1、第三章 燃?xì)馊紵臍饬骰旌线^(guò)程第一節(jié) 靜止氣流中的自由射流第二節(jié) 平行射流第三節(jié) 相交射流第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)射流第五節(jié) 紊流擴(kuò)散過(guò)程燃?xì)獾娜紵^(guò)程物理過(guò)程實(shí)現(xiàn)燃?xì)?空氣的混合化學(xué)過(guò)程對(duì)于多數(shù)的工業(yè)爐窯燃燒來(lái)說(shuō)，物理過(guò)程往往起支配作用。燃?xì)饬骱涂諝饬鞯幕旌线^(guò)程是決定燃燒過(guò)程的重要因素。本章所涉及的基本概念在流體力學(xué)中已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)。我們只考慮如何使用；公式多為半經(jīng)驗(yàn)公式，由流體力學(xué)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到。第一節(jié) 靜止氣流中的自由射流自由射流平行射流相交氣流層流自由射流紊流自由射流平行氣流中的自由射流多股平行射流射流噴入同向平行射流單股自由射流相交多股受限氣流相交等溫/非等溫水平/垂直自由射流由噴嘴噴射到無(wú)

2、限大的充滿靜止介質(zhì)的空間(一)層流自由射流射流出口速度較小，流量也較小屬層流；射流與周圍介質(zhì)間的動(dòng)量、質(zhì)量交換分子擴(kuò)散。起始段基本段極點(diǎn)射流外部邊界射流收縮角射流擴(kuò)張角過(guò)渡斷面軸心速度1 等溫自由射流等溫自由射流2 非等溫自由射流非等溫自由射流溫度差導(dǎo)致密度差，射流軸線發(fā)生彎曲熱射流射入冷介質(zhì)軸線上彎；冷射流射入熱介質(zhì)軸線下彎；水平射流時(shí)垂直射流時(shí)熱射流射入冷介質(zhì)擴(kuò)張角/收縮角減小；冷射流射入熱介質(zhì)擴(kuò)張角/收縮角增大；熱射流射入冷介質(zhì)燃?xì)馍淞鞔怪毕蛏蠂娙腱o止空氣的混合過(guò)程燃?xì)馍淞鞔怪毕蛏蠂娙腱o止空氣的混合過(guò)程外部邊界Cg=0Cl著火濃度下限Cst化學(xué)計(jì)量比Ch著火濃度上限核心邊界，Cg=100

3、%未燃燒區(qū)空氣過(guò)剩區(qū)著火區(qū)燃?xì)膺^(guò)剩區(qū)純?nèi)細(xì)鈪^(qū)從極點(diǎn)O引出射線，其穿過(guò)的Cg隨著距O距離的增大而減小；每條射線都經(jīng)過(guò)Cg=100%;Cg=Ch;Cg=Cst;Cg=Cl;Cg=0五個(gè)點(diǎn)；將這些點(diǎn)分別連接，得到等濃度面；(二)紊流自由射流噴嘴直徑、噴出的流量都比較大屬于紊流；射流內(nèi)部有分子微團(tuán)的橫向脈動(dòng)，引起射流與周圍介質(zhì)之間的動(dòng)量交換/質(zhì)量交換，將周圍介質(zhì)卷吸；射流的卷吸作用由內(nèi)摩擦力產(chǎn)生：紊流自由射流的圖形與層流相似，但起始段各截面速度分布較均勻；dxdwF紊流自由射流的一些經(jīng)驗(yàn)公式1 起始段長(zhǎng)度2 極點(diǎn)深度3 軸心速度的衰減規(guī)律ars67. 00arh29. 0029. 096. 00ras

4、vvm10vvm起始段內(nèi)：基本段內(nèi)：紊流結(jié)構(gòu)系數(shù)a：Re=201034106，a與Re無(wú)關(guān)；隨原始速度不均勻程度加劇而加大；出口矩形速度場(chǎng)，a=0.066;自然紊動(dòng)射流：a=0.084 任一斷面的體積流量29. 022. 213. 200rasvvLLm軸心的速度隨著距離而減小5 紊流自由射流所卷吸的質(zhì)量men當(dāng)射流密度介質(zhì)密度，即g=a132. 00dsmmen當(dāng)射流密度介質(zhì)密度，即g a132. 0210dsmmgaen 按照L/L0或者men/m0，都可以計(jì)算被卷吸空氣達(dá)到燃燒要求所需要的長(zhǎng)度火焰長(zhǎng)度； 射流中心燃?xì)獯罅窟^(guò)剩，為形成均勻的可燃混合物，還需要一段擴(kuò)散時(shí)間，實(shí)際的火焰長(zhǎng)度總比

