第三章燃燒空氣動力學(xué)及?；A(chǔ)1提要：射流的定義及分類直流及其組合射流流動鈍體尾跡中的流動旋轉(zhuǎn)及其組合射流流動氣固多相射流的流動特性燃燒空氣湍流流動理論?；A(chǔ)電站鍋爐冷爐氣流?；囼?yàn)方法在燃燒過程中，燃料要和空氣充分混合才能燃燒完全；要提高設(shè)備燃燒效率、提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性。燃燒過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程。雖然它是一種氧化放熱反應(yīng)，但是物理過程特別是能量、質(zhì)量和動量的交換過程對燃燒系統(tǒng)起著重要的作用。在燃燒過程中，燃料、氧化劑及燃燒生成物通常以高速射流的形式存在。這些高速運(yùn)動的物質(zhì)存在速度梯度，溫度梯度和濃度梯度。射流的研究是建立在流體力學(xué)和傳熱、傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)上的。2一、射流及其分類射流是指流體從管口、孔口、狹縫射出，或靠機(jī)械推動，并同周圍流體摻混的一股高速流體流動。①按流體的流動狀態(tài)，分為層流射流和湍流射流；②按流體的流動速度，分為亞音速射流和超音速射流；③是否受固體邊界約束，分為自由射流、半限制射流和限制射流；④流體在擴(kuò)散過程中是否旋轉(zhuǎn)，分為旋轉(zhuǎn)射流和直流射流；⑤按管嘴出口截面形狀，可分為圓形射流、矩形射流、條縫射流、環(huán)狀射流和同心射流等。⑥流體的流動方向與外界流體的流動方向，可分為順流射流、逆流射流和叉流射流。⑦射流流體與外界流體的溫度及濃度不同，可分為溫差射流和濃差射流。⑧按射流流體內(nèi)所攜帶的異相物質(zhì)，可分為氣液兩相射流，氣固兩相射流和液固兩相射流以及氣液固多相射流等。3第二節(jié)直流及其組合射流流動4直流射流的應(yīng)用十分廣泛。在燃燒中直流射流不但是各種直流燃燒器的基本工作狀態(tài)，而且還經(jīng)常用來作為加強(qiáng)質(zhì)交換和熱交換的重要手段。通常，燃燒過程中應(yīng)用的射流都是湍流的，即射流中存在分子微團(tuán)的不規(guī)則運(yùn)動，其主要特征是，除了射流流體的整體運(yùn)動外，還有分子微團(tuán)的縱向脈動和橫向脈動，特別是橫向脈動對射流中的熱質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象起著主要的作用。5一、圓形和平面直流射流1、直流射流一般特性假定氣流沿x軸的正方向自噴嘴流出，初速度為u0。在射流進(jìn)入空間后，由于微團(tuán)的不規(guī)則運(yùn)動，特別是微團(tuán)的橫向脈動速度引起和周圍介質(zhì)的動量交換，并帶動周圍介質(zhì)流動，使射流的質(zhì)量增加、寬度變大，但射流的速度卻逐漸衰減，并一直影響到射流的中心軸線上。67射流出口附近的速度分布圖（1）氣流核心：在開始區(qū)域中，氣流具有初始速度u0的部分稱為氣流核心。核心區(qū)的邊界為內(nèi)邊界面，而射流和靜止介質(zhì)的交界面稱為外邊界面。（2）混合區(qū)：外邊界面和內(nèi)邊界面所包圍的部分稱為混合區(qū)，是射流和周圍介質(zhì)發(fā)生激烈混合的區(qū)域。內(nèi)邊界面上的速度等于初速度u0，而外邊界面上的速度為零。8（3）轉(zhuǎn)捩截面：在離噴嘴出口一定距離以后，未經(jīng)擾動而保持初速u0的區(qū)域消失的橫截面稱為轉(zhuǎn)捩截面。轉(zhuǎn)捩截面距噴嘴出口的距離約為噴嘴直徑的4~5倍，噴出射流的湍流強(qiáng)度越大，此距離越短。（4）起始區(qū)域和發(fā)展區(qū)域：噴嘴出口與轉(zhuǎn)捩截面之間的區(qū)域稱為起始區(qū)域，而轉(zhuǎn)捩截面以后的區(qū)域稱為發(fā)展區(qū)域。（5）射流極點(diǎn)：射流外邊界的交點(diǎn)稱為射流極點(diǎn)。91）起始區(qū)域102、直流自由射流速度分布特性上半邊為橫向及縱向湍流強(qiáng)度和的分布規(guī)律，下半邊為脈動ux'及平均速度ux的分布規(guī)律在射流的核心區(qū)內(nèi)，橫向分布和縱向分布的湍流參數(shù)由核心中間（y=0）向內(nèi)邊界層逐漸增加，但變化都不很大。近似認(rèn)為核心區(qū)湍流參數(shù)不變。在混合區(qū)內(nèi)，平均速度不斷降低。脈動速度則急劇升高，最大值約位于與出口噴嘴直徑相等的環(huán)形截面上，且速度最大值的位置基本不變。在射流外邊界處脈動速度逐漸接近零值。在混合區(qū)內(nèi)，混合十分強(qiáng)烈，其湍流強(qiáng)度最大值比核心區(qū)約高三倍。各個方向的脈動速度與平均速度也顯著不同。平均速度ux遠(yuǎn)大于uy和uz；脈動速度的分布卻是ux′≈uy′≈uz′11完全發(fā)展區(qū)中射流各截面的速度分布圖是逐漸變形的。距離噴嘴出口愈遠(yuǎn)，則射流速度愈低，而射流寬度愈大，速度分布曲線愈平坦。122）發(fā)展區(qū)域13若把發(fā)展區(qū)域中，各截面上的軸向速度分布表示在u/um-y/y0.5的無因次坐標(biāo)上（um表示該截面上射流在x軸線上的速度，y0.5表示該截面上速度為0.5um的點(diǎn)與x軸之間的距離），得如下所示的速度無因次值分布：圓形射流在發(fā)展區(qū)域中不同截面上的速度分布特性發(fā)展區(qū)域中，自由射流各截面上的軸向速度分布是相似的，可用下列幾種經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來描述：式中：y為橫截面上任一點(diǎn)到軸線之間的垂直距離；x為橫截面距噴嘴出口的鈾向距離；k為實(shí)驗(yàn)常數(shù)，其值在82~96之間；αu為射流半角，其值約為4.85°。14實(shí)驗(yàn)知，射流中的壓力變化不大，可認(rèn)為在射流中的壓力等于周圍空間介質(zhì)的壓力。在射流的任何一個截面上，總動量M保持不變，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：153、射流的動量交換式中：u表示射流任一橫截面上某點(diǎn)的軸向速度；dqm表示單位時(shí)間內(nèi)流過該橫截面上某微元橫截面的射流質(zhì)量流量；m表示射流流過該橫截面的總質(zhì)量。發(fā)展區(qū)域參數(shù)圓形射流平面射流截面的中心速度射流卷吸量截面上的平均速度ua和該截面上的最大速度um之間的關(guān)系發(fā)展區(qū)域內(nèi)某一截面的邊界層寬度與其中心速度之間的關(guān)系16ua=0.2umua=0.41um根據(jù)動量守恒、相似原理，可得如下特性及經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：發(fā)展區(qū)域內(nèi)圓形與平面自由射流的異同當(dāng)射流初速u0及噴嘴的當(dāng)量尺寸相同時(shí),平面射流具有比圓形射流大的射程。這是由于平面射流的軸線速度um是與距離x的平方根成反比例,而在圓形射流中其軸線速度um與x成反比的緣故。當(dāng)射流初速u0及噴嘴的當(dāng)量尺寸相同時(shí)，圓形射流具有比平面射流大的卷吸能力。所謂射流的卷吸能力就是射流卷吸周圍介質(zhì)而使本身流量增加的能力。當(dāng)噴嘴的當(dāng)量尺寸相同時(shí)，圓形射流比平面射流有稍大的擴(kuò)散角。174、射流的熱交換在燃燒領(lǐng)域中，常常會遇到射流的溫度和周圍介質(zhì)溫度不同的情況。這種射流稱為不等溫射流。和速度場的變化一樣，不等溫射流中溫度的變化也是由輸運(yùn)現(xiàn)象引起的。如果射流溫度低于周圍介質(zhì)的溫度，則射流逐漸被加熱。反之，射流溫度高于周圍介質(zhì)溫度時(shí)，則射流就逐漸被冷卻。實(shí)驗(yàn)指出，在不等溫自由射流中，其溫度差

