燃燒學(xué)的講義第四章燃燒物理基礎(chǔ)ppt課件

1、第四章 燃燒物理基礎(chǔ)4.1 4.1 傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)4.2 4.2 湍流物理模型及計(jì)算湍流物理模型及計(jì)算4.3 4.3 三傳三傳 的比擬的比擬4.4 4.4 自由射流中的混合與傳質(zhì)自由射流中的混合與傳質(zhì)4.5 4.5 旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)4.6 4.6 鈍體射流中的混合與傳質(zhì)鈍體射流中的混合與傳質(zhì)4.7 4.7 平行與相交射流的混合與傳質(zhì)平行與相交射流的混合與傳質(zhì)4.1 4.1 傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)由高濃度向低濃度方向的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱(chēng)為傳質(zhì)，也稱(chēng)為質(zhì)量傳遞。傳質(zhì)的兩種基本方式：分子擴(kuò)散傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì)。擴(kuò)散的基本定律傳質(zhì)的推動(dòng)力是組分的濃度梯度。組分i的濃度通常用質(zhì)量

2、濃度i kg/m3或摩爾濃度Ci kmol/m3來(lái)表示。對(duì)于混合氣體，可見(jiàn)在等溫系統(tǒng)中，組分的摩爾濃度與分壓成正比。iipCRT費(fèi)克Fick第一定律質(zhì)量基準(zhǔn) 總質(zhì)量濃度為常數(shù) 摩爾基準(zhǔn) 總摩爾濃度C為常數(shù) 對(duì)于一維擴(kuò)散 AABAABAjDD AABAABAJD C xDC AAABdjDdy AAABdCJDdy 費(fèi)克Fick第二定律質(zhì)量基準(zhǔn) 對(duì)于一維擴(kuò)散 摩爾基準(zhǔn) 對(duì)于一維擴(kuò)散 2AABADt 22AAABdDtdy 2AABACDCt 22AAABCd CDtdy 質(zhì)擴(kuò)散率費(fèi)克中出現(xiàn)的質(zhì)擴(kuò)散率 D，表征物質(zhì)擴(kuò)散能力的大小，是個(gè)物性參數(shù)。它的數(shù)值取決于擴(kuò)散時(shí)的溫度、壓力及混合物系統(tǒng)的性質(zhì)，主

3、要依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。一般只用到二元混合物的質(zhì)擴(kuò)散率，有半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算公式，在已知p0,T0條件下的D0時(shí)，推算p,T條件下的D32000pTDDpT對(duì)流傳質(zhì)及傳質(zhì)系數(shù)流體流過(guò)壁面或液體界面時(shí)，如果主流與界面之間有濃度差，就引起傳質(zhì)。這種傳質(zhì)稱(chēng)之為對(duì)流傳質(zhì)。流體與界面間傳質(zhì)通量可如下定義與傳熱中的牛頓冷卻公式形式相同。,1/A wAACA wACCCNkCCk推動(dòng)力速率阻力濃度邊界層在對(duì)流傳質(zhì)中，在界面上也象熱邊界層一樣會(huì)形成濃度邊界層。擴(kuò)散介質(zhì)的濃度變化主要發(fā)生在濃度邊界層之內(nèi)。重要的準(zhǔn)則數(shù)普朗特準(zhǔn)則數(shù)施密特準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流傳熱的努謝爾特?cái)?shù)對(duì)流傳質(zhì)的舍伍德數(shù)PraScDlNuDlShD管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流湍流換

4、熱的公式管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)的公式0.830.440.023ReShSc23RePrNu 4.2 湍流物理模型及計(jì)算4.2.1 湍流的物理本質(zhì)脈動(dòng)1883年，雷諾Reynolds首先發(fā)現(xiàn)了粘性流體存在著兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)層流和湍流當(dāng)Re=wd/Relj時(shí)，由定常的層流流動(dòng)非定常的紊流流動(dòng)湍流。湍流的特征：流體質(zhì)點(diǎn)的速度w大小、方向和壓力p都隨時(shí)間不斷地變化，有時(shí)流體微團(tuán)還會(huì)繞其瞬時(shí)軸無(wú)規(guī)則、且經(jīng)常受擾動(dòng)的有旋運(yùn)動(dòng)，所以在流體中明顯出現(xiàn)很多集中的漩渦，不斷地產(chǎn)生消滅再產(chǎn)生再消滅。這種瞬息變化的現(xiàn)象稱(chēng)為脈動(dòng)。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)湍流狀態(tài)下，速度w、壓力p、某組分物質(zhì)的量m及流體的溫度T總是在一

