流动模型T、CkC＝0T0、C0T、Ck扩散燃烧室模型初始燃料浓度C0，温度T0火焰面α＝1，浓度C＝0，燃烧室平均燃料浓度Ck燃料停留时间τ1燃料向火焰面扩散时间τ3扩散燃烧模型分析燃烧室内燃料的平均扩散速度燃烧室内燃料的平均燃烧速度扩散燃烧分析模型无量纲发热率（燃烧完全系数）无量纲内部换热率φ2无量纲温度扩散燃烧分析模型稳定工况φ1＝φ2＝φq↑τ↑φ2φ1φθ扩散燃烧室的φ－θ扩散燃烧分析提高扩散燃烧稳定工作点的温度水平关键：提高完全燃烧系数加强扩散混合的强度减少混合扩散时间增加燃料停留时间旋转射流燃烧分区分段燃烧横截面大的燃烧室减小流速回流区或环流区燃料性质与初始浓度一定层流射流燃烧和湍流射流燃烧层流扩散－质量扩散以分子扩散的方式实现射流燃烧（扩散燃烧）燃料、空气混合湍流扩散－质量扩散不但以分子扩散的方式实现，也依靠气团的无规则脉动（对流扩散）实现的。质量扩散作用流出速度(雷诺数)对扩散火焰的影响层流区过渡区湍流区喷孔流出速度u0火焰的长度12扩散火焰的结构（浓度分布）射流核心:射流核心内为燃料气体，核心内速度、浓度与出口相同外边界:外边界外为空气，燃料浓度为0内、外边界之间:具有一定浓度的燃料气扩散火焰的结构（浓度分布）CF:内边界最大,火焰面最小CO2:外边界以外最大,火焰面最小Cp:火焰面最大,核心区为0CN2:外边界以外最大,内边界面最小A-A截面扩散火焰的结构浓度分布扩散火焰的焰形和长度α>1火焰面外移α＝1火焰面最稳定α<1火焰面向轴心迁移有必要研究射流扩散混合过程的浓度分布规律圆形自由射流的结构特征三个特征分区射流初始段射流自模化段射流过渡段O-C-O射流核心，核心内速度、浓度与出口相同xp=(3.2~6.2)两个区间的过渡段，无因次参数与x/d0无关射流主体段：过渡段＋自模段射流扩散混合边界层：初始段的射流核心～射流外边界区域xT>(8~10)d0,无因次参数与x/d0无关圆形自由射流速度和流量的变化M-射流的极点X小，截面小，u分布陡峭X大，截面大，u分布平缓X↑，u平均值↓u/um∝r/r0.5u/umx=0.6mx=0.8mx=1.0mx=1.2mx=1.6m圆形自由射流速度的变化圆形自由射流无因次速度函数平面自由射流无因次速度函数圆形和平面自由射流无因次速度圆形自由射流无因次关系圆形自由射流速度和流量的变化平面射流的无因次关系圆形射流的守恒方程组及通解（1）基本守恒方程连续方程动量守恒方程质量组分守恒方程能量守恒方程圆形射流的守恒方程组及通解（2）定常自由射流的通用守恒方程：通用无因次参量ψ和通用扩散系数β的含义在速度场在温度场在浓度场圆形射流的守恒方程组及通解（3）在射流轴心线上（r=0,0≤x≤∞）在喷口的端面上(x=0,0≤r≤d0/2)在外边界限以外（r≥R，0≤x≤∞）边界条件和物理条件圆形射流的守恒方程组及通解（4）在远离喷口的截面上无因次参数的相似解边界条件和物理条件圆形射流的守恒方程组及通解对湍流圆形自由射流对层流圆形自由射流圆形射流的守恒方程组及通解湍流圆形自由射流的速度、温度和浓度分布无因次参数ψr=0，轴心线上的关系衰减分布规律u,T,C在喷口处最大X↑u,T,C↓圆形射流的守恒方程组及通解层流圆形自由射流的速度、温度和浓度无因次参数ψr=0，轴心线上的关系湍流圆形射流在轴心线上的燃料浓度CF,m=f(x/d0)层流圆形射流在轴心线上的燃料浓度CF,m=f(x/d0，Re0)CFm＝C化学恰当比，火焰面湍流射流的扩散火焰长度喷口流出流量：轴向距离s处截面流量：等温，常密度和湍流条件下Re0>2.5×104x/d0>6整个过程动量守恒纯燃料质量流量mF(m0)—＝S面上净卷吸的质量流量mAS面上的流体的质量流量mS湍流射流的扩散火焰长度当量直径修正等温，常密度和湍流条件下，卷吸质量：不等温条件下卷吸质量：湍流射流的扩散火焰长度扩散火焰面稳定在α＝1的位置，CF＝CFmst令（理论空气量）湍流火焰长度lT非等温引射过程气体燃料湍流射流的扩散火焰长度经验公式谢米金和冈瑟经验公式层流射流的扩散火焰长度经验公式层流自由射流扩散火焰长度lL=f(L0,d0,Re0)层流圆形射流：lL=f(L0/v,VF,O)燃料种类确定：lL=f(VF,O)作业2：圆形喷口向大气喷射出CO气体射流，喷口直径d0=65mm，喷射速度u0=1.7m/s，

CO动力粘度为1.748×10-5kg/(m.s)，密度，估算点燃以后喷口轴心线上火焰长度为多少米。湍流扩散火焰长度估算的经验公式浮力起主要作用区，无因次火焰长度经验公式：动量起主要作用区，无因次火焰长度经验公式：火焰弗卢得数（FroudeNumber）：初始射流动量通量与作用在火焰上的力的比。扩散火焰长度估算的经验公式恰当比：当量直径：无因次火焰长度：例：已知：丙烷射流火焰的出口直径为d0=6.17mm，丙烷的质量流量和射流出口丙烷密度为：

环境压力为1atm，温度为300K，密度为，燃烧温度试估算：射流火焰的长度。作业1：已知：丙烷射流火焰的出口直径为d0=3.085mm，丙烷的质量流量和射流出口丙烷密度为：