的分布和速度分布相似，即存在著溫度轉(zhuǎn)捩截面、溫度開始區(qū)域、溫度發(fā)展區(qū)域、溫度核心區(qū)域和溫度邊界層。1819不等溫射流中的溫度分布由于空氣湍流的普朗特?cái)?shù)

（

為湍流運(yùn)動粘度，

為湍流熱擴(kuò)散率），因此不等溫自由射流的溫度分布和速度分布是不重合的，溫度分布比速度分布寬些。20不等溫自由射流無因次溫度分布和速度分布（x/d=20）總的來說，在自由射流中，速度、溫度和濃度分布是比較相似的，可用與雷諾數(shù)無關(guān)的普遍無因次規(guī)律來表示，這種特性稱為自由射流的自模性。無因次溫度與無因次速度之間存在著下列關(guān)系：21發(fā)展區(qū)域參數(shù)圓形射流平面射流截面中心溫度差的衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式簡寫22可知：初始溫度差

和噴嘴當(dāng)量尺寸相同的條件下，圓形射流要比平面射流具有更快的溫度差降落。因此，如果希望射流更快地被冷卻（或加熱），則宜采用圓形射流。

5、射流中的物質(zhì)交換在燃燒實(shí)踐中，射流所含有的混合物成份或濃度常與周圍介質(zhì)所含有的成份或濃度不同。因此射流在周圍空間擴(kuò)展時(shí)，必然會發(fā)生物質(zhì)的輸運(yùn)即擴(kuò)散。例如可燃混合物氣流向爐內(nèi)噴射，或帶有煤粉的一次風(fēng)射流由燃燒器噴向爐膛時(shí)，都會引起射流與周圍介質(zhì)間的物質(zhì)交換。射流中混合物的擴(kuò)散過程與熱交換過程相似。在射流各截面上的相應(yīng)點(diǎn)具有相同的無因次混合物濃度的比值；并且在無因次坐標(biāo)中，無因次混合物濃度差的比值和無因次溫度差的比值完全相同。2324發(fā)展區(qū)域參數(shù)圓形射流平面射流截面中心濃度差的衰減規(guī)律經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式簡寫可知：在兩種射流的初始混合物濃度差及噴嘴的當(dāng)量尺寸相同的條件下，圓形射流要比平面射流具有較快的濃度差降落，也即圓形射流的物質(zhì)交換要更強(qiáng)烈一些。二、環(huán)形和共軸射流環(huán)形和共軸射流的流動可分為兩個具有不同特點(diǎn)的區(qū)域：即完全發(fā)展區(qū)和射流噴出口附近區(qū)。完全發(fā)展區(qū)：完全發(fā)展區(qū)中，環(huán)形和共軸射流的流動特性與圓形射流的流動特性相似。唯一不同的是射流原點(diǎn)發(fā)生了變化，也即是在速度、濃度和卷吸量關(guān)系式中要考慮原點(diǎn)的位移。對于雙共軸射流可看成是一個單一的射流，其當(dāng)量直徑：25射流噴出口附近區(qū)：在接近射流噴出口的區(qū)域，環(huán)形射流的中心具有一個反向的回流區(qū)。而對共軸射流而言，在中心射流和環(huán)形射流的交界面的尾跡中也存在著這樣一個回流區(qū)。這個回流區(qū)的尺寸和回流速度對著火的穩(wěn)定性以及中心射流和環(huán)形射流間的混合速度都有較大影響。研究指出，對影響共軸射流的流動特性的主要因素有二個，即噴嘴的結(jié)構(gòu)和射流間的速度比

。在噴嘴結(jié)構(gòu)一定的情況下，速度比的影響實(shí)際上也是流量比的影響。26三、有限射流噴入有限空間的射流稱為有限射流。當(dāng)射流外邊界與有限空間的器壁相交時(shí)，射流的卷吸停止。由于射流的卷吸和射流外邊界的封鎖，射流周圍的有限空間內(nèi)壓力降低成負(fù)壓，形成一個反向的壓力差，從而使一部分氣體從射流中分離出來向相反的方向流動。這樣就構(gòu)成了一個封閉的回路，形成回流區(qū)。27流量特性：在射流前一段路程中，流量是增加的，其后下降。在射流外界與器壁相交以后流量保持不變。很明顯，前一段流量的增加是由于射流的卷吸作用引起，后一段的降低是因?yàn)椴糠謿饬鞯幕亓麟x開了射流。速度特性：在有限射流中，氣體的動量沿射流方向逐漸減少，其壓力逐漸增加。28在燃燒過程中，射流往往不是噴入靜止的介質(zhì)之中，而是噴入一個運(yùn)動著的主氣流之中。根據(jù)射流和運(yùn)動氣流的方向，存在兩種典型射流組合，一種是與主氣流平行流動的射流；另一種是與主氣流垂直的橫向射流。29四、運(yùn)動氣流中的射流與主氣流平行流動的射流：射流的特性以及射流與主氣流間的混合均取決于主氣流速度與射流初速之比