5、個(gè)平均值上下不斷的脈動(dòng)。是瞬時(shí)真實(shí)速度w或者壓力p對(duì)時(shí)間的積分中值： 即 及 及 瞬時(shí)速度 w 或者瞬時(shí)壓力p lb ww或pp 脈動(dòng) 速度時(shí)均值w 壓力時(shí)均值p ( )w p211wwdwww211ppdppp脈動(dòng)的特性：(1) 速度脈動(dòng)w（或p）對(duì)時(shí)間的平均值時(shí)均值為0。 即(2) 速度脈動(dòng)w的時(shí)均根值 (3) 流場(chǎng)中任意一點(diǎn)上的兩個(gè)不同方向上的速度脈動(dòng)如wx、wy的乘積的時(shí)間平均值 只有當(dāng) （非湍流） 或2211110w dww d212210wwwd 2110 xyxxyyxyw wwwwww w d xxwwyyww0 xyw w 流場(chǎng)中，任意相距y的兩點(diǎn)1和2上，其相關(guān)性用e12表

6、示 當(dāng)y=0時(shí) ， ； 當(dāng)y時(shí) 令e12=0，說(shuō)明點(diǎn)1與點(diǎn)2湍流無(wú)關(guān)。211212121ew w dw w 12www212ew速度脈動(dòng)wx決定湍流中的“三傳過(guò)程 湍流切應(yīng)力 湍流正應(yīng)力 動(dòng)量傳遞 湍動(dòng)度 湍流熱通量 熱量傳遞 湍流傳質(zhì)通量 質(zhì)量傳遞其中： w*某一特征速度 c 比熱 m流體某一組分 物質(zhì)量的脈動(dòng)量xyw w 2xw222*()/3xyzwwwwyc T w ym w 2221()2xyzwww2222222yyyxxxzzzwwwwwwwwwxyzyxzxzy另外兩個(gè)主要量： 湍流動(dòng)能 湍流耗散4.2.2 湍流的數(shù)學(xué)描寫(xiě)雷諾方程式粘性不可壓縮流體連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)微分方程N(yùn)av

7、ier-Stokes方程按牛頓第二定律：慣性力=重力體積力)+壓力表面力）+粘性力連續(xù)方程：運(yùn)動(dòng)方程: X方向： Y方向： Z方向：0yxzwwwxyz2222221()yyyyydwwwwpgdyxyz2222221()zzzzzdwwwwpgdzxyz 時(shí)均化處理 :考慮在湍流狀態(tài)下，流體質(zhì)點(diǎn)的不定常湍動(dòng)，因此必須對(duì)各參數(shù)進(jìn)行時(shí)均化處理。按上述方程式從左向右進(jìn)行時(shí)均化。慣性力xxxxxxxxxxyzdwwwwwdxdydzdx dy dz dwwwwwwwxyz0yxzwwwxyz連續(xù)方程yxzxwwwwxyzyxxxxxzxyxxxxzxxyxzxwwwwwwwwwwwww www ww

8、 wxyzwxxyyzz時(shí)均化處理 :第一項(xiàng)第二項(xiàng)同理：第三項(xiàng)時(shí)均化后：第四項(xiàng)時(shí)均化后：xw2111()()0 xxxw dw dw（時(shí)均值不隨時(shí)間變化） ()xxw wx2211211()()()()xxxxxxxxxw w dwwww dwwwxxxx()()xyxywww wyy()()xzxzw ww wzz時(shí)均化處理 :重力項(xiàng)壓力項(xiàng)粘性力項(xiàng) 211xxg dg211 11ppdxx21222222221()xxxxxwwww dwxyz 時(shí)均化處理 : 連續(xù)方程時(shí)均化后為： X方向0yxzwwwxyz可以合并由湍流脈動(dòng)引起的附加應(yīng)力2222222yxxxxyxzxxxyxzxwwwp

9、gww ww wxxyzxyzw ww ww wxyz 附加應(yīng)力與粘性力合并后得 ：雷諾方程組連續(xù)方程X方向Y方向Z方向0yxzwwwxyz2yxxxxyxzxxxyxzxwwwpgww ww wxxxyyzzw ww ww wxyz 2yyyyxyyzyxyyyzywwwpgw www wyxxyyzzw ww ww wxyz 2zzzzxzyzzxzyzzzwwwpgw ww wwzxxyyzzw ww ww wxyz 結(jié)論:加上連續(xù)方程，方程數(shù)為3+1=4 ，而未知數(shù)為10個(gè)10個(gè)未知數(shù) 3個(gè)時(shí)均速度 1個(gè)時(shí)均壓力 3個(gè)湍流正應(yīng)力 3個(gè)湍流切應(yīng)力 xwywzwp2xw2yw2zwxyw