5、這樣計(jì)算的得到長(zhǎng)度要長(zhǎng)很多。第二節(jié) 平行氣流一、平行氣流中的自由射流起始段、過(guò)渡段、基本段；過(guò)渡段等速核心消失、但軸心速度衰減緩慢；邊界為直線，基本段的邊界不同于起始段和過(guò)渡段；射流的擴(kuò)張角/軸心速度的衰減/核心區(qū)長(zhǎng)度都與射流出口速度和外圍氣流速度之間的速度梯度有關(guān)用外圍氣流速度Vs和射流出口速度V0之比來(lái)表示氣流混合的程度。0vvs軸心速度/中心速度0 自由射流，核心區(qū)最短，速度衰減最快；1, 核心區(qū)加長(zhǎng)，衰減變慢；1，混合最弱；1, 混合逐漸加強(qiáng)，衰減加快。22，相當(dāng)于自由射流；(2)射流噴嘴相對(duì)中心距s/ds/d16相鄰射流間的影響很??；s/d相同，則各股射流軌跡也相同；(一一)噴嘴或厚

6、壁孔口噴出的射流噴嘴或厚壁孔口噴出的射流厚壁孔口壁厚與孔口直徑之比大于0.5；出口截面上的氣流速度是均勻的。當(dāng)s/d16, =90o, 時(shí)22222113100 . 1100 . 1vv射流軸線的方程為：25. 3222211104. 0dxvvdy當(dāng)s/d=8時(shí)，相鄰射流間的影響顯著，不能應(yīng)用該方程。關(guān)于射流穿透深度實(shí)驗(yàn)表明：s/d越小，射流穿透深度也越小。1 考慮s/d對(duì)射流穿透深度的影響當(dāng)s/d=816, q21=50200, =90o時(shí)，21qKsdh與單股射流公式一致2 實(shí)際上，射流進(jìn)入使流道內(nèi)混合物速度增加引入修正系數(shù)112211LLL混合物質(zhì)量流量/主氣流質(zhì)量流量計(jì)算流體動(dòng)力參數(shù)

7、時(shí)用混合物流速代替主流流速，有221211222221qvvqmix則射流穿透深度為mixssqKqKvvKsdh212112123 再考慮噴入角度的影響mixssqKvvKKdh211212sinKs與噴入角度有關(guān)的系數(shù)，實(shí)驗(yàn)確定為Sin在考慮混合物流速增加、噴入角度變化的影響之后，得到最終的射流穿透深度計(jì)算式：mixssqKvvKKdh211212sin其中： Ks是與噴嘴間距有關(guān)的系數(shù)；實(shí)際上，在設(shè)計(jì)時(shí)噴嘴間距是需要計(jì)算確定的；因此，這里存在一個(gè)試算過(guò)程。(二二)薄壁孔口噴出的射流薄壁孔口噴出的射流薄壁孔口壁厚與孔口直徑之比為0.250.3；出口截面上的氣流會(huì)發(fā)生收縮。必須考慮實(shí)際的噴出

8、速度比按照射流體積計(jì)算的速度要大！定義流量系數(shù)2ddAA收縮后的孔口直徑；噴嘴實(shí)際的噴嘴直徑；收縮處實(shí)際的氣流速度22vv 此時(shí)的射流穿透深度為mixsqKdh21sin如何考慮噴嘴前燃?xì)饬魉?方向?qū)ι淞鞔┩干疃鹊挠绊懭細(xì)饬魉俚汀⑷細(xì)馔ǖ来?，孔口前的燃?xì)饬鲃?dòng)方向與射流方向一致時(shí)不予考慮；燃?xì)饬魉佥^高、燃?xì)馔ǖ佬?，孔口前的燃?xì)饬鲃?dòng)方向予射流方向不一致時(shí)往往是垂直的對(duì)厚壁孔口可不考慮；但對(duì)薄壁孔口必須考慮；噴嘴前的燃?xì)饬魉賄g;實(shí)際的射流速度V2/sin;tg=V2/Vg用實(shí)際射流速度代替前面的V2mixssqKvvKdh211212sinsin第四節(jié) 旋轉(zhuǎn)射流離開(kāi)噴嘴前，先強(qiáng)迫流體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；離

