燃氣燃燒的氣流混合過程正式樣本

1、文件編號：TP-AR-LI867燃氣燃燒的氣流混合過程正式樣本There Are CertaIn Management MeChaniSmS And MethOdS In The Management Of OrganIZations, And ThePrOViSiOnS Are Blndlng On The PerSOnnel Within The JUnSdiCtiOnZ WhiCh ShOUId Be ObSerVed By EaCh Party.（示范文本）編制：審核：單位：內(nèi)部管理系列 INTERNAL MANAGEMENT編號：TP-AR-Ll867第2頁燃氣燃燒的氣流混合過程正式

2、樣本使用注慮：該操作規(guī)程資料可用在組織/機構(gòu)/單位管理上，形成定的管理機制和管理原則、 管理方法以及管理機構(gòu)設(shè)置的規(guī)范，條款對管轄范圍內(nèi)人員具有約束力需各自遵守。材料內(nèi)容 可根據(jù)實際情況作相應(yīng)修改，請在使用時認真閱讀。在燃燒技術(shù)中，燃氣燃燒過程是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程。就其過程進展條件不同，可分為動力 燃燒和擴散燃燒，前者為燃氣和空氣預(yù)先充分、均勻 混合，然后送入燃燒室進行燃燒；后者為燃氣和空氣 分別送入燃燒裝置，在燃燒室內(nèi)一邊混合，一邊進行 燃燒，由于燃燒速度較慢，一般有明顯的火焰，也稱 為有焰燃燒。對于有焰燃燒，燃氣和空氣混合的物理過程，是 決定燃燒特性的重要因素。如，火焰長度、寬度及它

3、 的溫度分布等等。所以，研究燃燒過程，必須討論與 燃燒化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)的物理過程。從燃燒器噴嘴噴出的燃氣流或然氣、空氣混合流，都是一股射出流體，簡稱為射流。射流分為各種 類型。按射流方式可分為直流射流、旋轉(zhuǎn)射流；按出 流方向可分為平行射流、環(huán)狀同心射流、相交射流； 按流動狀態(tài)可分為層流射流、紊流射流等等。本章屬燃燒空氣動力學(xué)內(nèi)容，介紹氣流混合的基 本概念和自由射流、相交氣流。第一節(jié)靜止氣流中的自由射流當(dāng)氣流由管嘴或孔口噴射到充滿靜止或速度非常 小介質(zhì)的無限空間時，所形成的氣流，稱為自由射 流。自由射流中，氣流混合的實質(zhì)是噴出氣體與周圍 介質(zhì)進行的動量和質(zhì)量的交換。按射出流體與環(huán)境介 質(zhì)的溫度和

4、密度，可分為等溫自由射流和非等溫自由 射流；按流動狀態(tài)不同，自由射流又可分為層流自由 射流和紊流自由射流等。一、層流自由射流當(dāng)噴嘴口徑較小，噴出流量也較低，噴出流體的Re數(shù)在臨界值以下時，形成層流自由射流。某種燃氣從燃燒器噴嘴以質(zhì)量流量qm、速度vO、溫度TO、密度P0、濃度Co噴出，其前進方向 與X軸方向相同，并且初速度Vo在噴嘴出口處呈均 勻分布。在射流進入空間后，因與周圍介質(zhì)有速度差，且 有粘性，產(chǎn)生層流混合邊界層，引起射流和周圍介質(zhì) 的質(zhì)量、動量交換，使介質(zhì)分子也跟隨射流運動，即 被射流卷吸，使射流流量逐漸增加，射流流場不斷加 寬；而射流斷面上的平均速度卻逐漸下降。圖3 3-1為等溫層