10、wyzw wzxw w要能求解運(yùn)動(dòng)方程及連續(xù)方程必須補(bǔ)充六個(gè)方程 湍流附加應(yīng)力方程4.2.3 湍流附加應(yīng)力的假設(shè)普朗特混合長(zhǎng)度理論0方程模型）動(dòng)量轉(zhuǎn)移理論等效湍流粘性力假設(shè)0方程模型）普朗特假定 湍流切應(yīng)力的大小是由流體微團(tuán)速度脈動(dòng)wy引起的在 l 范圍內(nèi)橫向動(dòng)量轉(zhuǎn)移來(lái)確定的。認(rèn)為：在混合長(zhǎng)度范圍內(nèi)wxwywz是同一個(gè)數(shù)量級(jí)，那么121(|)2xwww 1( )(1)xxxdwwwywyldy2()( )xxxdwwwylwyldy1()2xxxxyzdwdwdwwlllwwdydydy 普朗特假定 湍流切應(yīng)力混合長(zhǎng)度l的物理意義為：因速度脈動(dòng)，引起流體任兩層之間的縱向速度差w正好等于縱向速度

11、脈動(dòng)wx時(shí)，該距離稱(chēng)混合長(zhǎng)度l混合長(zhǎng)度l需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，對(duì)管內(nèi)流動(dòng)，在層流底層，l很小，而在充分湍流的中心區(qū)域，l很大。222xxxyxdwdwdww wlldydydy 歸納：（1湍流切應(yīng)力（2當(dāng)?shù)牡胤剑牧髑袘?yīng)力=0（3除壁面附近的流動(dòng)外，出現(xiàn)湍流切應(yīng)力最大值的地方，速度梯度也最大。（4切應(yīng)力的正負(fù)符號(hào)與的相同。2xdwdy0 xdwdyxdwdyxdwdy等效湍流粘性力假設(shè)Bossinesq假定湍流附加切應(yīng)力也正比于平均的橫向速度梯度，并引進(jìn)等效湍流粘性系數(shù)t和t與普朗特混合長(zhǎng)度理論比較2xxxxyxttdwdwdwdww wldydydydy 等效湍流普朗特理論粘性力假設(shè)2xtxdw

12、ll wdy等效湍流粘性力假設(shè)把 代入雷諾方程，其粘性項(xiàng)是兩項(xiàng)之和，即 xyxtdww wdy 222222()()()xyxxxxxxzxtw wwwww ww wpgxxyzxyz 是流體的物性，一般為常數(shù)，雖流體種類(lèi)和溫度T而改變. t 不是流體物性，而是湍流的特性。 t = f(Re, x, y, z, 粗糙度) 一般t通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得。引入一個(gè)實(shí)驗(yàn)確定的量l或t，使得方程組變?yōu)椋哼B續(xù)方程與動(dòng)量方程，方程數(shù)為3+1=44個(gè)未知量 3個(gè)時(shí)均速度 1個(gè)時(shí)均壓力方程組得以封閉，可以求解。因?yàn)樵黾恿?個(gè)方程，所以稱(chēng)為0方程模型。xwywzwp常用的兩方程模型：K-模型SzzyyxxwzvyuxSu

13、vwKtKttttxwzxvyxuxxpeffeffeffywzyvyyuxypeffeffeffzwzzvyzuxzpeffeffeffG21cGcK其中，模型常數(shù)的取值見(jiàn)表 2Kctteff2222222ywzvzuxwxvyuzwyvxuGt0.091.441.921.01.3c1c2cK其它模型雷諾應(yīng)力模型代數(shù)應(yīng)力模型大渦模型均需要用數(shù)值方法進(jìn)行求解4.3 “三傳的比擬動(dòng)量熱量質(zhì)量比擬對(duì)照： 傳熱原理動(dòng)量傳遞傳熱量W或J/s傳質(zhì)量mol/s或kg/s傅立葉公式牛頓公式Q = T f源動(dòng)力速度差溫度差濃度差 速度梯度1/s 溫度梯度K/mA 傳熱面積 m2 濃度梯度mol/m4A質(zhì)量傳遞