。當(dāng)此比值偏離1愈遠(yuǎn)時(shí)，混合加強(qiáng)，否則就減弱。在比值為1時(shí)，混合最弱。與主氣流垂直的橫向射流在橫向射流中，射流正面由于主氣流的沖擊，其背面由于一對反向旋渦的運(yùn)動，而使大量流體進(jìn)入射流，卷吸過程大大加強(qiáng)。橫向射流中各斷面的完全相似是不存在的。當(dāng)氣流對射流的相對速度增加時(shí)，相似的程度迅速減少。30五、平行射流組在燃燒裝置中，往往使用的不是一只燃燒器，而是一組燃燒器，其最基本的空氣動力結(jié)構(gòu)就是一組相互平行的自由射流所組成的射流組。由于射流間的相互混合和影響，使射流組中每一個射流和單個的自由射流的流動規(guī)律有較大的差異。特別是當(dāng)射流組中兩個相鄰射流在離噴嘴一定距離處匯合以后，由于相互的混合作用，使速度場起了較大的變化。因此，射流組的流動過程是很復(fù)雜的。3132平行射流組的流動特性對平行射流組來說，其起始段的定義仍然是在軸心保持初始速度u0的距離。對于基本段（發(fā)展段）則比較難于劃分，一般認(rèn)為兩相鄰射流匯合的截面即為基本段開始截面，這樣在起始段和基本段之間存在有一過渡段。實(shí)驗(yàn)表明，射流組的流動特性和各噴嘴間的相對距離B0/b0（射流寬度為2b0，相鄰射流中心距為2B0）關(guān)系極大，在兩射流相交之前，它們基本上是獨(dú)立的。相交的位置和B0/b0的大小有關(guān)。當(dāng)B0/b0足夠小時(shí)，相交發(fā)生在射流起始段內(nèi)，而當(dāng)B0/b0足夠大時(shí)，相交可在起始段之后發(fā)生。33平行射流組速度特征34起始段內(nèi)：速度分布和自由射流一樣，射流的發(fā)展是獨(dú)立的，但是其勢能核心區(qū)比一般自由沉沒射流縮短了約30%?；径蝺?nèi)：服從關(guān)系式由于射流組之間存在有限空間內(nèi)的卷吸作用，平行射流組的外邊界比自由射流膨脹得更寬些。平行射流組湍流強(qiáng)度最高的區(qū)域是在射流組之間的邊界層處。六、煤粉射流組的流動特性在四角切向布置的燃燒器中，每角的一、二次風(fēng)是交替排列的。一次風(fēng)為煤粉多相射流，二次風(fēng)為空氣射流。這組射流的流動特性就決定了燃料的著火和燃燒過程。多相射流組中空氣很快地相互混合，而煤粉濃度卻變化極小，要使煤粉火炬順利著火和燃盡，必須設(shè)法使二次風(fēng)穿透至煤粉射流核心，亦就是使一、二次風(fēng)形成一定角度噴入。35第三節(jié)鈍體尾跡中的流動36鈍體對火焰的穩(wěn)定作用由鈍體周圍氣流的空氣動力學(xué)特性所決定。實(shí)踐表明，在鈍體的尾跡中存在著一個湍流度較大的回流區(qū)。該回流區(qū)還提供了一個具有熱源和化學(xué)上活潑物質(zhì)成份源的邊界層流動，因而使得火焰能夠在一個廣泛的流動速度和混合物比的范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒。37一、管流中鈍體尾跡的流動特性鈍體的種類較多，大體上可以分為兩大類：軸對稱鈍體和兩維鈍體（如圓柱體或一個很長的平板）。其中每一類又可分為具有銳緣的鈍體和平滑鈍體。38具有銳緣的兩錐平板和圓盤尾跡中的軸向速度分布二、噴射流動中鈍體尾跡的流動特性在燃燒實(shí)踐中常用鈍體來作為火焰穩(wěn)定器，如煤粉燃燒器的擴(kuò)流錐，油燃燒器中的穩(wěn)焰輪等，這種鈍體放在噴嘴出口處附近，其流動類似于環(huán)形射流，與管流中的鈍體尾跡有所不同。沿射流長度上存在著三個具有不同區(qū)域：即回流區(qū)，過渡區(qū)和完全發(fā)展區(qū)。39回流區(qū)的邊界由正向質(zhì)量流速等于反向質(zhì)量流速的那些點(diǎn)的徑向位置來確定，也即由零速度邊界線來確定?；亓鲄^(qū)后直到最大速度收斂于軸線上（用