9、開(kāi)噴嘴后，流體一面旋轉(zhuǎn)，一面在靜止介質(zhì)中前進(jìn)。旋轉(zhuǎn)紊流運(yùn)動(dòng)、自由射流、繞流；是旋流式燃燒器常用的方法；強(qiáng)化燃燒。產(chǎn)生旋流的方法使氣流(全部或部分)沿切向進(jìn)入主流道；在軸向流道中設(shè)置旋流器；采用機(jī)械旋流裝置(轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片等)一、旋轉(zhuǎn)射流的基本特性1、除軸向分速度、徑向分速度之外，還有切向分速度；而且噴嘴出口處的徑向分速度遠(yuǎn)大于直流時(shí)的情形。2、在軸向和徑向都建立了壓力梯度；強(qiáng)旋流時(shí)，射流內(nèi)部存在一個(gè)反向回流區(qū)。3、強(qiáng)旋流時(shí)，從外側(cè)卷吸介質(zhì)；在內(nèi)回流區(qū)卷吸介質(zhì)高溫?zé)煔?；?nèi)、外兩側(cè)對(duì)高溫?zé)煔獾木砦鸬椒€(wěn)焰作用；旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)4、旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)張角壁直流大，隨著旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱而變化；5、氣流速度衰減快，射程短。旋流數(shù)

10、旋渦流場(chǎng)依靠流體內(nèi)部的靜壓差而運(yùn)動(dòng)位能旋渦； 旋渦的回旋運(yùn)動(dòng)并非外部扭矩所引起的，忽略摩擦的話，不同半徑上的流體微團(tuán)動(dòng)量矩守恒?！白杂尚郎u”在半徑r處，速度為u在半徑r+dr處，速度為u+dudrruu流體微團(tuán)的體積：r.d.dr流體微團(tuán)的質(zhì)量: r.d.dr動(dòng)量矩質(zhì)量速度力臂(半徑)T=m.u.r外加扭矩動(dòng)量矩隨時(shí)間的變化率dturdmT 對(duì)自由旋渦，T=0u.r=Const越靠近蝸旋中心，切向速度越大；蝸旋中心例外；角動(dòng)量的軸向通量00002RRrdrvurvdFurG質(zhì)量流量動(dòng)量矩v軸向分速度；u切向分速度；軸向動(dòng)量000022RRxrdrPrdrvvG在旋轉(zhuǎn)自由射流中，Gx=const

11、; G=const旋流數(shù)0.RGGsx用來(lái)表示射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度；幾何相似的旋流裝置，s是射流動(dòng)力相似的相似準(zhǔn)則；二、旋轉(zhuǎn)射流的流場(chǎng)1 弱旋轉(zhuǎn)射流弱旋轉(zhuǎn)射流S0.6;射流軸向的反壓力梯度增加，在兩個(gè)滯止點(diǎn)之間出現(xiàn)回流區(qū)；在穩(wěn)定火焰方面起重要作用；第五節(jié) 紊流擴(kuò)散過(guò)程一、紊流的基本特性層流流線相互平行；紊流平行運(yùn)動(dòng)被破壞；行程為不規(guī)則的波浪形；分散為一個(gè)個(gè)的分子微團(tuán)；在宏觀的前向運(yùn)動(dòng)之外，還產(chǎn)生了橫向的位移。紊流時(shí)，截面上的速度分布較均勻，前進(jìn)阻力增加，消耗的能量隨之增加；瞬時(shí)速度隨時(shí)間的變化在一定時(shí)間間隔內(nèi)，某空間點(diǎn)上的時(shí)均速度01dvvin瞬時(shí)速度vvvin脈動(dòng)速度的時(shí)均值為零；在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)

12、，每一點(diǎn)的時(shí)均速度是不變的；工程上，用脈動(dòng)速度的時(shí)均方根來(lái)表示脈動(dòng)程度的大小。 0221dvv二、紊流擴(kuò)散過(guò)程層流混合過(guò)程依靠分子擴(kuò)散；分子擴(kuò)散系數(shù)D與氣體分子的均方根速度和平均自由行程有關(guān)；紊流混合強(qiáng)度用紊流擴(kuò)散系數(shù)Dt衡量，與分子微團(tuán)脈動(dòng)速度的時(shí)均方根 及紊動(dòng)尺度 有關(guān)； 2vl 2lvDtlvD31紊流擴(kuò)散與層流分子擴(kuò)散有一定的相似性；分子微團(tuán)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)與個(gè)別分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)是相似的；紊動(dòng)程度Dt與Re有關(guān)；(一)紊動(dòng)強(qiáng)度定義：脈動(dòng)速度的時(shí)均方根值 與前進(jìn)速度的平均值之比。 2v mvv2 是無(wú)因次數(shù)，用百分?jǐn)?shù)表示； 在工程上光滑管內(nèi)：2%5% 使用人工紊動(dòng)器網(wǎng)格/穩(wěn)焰器可增加氣流紊動(dòng)程度；但有局部性質(zhì)，會(huì)迅速衰減；網(wǎng)格后紊動(dòng)強(qiáng)度的變