14、的面積m2Q傳熱量 J/s 放熱系數(shù)J/m2 sKT溫差 Kf 傳熱面積m2 傳質(zhì)量mol/szl質(zhì)量交換系數(shù)m/sc濃度差mol/m3f 質(zhì)量交換面積m2dwdy dcmDfdy zlmc f dwdymdcdyNuLzlNuzlLD.dTQfdy dTdy4.3.1 分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散與湍流擴(kuò)散當(dāng)ReRelj ，流體間的相互作用和混合主要靠分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，又稱(chēng)內(nèi)遷移現(xiàn)象。用運(yùn)動(dòng)粘性，熱擴(kuò)散率a導(dǎo)溫系數(shù)），質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)D來(lái)表示，單位都是m2 /s按分子運(yùn)動(dòng)論 13aDl wPr1()pac 1ScD1aLeD說(shuō)明分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的“三傳引起的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布規(guī)律一樣對(duì)多原子氣體：其中， 為動(dòng)力

15、粘性，cv為定容比熱，k為絕熱指數(shù)。代入Pr數(shù)中：1(95)4vck0.741.44Pr950.781.3()pkkakkc雙原子(空氣)氣體，三原子氣體，當(dāng)ReRelj：湍流運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，11Retxvvl充分湍流，分子運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散可忽略 在湍流情況下，引入湍流t，at，Dt，和Prt，Sct，Let來(lái)反映其“三傳”。由于湍流的動(dòng)量，熱量和質(zhì)量擴(kuò)散均源于脈動(dòng)和漩渦，可近似認(rèn)為: Dt t at= lw， Prt Sct Let 1實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1） 與 均小于1，說(shuō)明：動(dòng)量交換過(guò)程不如熱量和質(zhì)量交換更強(qiáng)烈，溫度和濃度混合邊界層比速度邊界層發(fā)展得快。 （2由于Let=a/D1，說(shuō)明：溫度和濃

16、度邊界層的發(fā)展十分相近，可以用傳熱過(guò)程的基本規(guī)律近似描寫(xiě)質(zhì)量交換。Pr0.75,0.70.75ttScaD10.9taLeD， PrtatScD“三傳比擬舉例1、從處向C球表面擴(kuò)散O2氣，質(zhì)量擴(kuò)散是一確定值 ro C C0 濃度 x 0 第一種物理模型：從遠(yuǎn)方（）通過(guò)分子擴(kuò)散傳遞 球面上r0表面上） 第二種物理模型：從遠(yuǎn)方（）對(duì)流擴(kuò)散到球面上 （r0表面上） 兩種方式傳遞量相等，傳質(zhì)平衡邊界條件：當(dāng)r=時(shí)，C=C當(dāng)r=r0時(shí)，C=C0第一種模型 積分 同時(shí)，根據(jù)第二種模型 又等于球表面上的對(duì)流質(zhì)量交換量24dcmDrdr21()4mdcdrDr20011()4mccD r004()mr D c

17、cm200004()() 4zlmr D ccccr0202lzlDr02zlzlNuD 可見(jiàn) 說(shuō)明顆粒越細(xì)，表面質(zhì)量交換zl越強(qiáng)烈01zl有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況動(dòng)力工程燃燒中，一般煤粉或油霧與空氣的相對(duì)速度比較小也就是Re比較?。?，可以認(rèn)為1/30.620.37PrReNu 2zlNu 例2：利用熱交換過(guò)程比擬性，用溫度場(chǎng)模擬濃度場(chǎng)。 如研究?jī)晒缮淞鞯幕旌蠈?shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)混合邊界層中任一點(diǎn)濃度C。C1和C2是被比擬的實(shí)際兩股氣流的濃度T1和T2是被比擬的實(shí)際兩股氣流的溫度m1和m2是被比擬的實(shí)際兩股氣流的在空間中混合后的質(zhì)量分?jǐn)?shù),1,212121,1 12,221 1221122112211ppp

18、cccpppxyxyxyxymmmmmc Tm cTc TmTm TTmCm CCmCm CC 在湍流擴(kuò)散的流場(chǎng)中，溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)可以用相同的方程來(lái)描述，所以，可以用溫度場(chǎng)模擬濃度場(chǎng)。 用不同溫度T1=T2實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)混合點(diǎn)xy處的溫度Txy介于T1和T2之間，T1Txy T2分布與濃度Cxy相似221212xyxyTTCCTTCC實(shí)例：T1=60，T2=室溫20，實(shí)測(cè)xy點(diǎn)的Txy=50實(shí)際C1=3mol/m3，C2=2mol/m3, 那么 Cxy=2.75mol/m3求出所有點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布T(x, y)就代表濃度場(chǎng)的分布C(x, y)。21250200.756020 xyTTTT21220.