的線表示）為止的這一段稱為過渡區(qū)。往后為完全發(fā)展區(qū)，在完全發(fā)展區(qū)中其流動特性與自由射流類似。其軸線上速度最大，往外邊界逐漸降低。40回流區(qū)尺寸和回流量主要受鈍體的形狀和阻塞比

的影響?；亓鲄^(qū)的寬度幾乎不受阻塞比的影響，而阻塞比主要影響回流區(qū)的長度。阻塞比減小，則回流區(qū)長度增加，但是阻塞比減小，最大相對回流量也隨之急劇減小。用鈍體前身的發(fā)散半角

來表征不同鈍體的結(jié)構(gòu)特征。

對回流區(qū)的寬度和長度都有明顯的影響，發(fā)散半角愈大，回流區(qū)的寬度和長度都愈大。41第四節(jié)旋轉(zhuǎn)及其組合射流流動42一、旋轉(zhuǎn)射流概念及特征

1、旋轉(zhuǎn)射流概念及分類旋流燃燒器是以旋轉(zhuǎn)射流為基礎(chǔ)來組織燃燒過程的。旋轉(zhuǎn)射流因其較大的擴(kuò)張角及較好的卷吸高溫?zé)煔獾淖饔?，能夠獲得較高的燃燒強(qiáng)度及較好的燃燒穩(wěn)定性，因此被廣泛的應(yīng)用于燃燒技術(shù)中。旋轉(zhuǎn)射流可分為三種類型：自由旋轉(zhuǎn)射流，即旋轉(zhuǎn)氣流離開旋流發(fā)生器后，噴向一個足夠大的空間，由于不受固體表面的限制而能夠自由擴(kuò)張，通常簡稱為旋轉(zhuǎn)射流。例如煤粉爐中旋流燃燒器噴出的氣流；半自由旋轉(zhuǎn)流動，旋轉(zhuǎn)流動在外邊界上不能自由擴(kuò)張，如旋風(fēng)爐復(fù)合旋轉(zhuǎn)射流，如各類射流與旋轉(zhuǎn)射流的組合。43只討論旋轉(zhuǎn)射流和復(fù)合旋轉(zhuǎn)射流。將旋轉(zhuǎn)射流分為兩類：（1）弱旋轉(zhuǎn)射流。這種旋轉(zhuǎn)射流的旋流強(qiáng)度不大，不出現(xiàn)中心的軸向回流，也即軸向速度皆為正值。（2）強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流。這種射流由于旋流強(qiáng)度大，因而建立了一個足夠大的反向壓力梯度，從而導(dǎo)致軸向回流，并且存在一個中心回流區(qū)。44452.旋轉(zhuǎn)射流特征1）存在軸向速度、徑向速度和切向速度。徑向速度比直流射流中的徑向速度大得多。從旋流發(fā)生器出來的流體質(zhì)點(diǎn)既有旋流前進(jìn)的趨勢，又有沿切向飛出的趨勢。這些趨勢同時(shí)也受著粘滯力的約束和徑向壓力的影響。2）旋轉(zhuǎn)射流的流動區(qū)域與直流射流是不同的，其最大的特點(diǎn)是射流內(nèi)部有一個反向的回流區(qū)。旋轉(zhuǎn)射流不但從射流外側(cè)卷吸周圍介質(zhì)，還從內(nèi)部回流區(qū)卷吸介質(zhì)。463）從兩個方面來卷吸周圍介質(zhì)。一方面從中心回流區(qū)卷吸介質(zhì)，它將高溫?zé)煔饩砦交鹁娓縼砑訜崦悍劭諝饣旌衔?，對穩(wěn)定著火有利。另一方面從射流的外邊界上卷吸介質(zhì)。旋轉(zhuǎn)射流比直流射流的卷吸量大得多。4）旋轉(zhuǎn)射流在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的過程中，由于徑向分速的影響而逐漸擴(kuò)張，就像一個扭曲的喇叭一樣，其擴(kuò)張的程度由擴(kuò)張角來表示。氣流的旋轉(zhuǎn)和射流最大速度、離噴嘴的距離x等有關(guān)，距噴嘴越遠(yuǎn)，射流最大速度急劇下降。軸向速度u和徑向速度v按x-1的規(guī)律衰減，而切向速度w則按x-2的規(guī)律衰減。5）旋轉(zhuǎn)射流的射程較小。旋流強(qiáng)度增加時(shí)，不同方向局部最大速度均增加，但火炬射程卻衰減很快。因此可用改變旋流強(qiáng)度的辦法來調(diào)節(jié)火炬射程。47二、旋流強(qiáng)度和旋流發(fā)生器