19、7532xyxyCCCCC4.4自由射流中的混合與傳質(zhì)4.4.1 自由射流的形式 自由射流的形式：自由射流指流體從噴口射入1）：無(wú)限大靜止空間空間流體速度為0）（2）：不在受固體邊壁限制，而淹沒(méi)在周?chē)黧w介質(zhì)中。流體介質(zhì)與空間介質(zhì)相同。x 初始段 R 基本段 wzs y R y 擴(kuò) 展 角 2 根據(jù)流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，有兩個(gè)基本特點(diǎn)：自由射流中任意斷面的軸向速度wx橫向速度wy。射流中的速度w軸向速度wx。自由射流內(nèi)部壓力p=周?chē)橘|(zhì)壓力p。ywx4.4.2 射流中心動(dòng)量守恒條件研究射 流混合對(duì)傳質(zhì)的影響自由射流積分動(dòng)量守恒條件：任意斷面上動(dòng)量流率是一個(gè)常數(shù)。其值恒等于主射流噴口斷面上以w1計(jì)

20、算的初始動(dòng)量流率）。1111fwwdfw w f常數(shù)推論推論1：同樣按射流相似性原理可以推出伴隨流包括自由射流熱焓差和濃度差守恒條件。即 ()11211120001()()()2Rbkkkkw iiy dyw ii Rb或或()11211120001()()()2Rbkkkkw ccy dyw cc Rb或或n其中，i2, c2分別為大空間的熱焓和濃度；對(duì)圓射流k=1，對(duì)平面射流，k=0。n推論2：對(duì)等溫伴隨流射流：T1=T2=T，1=2= ，上述三守恒條件中等式兩端的密度 可以約去。n推論3：對(duì)等溫自由射流：T1=T2=T (1=2= )，w2 = 0。動(dòng)量守恒條件22111fw dfw f

21、常數(shù)推論推論4：根據(jù)湍流射流的特性，描述射流中的動(dòng)量，熱量，質(zhì)量交換的普遍二元微分方程和連續(xù)方程1()()ykxxxytkwwwwwyxyyyy1()()kxytkiiiwwyaxyyyy1()()kxytkcccwwyDxyyyy()()0kkxyw yw yxy t，at，Dt，湍流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù) 邊界條件： 當(dāng) y=0, w=wzs, i=izs, c=czs (軸線上時(shí)) 當(dāng) y=R(b), w=w2, i=i2, c=c2(外邊界時(shí)）圓形射流k=1，平面射流k=0，以上是數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。0,0,0dwdidcdydydy0,0,0dwdidcdydydy4.4.3

22、自由射流中的混合與傳質(zhì)大表明與周?chē)橘|(zhì)的湍流混合愈強(qiáng)烈。實(shí)驗(yàn)歸納：其中決定于射流噴口截面形狀的系數(shù) a決定于噴口速度均勻程度的湍流結(jié)構(gòu)系數(shù)x 初始段 基本段 R wy R y wzs 2R0 w1 Rtgax(1) 射流擴(kuò)展角 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下 噴口截面形狀截面形狀系數(shù)湍流結(jié)構(gòu)系數(shù)a擴(kuò)展角 2圓截面圓截面（軸對(duì)稱(chēng)射流）（長(zhǎng)寬比352.4b=2.4ax 收縮很好的噴嘴0.1083210平面壁上的銳緣狹縫0.118(2) 射流斷面上的速度分布射流斷面上的速度分布相似性相似性 測(cè)量出R和wzs，可求出任意斷面上任一點(diǎn)y的速度21.51zswywRw，y任意斷面上任一點(diǎn)的速度和坐標(biāo)位置wzs，R任意斷面

23、上軸心線上的速度和邊界層半寬度ywzs yRzsww(3) 射流軸心線上參數(shù)(wzs)變化根據(jù)自由空間射流動(dòng)量守恒f w2df= w21f1 ，可以推導(dǎo)出自由射流與周?chē)橘|(zhì)間湍流混合所引起動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換沿射流軸心線參數(shù)變化的規(guī)律在射流斷面上 wzs = w1 , R/R0=3.311000.7060.7060.294zszsTCaxasTCRR103.3zswRRw1000000.960.960.294zswRxtgaxaxaswRRRRR(4) 湍流射流的卷吸特性對(duì)不等密度射流其中：qm為卷吸入射流的流體質(zhì)量，qm1為從噴口噴出的質(zhì)量， 為被卷吸流體密度， 1為噴出流

24、體密度，d0為噴口當(dāng)量直徑，s為距噴口的距離對(duì)等密度卷吸（ = 1 ）qv為卷吸后的體積流量, qv1為初始噴射體積流量1100.321mmqsqd2001010.761.32()2.2(0.294)vvasasRRqasqR5不等溫軸對(duì)稱(chēng)自由射流煤粉爐一次風(fēng)、二次風(fēng)向爐內(nèi)的噴射按動(dòng)量守恒，熱焓差守恒條件得 1101 0.535(1)0.96zszswwwaxwR12TT，無(wú)量綱速度、溫差、濃度差衰減加快，射程111zszszsCTwBCTw0.00.81.00123451zsCC1zsTT0axR 增大= =5=1=0.5=0.2 =0.1或0.00.81

25、.00123450axR1zsww 增大= =5=1=0.5=0.2 =0.1主要結(jié)論：(1) 把熱射流T1射入冷空間T2中即，無(wú)量綱軸心速度wzs衰減快，且隨有wzs 無(wú)量綱軸心溫差Tzs衰減快，且隨有Tzs 無(wú)量綱軸心濃度差Czs衰減快，混合強(qiáng)烈，且隨有Czs(2) 把冷射流T1射入熱空間T2中即，三個(gè)無(wú)量綱量wzs，Tzs，Czs衰減慢，混合慢，射程長(zhǎng)。隨衰減很慢。如鍋爐中的二次風(fēng)，從燃燒供O2的角度應(yīng)用高T1（應(yīng)可能高的空氣，以加強(qiáng)湍流混合和傳質(zhì)供O2），有利于燃燒從組織爐內(nèi)氣流流動(dòng)工況角度，相反，應(yīng)用低一些的空氣T1），衰減慢，有足夠的擾動(dòng)范圍，保證氣流流動(dòng)。(5) 氣、固(液)兩相

26、射流中的混合與傳質(zhì)n 顆粒只有幾十微米，或隨風(fēng)流動(dòng)，對(duì)射流流場(chǎng)不影響，可視為自由射流，因此適用積分守恒條件和射流分布相似性規(guī)律，由于射流中有固液顆粒，射流軸心線上速度衰減減慢即與周?chē)橘|(zhì)混合傳質(zhì)減慢）。一次風(fēng)中燃料濃度增加，會(huì)使得燃盡更加困難，火焰長(zhǎng)度變長(zhǎng)。n 某斷面軸心線上的燃料濃度Czs=化學(xué)當(dāng)量比下的理論燃燒濃度Clr時(shí)，燃燒才完全。此時(shí)該斷面的距離ax/R0稱(chēng)理論燃盡火焰長(zhǎng)度）n 以質(zhì)量流量計(jì)算，任一斷面上軸心線上濃度Czs是斷面平均濃度的1.5倍。所以，空氣和燃料的分布是不匹配的，要使得射流中各處的燃料都有充足氧氣，必須過(guò)量空氣系數(shù)大于1。4.5 旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)4.5.1 旋

27、轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)的特性旋轉(zhuǎn)射流中的混合與傳質(zhì)形成：一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)軸向運(yùn)動(dòng)）,便形成了旋轉(zhuǎn)射流速度分布：射流斷面上分成兩部分： 射流內(nèi)部：有旋運(yùn)動(dòng) r0， w0 rr1， w w1外側(cè)部分無(wú)旋運(yùn)動(dòng) rr1， w w1 r， w01.0nwwr1.5 2.0nwr常數(shù) 1.5 2.0nwr常數(shù)1.0nwwrr1w1r1 rw 自由旋轉(zhuǎn)區(qū) 核心區(qū)（剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)） 自由旋轉(zhuǎn)區(qū)橫斷面上壓力分布 先研究外側(cè)部分勢(shì)位流動(dòng)區(qū) 按伯努利方程：外邊壁 p任意點(diǎn)， , w r = w1 r0 =常數(shù)把任意點(diǎn)的 代入上式得任意點(diǎn)的壓力 顯然邊界處r=r0 結(jié)論：交界處的壓力pr0比大氣低半徑壓力切向速度任意點(diǎn)的參