1、旋流數(shù)表征旋流強(qiáng)度的高低。用一個無因次準(zhǔn)則來表征旋轉(zhuǎn)射流的強(qiáng)弱，這個準(zhǔn)則就叫做旋流強(qiáng)度則或旋流數(shù)S48實(shí)際上S表示出口斷面上（或任意斷面上）切向速度和軸向速度的比值。S大則意味著切向速高，氣流旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，因而旋流數(shù)也叫旋流強(qiáng)度。2、旋流發(fā)生器使流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的方法可分為三種：將流體或其中的一部分切向引進(jìn)一個圓柱導(dǎo)管；在軸向管內(nèi)流動中應(yīng)用導(dǎo)向葉片；利用旋轉(zhuǎn)的機(jī)械裝置使通過該裝置的流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這類裝置包括旋轉(zhuǎn)導(dǎo)葉、旋轉(zhuǎn)格柵和旋轉(zhuǎn)管。目前工業(yè)燃燒中常用的旋流發(fā)生器有四種：①蝸殼式旋流發(fā)生器；②軸向?qū)~式旋流發(fā)生器；③徑向?qū)~式旋流發(fā)生器；④上述型式的組合。49三、弱旋轉(zhuǎn)射流與強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流弱旋轉(zhuǎn)射流：旋流數(shù)S低于一定數(shù)值時(shí)，旋轉(zhuǎn)射流中反向的軸向壓力梯度較小。此時(shí)的反向壓力梯度不足以引起內(nèi)部回流，射流中的軸向速度均為正值，這種旋轉(zhuǎn)射流稱為弱旋轉(zhuǎn)射流。強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流：燃燒技術(shù)中，從旋流燃燒器流出來的旋轉(zhuǎn)射流大多數(shù)屬于強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流。這種旋轉(zhuǎn)射流在穩(wěn)定燃燒方面起著重要作用，相當(dāng)于在燃燒器出口的射流中心部份旋轉(zhuǎn)了一個熱源和化學(xué)上的活潑成份源。50四、共軸旋轉(zhuǎn)射流1.共軸旋轉(zhuǎn)射流的流動特性環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流和共軸旋轉(zhuǎn)射流在軸向分速、切向分速、徑向分速和靜壓的分布方面大體上類似，在定量數(shù)值上稍有差異。共軸旋轉(zhuǎn)射流的主要空氣動力學(xué)特性如內(nèi)回流區(qū)的尺寸及其回流量等取決于內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)射流的流量及其旋流數(shù)。共軸旋轉(zhuǎn)射流隨著離開噴嘴的距離的增加，其最大軸向速度急劇衰減。最大切向速度比最大軸向速度衰減得更快。其徑向速度遠(yuǎn)大于直流射流。51四、共軸旋轉(zhuǎn)射流2.內(nèi)、外射流對共軸旋轉(zhuǎn)射流的影響動量矩大得多的外射流對共軸旋轉(zhuǎn)射流的流動特性起著決定性的作用。內(nèi)射流對復(fù)合射流的空氣動力學(xué)特性也有影響。當(dāng)內(nèi)射流與外射流發(fā)生動量交換和質(zhì)量交換時(shí)，會使內(nèi)射流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，因而就減少了復(fù)合射流的旋流數(shù)。52五、平行旋轉(zhuǎn)射流大型電站鍋爐所用的旋流燃燒器通常由多個旋流燃燒器對稱組合而成，在爐內(nèi)形成復(fù)雜的多個組合的、互相平行的旋轉(zhuǎn)射流。由于其對稱性，可用一對旋轉(zhuǎn)射流在爐內(nèi)相互作用的空氣動力特性為例加以分析。爐內(nèi)相鄰兩旋流燃燒器的旋轉(zhuǎn)方向可以是相同的，也可以是相反的，在燃燒器附近，它們是比較對稱的，故可以用疊加法處理。5354平行旋轉(zhuǎn)射流組的流動可分為具有三個不同特征的區(qū)域。第一個區(qū)域是從旋流器截面開始到x/d0=1.5~2.0的截面處。在這個區(qū)域中，兩個旋轉(zhuǎn)射流都保持各自的特性，幾乎是獨(dú)立存在的，其合成的速度場由各自的速度來決定。第二個區(qū)域由x/d0＞2截面開始，大約延伸到x/d0=3.0截面。在這個區(qū)域中，兩股射流開始并在一起作為一個復(fù)合射流而擴(kuò)展。第三個區(qū)域是在x/d0＞3.0截面以后，復(fù)合射流具有自由旋轉(zhuǎn)射流的特性。55軸向速度的分布：最大軸向速度的徑向位置很接近射流的邊界和燃燒器的外壁。沿射流長度方向的最大軸向速度位置幾乎沒有什么變化。試驗(yàn)表明，最大軸向速度隨旋流強(qiáng)度的增加而增大。切向速度分布：兩個反向旋轉(zhuǎn)射流的切向速度最大值都在燃燒器出口壁面附近，而內(nèi)部區(qū)域幾乎是線性的（即擬固體旋轉(zhuǎn)規(guī)律），外部區(qū)域符合于自由旋渦運(yùn)動。研究表明，兩個平行旋轉(zhuǎn)射流切向速度的合成場可以簡化成兩個理想旋渦的疊加。56徑向速度分布：燃燒器出口處顯示了最大的離心作用。射流的旋流強(qiáng)度越大，則其離心力作用越強(qiáng)。兩反向旋轉(zhuǎn)射流的徑向速度分布表明，在射流邊界附近離心力是最大的，因此在燃燒器外壁附近。