28、數(shù)rpw分界處的參數(shù)r1Pr0w1外邊界Rpw=0212pw01rwwr220112rppwr02112rppw2112wwr常數(shù)橫斷面上壓力分布：軸向壓力分布： 在確定的速度環(huán)量 =2Rw下20122rppw 12112r rppw12xppw22211228xpppRxtg 在一定的速度環(huán)量下，若噴在口附近負(fù)壓很大，在射流中心有一個(gè)回流區(qū) 12112r rppw 20122rppw 自由旋轉(zhuǎn)區(qū)r1w1r1 r 壓力分布 核心區(qū)（剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)） 自由旋轉(zhuǎn)區(qū)研究中心部分剛體運(yùn)動(dòng)區(qū)徑向壓力梯度dp/dr=慣性離心力= 積分 當(dāng)r=r0時(shí)， 又 積分常數(shù) 代回，得22wrr2212pr+積分常數(shù)C0

29、222011122rprwc022111122rppwwc2112()2cpw22111222pwpw 結(jié)論：核心區(qū)， 中心處壓力比大氣壓力p要低于交界處動(dòng)壓頭的兩倍（ ）。21122w210,002rww21122ppw 中心4.5.2 旋流射流的主要試驗(yàn)結(jié)果 1、試驗(yàn)研究表明：角動(dòng)量的軸向通量的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩G和軸向動(dòng)量矩Gx均遵守守恒條件：00(2)RxGwrdr wrconst 0000(2)2RRxxxGwrdr wprdrconst2、旋流強(qiáng)度S工程上用旋流強(qiáng)度來(lái)反映旋流射流的強(qiáng)弱程度 其中R為定性尺寸，各國(guó)R取值不一樣，S數(shù)值有差異 通常為計(jì)算方便，常用噴口處平均的w和wx計(jì)算。也有

30、人用w/wx來(lái)反映旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱。RGGSx 弱旋轉(zhuǎn)射流：當(dāng)S0.6出現(xiàn)雙峰分布。n經(jīng)驗(yàn)公式：Sk6192 強(qiáng)旋射流：S0.6最大特征，出現(xiàn)中心回流區(qū)速度和壓力都按1/xk衰減即：w1/xk；其中w包括軸向、切向、徑向速度；p1/xk 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：軸向徑向 切向 壓力pkk124 噴口形狀的影響 回流量回流區(qū)直徑半張角長(zhǎng)度l/d不帶擴(kuò)口小小00帶擴(kuò)口大大35度12無(wú)擴(kuò)口的噴口 有擴(kuò)口的噴口 4.6 鈍體射流中的混合與傳質(zhì)2.6.1鈍體射流的形成鈍體即指非流線型物體。鈍體射流指流體經(jīng)過(guò)非流線型物體時(shí)，在鈍體下游的減速擴(kuò)壓流動(dòng)中，由于反壓力梯度的作用，引起邊界的脫離而形成負(fù)壓，造成回流旋渦區(qū)。在主流區(qū)與回

31、流區(qū)進(jìn)行著強(qiáng)烈的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的交換。 D d 2 3 4 1 R0 R1 a b c 最大速度線，在此線上0dwdr 0速度線，也就是回流區(qū)邊界線 4.6.2 鈍體幾何參數(shù)對(duì)平均流動(dòng)特性影響的主要試驗(yàn)結(jié)果。鈍體張角2: 對(duì)回流區(qū)長(zhǎng)度L，寬度(即零流線0)H及回流質(zhì)量流率R(R回流量qmh/主流量qmo)影響很靈敏 ，回流區(qū)寬度H，長(zhǎng)度L和回流量R都阻塞率(b/B)2的影響: 升高R升高，L/d減小。4.7 平行與相交射流的混合與傳質(zhì)4.7.1 平行與相交射流混合與傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)條件 當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上射流組，其軸線平行，稱(chēng)為平行射流，軸線成一定角度相交稱(chēng)相交射流，當(dāng)交角為180度則稱(chēng)反向氣流兩

32、股平行射流，平均速度分別為w1和w2，按照普朗特混合長(zhǎng)度理論，用 來(lái)反映其湍流粘性 其中R為混合邊界層厚度。在射流流動(dòng)中，混合長(zhǎng)度l/邊界層厚度R=常數(shù)。所以湍流切應(yīng)力 湍流切應(yīng)力間接表征了湍流中流體微團(tuán)的混合dwdy12wwdwdyR222211111111222222222()()2wwdw dwlkwwkwdy dyww兩股平行射流湍流混合的強(qiáng)弱決定于： 兩者的動(dòng)壓比 ，它是湍流擴(kuò)散三傳的動(dòng)力能量來(lái)源，它的增加會(huì)導(dǎo)致流體微團(tuán)可在更大尺度范圍內(nèi)湍流相關(guān)，且混合邊界層愈偏于動(dòng)壓小的一側(cè)。當(dāng)動(dòng)壓比趨近于1時(shí)，由于動(dòng)壓差引起的湍流擴(kuò)散已經(jīng)十分微弱，只能靠射流自身原始擾動(dòng)度來(lái)維持 決定于射流自身動(dòng)

33、壓 ，它是射流內(nèi)部進(jìn)行三傳的動(dòng)力能量源。一般自身湍動(dòng)度總是維持射流內(nèi)部的小尺度湍動(dòng)。 系數(shù)k，決定于射流噴口的結(jié)構(gòu)特征和速度分布特征211222ww222w相交射流 相交射流以一定角度相交，在各自慣性力作用下相互碰撞和混合，完成“三傳”，這個(gè)慣性力比湍流切應(yīng)力要大數(shù)百倍。射流等值核心區(qū)被強(qiáng)烈破壞。“三傳升高。射流變形，壓扁，混合邊界層很快波及到射流軸心線區(qū)，“三傳升高。交角越大壓扁越厲害。兩射流軸心線相交后，合成一股射流，同時(shí)具有最大的變形后的周邊。所以與周?chē)橘|(zhì)“三傳也加強(qiáng)。結(jié)論：相交射流混合傳質(zhì)的動(dòng)力學(xué)條件是兩射流的動(dòng)量流率比M=1時(shí)混合最強(qiáng)烈。 本章總結(jié)組織好工程燃燒過(guò)程的思路：化學(xué)反應(yīng)

34、的溫度、物質(zhì)濃度條件不同，則化學(xué)反應(yīng)的速度、反應(yīng)路線和產(chǎn)物不同。因而，需要合理運(yùn)用控制傳熱和傳質(zhì)的方法，精確地設(shè)計(jì)并控制燃燒過(guò)程中的溫度分布和物質(zhì)濃度分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒速度和產(chǎn)物的控制。所以，工程燃燒學(xué)需要重點(diǎn)關(guān)注混合與傳質(zhì)過(guò)程。各種工程燃燒過(guò)程的混合與傳質(zhì)的特性各不相同，需要用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究分析。但是，典型的燃燒組織過(guò)程有著共性的規(guī)律。速度脈動(dòng)wx決定湍流中的“三傳過(guò)程 湍流切應(yīng)力 湍流正應(yīng)力 動(dòng)量傳遞 湍動(dòng)度 湍流熱通量 熱量傳遞 湍流傳質(zhì)通量 質(zhì)量傳遞其中： w*某一特征速度 c 比熱 m流體某一組分 物質(zhì)量的脈動(dòng)量xyw w 2xw222*()/3xyzwwwwyc T w ym w

35、2221()2xyzwww2222222yyyxxxzzzwwwwwwwwwxyzyxzxzy另外兩個(gè)主要量： 湍流動(dòng)能 湍流耗散實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：湍流的“三傳過(guò)程是相似的，但也存在差異（1） 與 均小于1，說(shuō)明：動(dòng)量交換過(guò)程不如熱量和質(zhì)量交換更強(qiáng)烈，溫度和濃度混合邊界層比速度邊界層發(fā)展得快。 （2由于Let=a/D1，說(shuō)明：溫度和濃度邊界層的發(fā)展十分相近，可以用傳熱過(guò)程的基本規(guī)律近似描寫(xiě)質(zhì)量交換。Pr0.75,0.70.75ttScaD10.9taLeD， PrtatScD在沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)的流場(chǎng)中，可以用溫度場(chǎng)模擬濃度場(chǎng)。 如研究?jī)晒缮淞鞯幕旌蠈?shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)混合邊界層中任一點(diǎn)濃度C。C1和C2是被比擬的實(shí)際兩股氣流的濃度T1和T2是被比擬的實(shí)際兩股氣流的溫度m1和m2是被比擬的實(shí)際兩股氣流的在空間中混合后的質(zhì)量分?jǐn)?shù),1,212121