在0.6r0（r0為旋流燃燒器出口半徑）以外的區(qū)域，徑向速度的方向都是沿射流軸線指向外部的；但在0.6r0以內(nèi)的區(qū)域，徑向速度的方向卻朝著射流軸線。57旋轉(zhuǎn)射流在電站燃煤鍋爐中的應(yīng)用爐內(nèi)空氣動力場在各旋流燃燒器噴出的火炬相互作用下構(gòu)成了各種復(fù)雜流動圖形，如對沖、相間對沖、同層間同向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn)等。大型鍋爐的燃燒器布置都由上述的典型方案組合而成?；鹁嫘D(zhuǎn)方向?qū)t內(nèi)空氣動力場的影響是很大的。相鄰燃燒器反向且相向旋轉(zhuǎn)能使高溫?zé)煔庀蛳聫膬蓚?cè)和后墻上升；相鄰燃燒器反向且背向旋轉(zhuǎn)則使高溫?zé)煔馍仙?，火焰中心上移，過熱汽溫會升高。各旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)方向如果組合得好，不但可以改善燃料的著火和燃盡，而且也可以控制火焰中心，控制爐膛出口煙氣溫度，甚至可以作為過熱汽溫的一種調(diào)節(jié)手段。58有研究者提出了換向燃燒器的設(shè)想，即在運(yùn)行中將某些旋流燃燒器改換旋轉(zhuǎn)射流方向，以達(dá)到在煤種或負(fù)荷變動時(shí)調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。應(yīng)該指出，換向燃燒的效果是顯著的，但是在燃燒器結(jié)構(gòu)方面還存在許多問題，有待今后進(jìn)一步研究改進(jìn)。59第五節(jié)氣固多相射流的流動特性60顆粒相的存在使多相射流的流動特性變得更為復(fù)雜。目前由于理論上和試驗(yàn)技術(shù)上的困難，即使對最簡單的多相自由射流研究得也很不夠。為了能對多相射流的流動特性有一個初步的了解，根據(jù)目前已有的關(guān)于多相射流流動特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并把多相射流按其濃度的大小分成低濃度多相射流和較高濃度的多相射流兩種情況予以討論。61一、氣固多相流概念二、低濃度多相射流當(dāng)射流中固體顆粒的尺寸足夠小，并且濃度也不大時(shí)，可稱為低濃度細(xì)顆粒多相射流。最簡單的處理方法是把低濃度多相射流看作具有較高密度ρm的多相射流噴入較低密度ρg的空氣中。關(guān)系式為：62試驗(yàn)表明，當(dāng)顆粒的濃度C=8×10-7~4×10-6m3（固）/m3（氣）、顆粒平均直徑dp=l5~20μm、噴出速度u0=20~100m/s時(shí)，其多相射流中氣相速度分布和純空氣射流近似相同。三、較高濃度的多相射流當(dāng)射流中的顆粒是較粗的分散相，并且濃度又較大時(shí)，可稱為較高濃度的多相射流。大多數(shù)煤粉射流或工程氣固多相射流均屬較高濃度多相射流。由于氣固相之間將存在明顯的滑移速度，再用低濃度多相射流的處理方法顯然是不行的。63（1）噴嘴出口處顆粒相和氣相的相對速度（三種）當(dāng)顆粒在噴嘴出口前的管道內(nèi)已有足夠的加速段，或顆粒足夠細(xì)，可近似認(rèn)為顆粒速度和氣相的速度是相等的。當(dāng)顆粒在管內(nèi)加速段還不夠長時(shí)，噴嘴出口處顆粒速度要低于氣流速度。當(dāng)射流噴嘴前有截面擴(kuò)大的管道或漸擴(kuò)噴嘴時(shí)，射流出口處顆粒的速度將會大于氣流速度，此時(shí)由于顆粒慣性的帶動，使得氣流加速。64（2）多相射流的速度衰減顆粒所具有的慣性作用，使多相射流中氣相速度沿射流軸向的衰減比單相射流時(shí)有所變慢，從而增加了多相射流的射程。在顆粒直徑相同的情況下，隨顆粒質(zhì)量濃度的增加，氣相中心速度的衰減將更加緩慢；而在相同的質(zhì)量濃度情況下，隨著顆粒直徑的減小，氣相中心速度的衰減也將變慢。65（3）多相射流的速度分布和濃度分布多相射流的氣相速度分布比單相射流窄一些，即氣固多相射流的擴(kuò)散率比單相射流小，因此其濃度分布在很窄的范圍內(nèi)，通常比氣相射流的寬度小2~3倍。并且隨著顆粒濃度或顆粒度的增加，擴(kuò)散率減小的趨勢更加明顯。固相速度分布相對均勻。66（4）多相射流的湍流特性射流的湍流特性在很大的程度上決定了射流的形狀、熱量交換和質(zhì)量交換過程。固體顆粒具有較大的慣性，因此在射流中顆粒的湍流脈動落后于氣流的湍流脈動。多相射流中氣相的湍流強(qiáng)度比單相射流低。顆粒越大、濃度越高，顆粒相的脈動速度比氣相脈動速度低得越多，即表明顆粒的存在削弱了湍流脈動的水平。顆粒沿徑向的脈動速度大大小于氣相。67（5）多相射流中顆粒的湍流擴(kuò)散對氣固多相射流而言，顆粒湍流擴(kuò)散比氣體速度擴(kuò)散慢。小顆粒的顆粒擴(kuò)散系數(shù)和湍流射流中動量擴(kuò)散系數(shù)相接近。對大顆粒來說，其擴(kuò)散速率將明顯小于小顆粒的。當(dāng)顆粒直徑一定時(shí)，隨著顆粒濃度的增加，顆粒擴(kuò)散系數(shù)將降低。當(dāng)顆粒直徑一定時(shí)，隨著顆粒濃度的增加，顆粒擴(kuò)散系數(shù)降低。68四、氣固兩相流的特性多相流技術(shù)實(shí)踐中，經(jīng)常碰到的大量氣固兩相流動問題。69名稱單位煤粉管道中煤粉水煤漿管道中煤粉煤粉爐飛灰鍋爐除塵器后粉塵燃油爐碳黑流化床濃度范圍g/Nm35001000（10001400）1033150.11.00.0010.01（2001000）103流速范圍m/s12250.52.03153153151.54.0顆粒平均直徑m40100408015505200.11.08002500在研究兩相流動時(shí)還要考慮如下問題：顆粒是分散相，有大有小，其運(yùn)動規(guī)律各異。顆粒之間及顆粒與管壁之間碰撞對運(yùn)動有較大影響。湍流工況下氣流脈動與顆粒運(yùn)動之間的相互影響。氣流與顆粒之間存在著相對速度，相互影響。相互碰撞和摩擦所產(chǎn)生的靜電效應(yīng)。在不等溫流動過程中會產(chǎn)生熱泳現(xiàn)象。顆粒形狀不對稱，顆粒之間及與管壁相互碰撞等會引起顆粒高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生升力效應(yīng)。燃燒技術(shù)中還會遇到變質(zhì)量運(yùn)動問題。70五、顆粒在氣流中的受力分析1.阻力FR2.重力Fg和浮力Fo3.壓力梯度Fp：顆粒在有壓力梯度的流場中運(yùn)動時(shí)，受到由壓力梯度引起的作用力。一般很小，可忽略不計(jì)。4.馬格紐斯（Magnus）升力Fl：流場中的速度梯度，顆粒形狀不規(guī)則，顆粒間的碰撞等會引起顆粒旋轉(zhuǎn)。由于顆粒的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的升力，稱為馬格紐斯升力。715.薩夫曼（saffman）升力FS：在有速度梯度的流場中，由于顆粒上下兩處的速度不同而產(chǎn)生的升力，可忽略。6.虛假質(zhì)量力Fvm：粒相對于流體作加速運(yùn)動時(shí)，顆粒及周圍流體的速度會增大。推動顆粒運(yùn)動的力不但增加顆粒本身的動能，而且也增加了流體的動能，故這個力將大于加速顆粒本身所需的力，這好像是顆粒質(zhì)量增加了一樣。所以加速這部分增加質(zhì)量的力就叫做虛假質(zhì)量力，或稱表觀質(zhì)量效應(yīng)。通?？珊雎?。727.貝塞特（Basset）力FB8.湍流脈動力9.熱泳力：燃料顆粒處在有溫度梯度的流場中，燃料面向高溫區(qū)的那一側(cè)面受到的熱壓力和速度較高的氣體分子碰撞比低溫區(qū)側(cè)面來得多，會發(fā)生自高溫區(qū)向低溫區(qū)遷移，這種現(xiàn)象稱為熱泳，這個力稱為熱泳力。10.顆粒間及顆粒與壁面的相互碰撞11.水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出和焦碳燃燒時(shí)所受的力73六、燃料顆粒燃燒時(shí)的運(yùn)動阻力系數(shù)不等溫的燃燒過程時(shí)，由于燃料顆粒表面溫度比氣流溫度來得高，使得顆粒周圍邊界層的溫度亦比氣流溫度高。因此邊界層上的粘度將比氣流大，從而導(dǎo)致顆粒運(yùn)動阻力的增加。燃料燃燒時(shí)由于斯蒂芬流及球表面?zhèn)鳠帷髻|(zhì)，蒸發(fā)、燃燒反應(yīng)的不均勻性，再加上煤粉燃燒時(shí)形狀及尺寸變化等的復(fù)雜性，將導(dǎo)致阻力系數(shù)的增大。74煤粉燃燒時(shí)，其阻力系數(shù)一般比無燃燒時(shí)大幾倍至幾十倍。但隨著Re數(shù)的增加兩者之間的差別減小。揮發(fā)分釋出，使得燃燒煙煤粉比無煙煤粉阻力系數(shù)要高。在相同的介質(zhì)溫度下，煤粉在空氣中（有燃燒過程）比在純氮?dú)庵校o燃燒過程）阻力系數(shù)有明顯的增高，這充分表明了燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量流和膨脹流對顆粒的阻力系數(shù)有較大的影響。75煤粉燃燒時(shí)阻力系數(shù)的變化規(guī)律綜合圖第六節(jié)燃燒空氣湍流流動理論?；A(chǔ)76由流體力學(xué)知，當(dāng)雷諾數(shù)Re≥2300時(shí)，管道內(nèi)氣流流動工況將由層流過渡到湍流。在燃燒技術(shù)的實(shí)踐中，由于燃燒設(shè)備的尺寸較大，形狀較復(fù)雜，氣流速度較高，加上燃料燃燒等化學(xué)反應(yīng)的影響，因此爐內(nèi)氣流一般都處于燃燒湍流工況。流動具有以下特點(diǎn)：湍流流場是無數(shù)不同尺寸的渦旋相互摻混的流體運(yùn)動場各種物理量都是隨時(shí)間和空間變化的隨機(jī)量流體微團(tuán)的隨機(jī)運(yùn)動在足夠長的時(shí)間內(nèi)服從某種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。77一、湍流流動的物理現(xiàn)象和解釋二、基本守衡方程湍流運(yùn)動仍遵循連續(xù)介質(zhì)的一般動力學(xué)定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。1.連續(xù)性方程：2.動量方程：3.能量方程：4.化學(xué)組分方程：5.狀態(tài)方程：78在上述各方程中，未知量為vi（或u、υ、w）、p、ρ、T和ma共七個，而方程數(shù)也是七個，所以該方程組是封閉的。由于湍流運(yùn)動的特性標(biāo)尺均很小，在求方程的數(shù)值解時(shí)必須將求解區(qū)域劃分成許多網(wǎng)格，目前計(jì)算機(jī)的儲存量和計(jì)算時(shí)間還不能做到。運(yùn)用湍流中常用的時(shí)間平均方法，把N—S方程組中任一瞬時(shí)物理量用平均量和脈動量之和的形式來表示，再對整個方程組進(jìn)行時(shí)間平均運(yùn)算。79三、湍流運(yùn)動時(shí)均方程組（雷諾方程組）（1）時(shí)均連續(xù)性方程（2）時(shí)均動量方程

80（3）時(shí)均化學(xué)組分方程

（4）時(shí)均能量方程81如果以φ表示任何標(biāo)量參數(shù)，則上述諸方程均可寫成下列通用形式：當(dāng)采用時(shí)間平均方法后，時(shí)平均方程中將出現(xiàn)一些新的未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)，忽略密度脈動三階關(guān)聯(lián)項(xiàng)，剩下的即與，稱為雷諾應(yīng)力項(xiàng)。82四、湍流模型1.零方程模型2.單方程模型3.雙方程湍流模型：常用的是k-ε雙方程湍流模型4.雷諾應(yīng)力模型5.代數(shù)應(yīng)力模型83五、分子輸運(yùn)基本定律燃燒反應(yīng)的速度，不僅受到化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)因素的影響，也受到物理或流體動力學(xué)因素的影響。由于燃燒過程的總速度取決于其中進(jìn)行得最慢的某一階段的速度，而有時(shí)就取決于流體動力學(xué)因素。因而非常有必要了解燃燒過程中分子輸運(yùn)基本定律。分子輸運(yùn)的基本定律是指，由于速度梯度引起的動量交換，由于溫度梯度引起的熱量交換，以及由于濃度梯度引起的質(zhì)量交換所遵循的定律。也就是牛頓黏性定律，傅立葉導(dǎo)熱定律，以及費(fèi)克擴(kuò)散定律。841、Newton黏性定律兩個無限寬和無限長的不可滲透的平板，它們相距δ距離，中間充滿等溫的流體B。如果下平板固定不動，上平板以定常速度u0運(yùn)動，由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流體的速度由上平板處的u0變到下平板處的零。這表明流速快的一層和流速慢的一層之間有剪切力。流速慢的一層對流速快的一層有阻力。單位面積上的剪切力與速度梯度

成正比。852、Fourier導(dǎo)熱定律在相距δ距離的兩平板之間，充滿一種靜止流體，上板溫度為T∞，下板溫度為Tw，且T∞>Tw。因沿y方向各層之間溫