5、流自由射流流場結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，OB、Oe為射流外部邊界，是射流與周圍 靜止介質(zhì)的交界面。在此，射流的軸向速度為零：外 部邊界的交點為極點0；夾角 1為射流張角；AD、 ED是射流內(nèi)部邊界，為射流核心的邊界；內(nèi)外邊界 之間，則為層流混合區(qū)，即邊界層。AED區(qū)域，保持 出口的TO、CO等參數(shù)，且軸心速度保持v,稱為射 流核心區(qū)。D點所在的FDG截面為過渡截面。Z ADE ( 2)為射流核心收縮角。從出口到過渡截面為初 始段。過渡截面FDG上的軸心速度VnI=VO后，射流沿程各截面 速度分布開始不斷變化，直到呈相似速度分布。過渡 截面FDG之后，則為基本段。對于周圍介質(zhì)的溫度和內(nèi)部管理系列 INT

6、ERNAL MANAGEMENT編號：TP-AR-Ll867密度與噴出氣流不同的非等溫自由射流，水平出流時 由于重力差使流場發(fā)生彎曲，如圖3-2-2,熱射流 水平出流至冷介質(zhì)時，射流軸線往上彎曲；而對冷射 流出流，則軸線下彎。圖3-3-1等溫層流自由射流流場結(jié)構(gòu)示意圖圖3-3-2非等溫層流自由射流如果射流垂直向上射出，那么重力差只是稍微改變射流的張角及核心收縮角，并不使截面上速度分布和軸線變形。噴出氣流密度小于周圍介質(zhì)的密度，則張角及收縮角減??；反之，則角度增大。 當(dāng)燃氣第2頁內(nèi)部管理系列 INTERNAL MANAGEMENT編號：TP-AR-Ll867第2頁射流以層流狀態(tài)向上噴入靜止空氣中

7、時，氣流混合過 程如圖333o射流混合以分子擴散的方式進行。 在內(nèi)外邊界線之間的層流混合邊界層內(nèi)，燃氣分子從 內(nèi)邊界向外邊界擴散，而空氣分子則從外邊界線向內(nèi) 擴散。因此射流的外邊界（1面）以外，是純空氣。射 流內(nèi)邊界（5面）以內(nèi)為純?nèi)細狻７€(wěn)定狀態(tài)下，在由射 流極點0引出的每一條射線上，燃氣的濃度都是從5 面往外逐漸降低的。因此，在每條射線上都可劃分出 燃氣的5個濃度段，即：Cg=IO0%； 100%化學(xué)計 量濃度；化學(xué)計量濃度；化學(xué)計量濃度0%； Cg=OO圖3-33層流射流混合過程也就是說，在穩(wěn)定的燃氣層流自由射流中，由于 分子擴散，會形成性質(zhì)彼此不同的幾個區(qū)域：A射流核心區(qū)；B比化學(xué)計量濃

8、度更濃的燃氣/空氣混合區(qū)；C化學(xué)計量濃度區(qū)；D濃度低于化學(xué)計量的燃氣/空氣混合區(qū)；E燃氣濃度等于O的區(qū)域。點火以后，在射流中化學(xué)當(dāng)量濃度區(qū)就會形成一 層流擴散火焰。顯然，這時火焰長度主要取決于與燃 氣的1昆合過程有關(guān)的各因素，主要是擴散混合的條 件和燃氣的體積流量等。二、紊流自由射流在工業(yè)燃燒器中，燃氣流量較大，噴嘴孔徑及噴 出速度都較大，在噴嘴出口處即形成紊流自由射流。射流自噴嘴出口以后，在紊流擴散過程中，內(nèi)部 有許多分子微團的脈動，引起射流與周圍介質(zhì)之間的 質(zhì)量和動量交換，使周圍介質(zhì)被卷吸。這樣射流質(zhì)量 不斷增加，流場的寬度亦不斷擴展，而射流斷面上速 度則不斷減小并逐漸均勻，同時在流寬度上

9、形成各種 不同濃度的混合物，如圖334所示。由于紊流擴散與分子擴散之間的相似性，所以紊 流自由射流和層流自由射流的流場結(jié)構(gòu)圖形也十分相 似，主要區(qū)別僅在于起始段內(nèi)紊流自由射流截面速度 較大，速度分布更趨均勻。在層流自由射流和紊流自由射流中，由于氣體分 子或分子微團與周圍介質(zhì)間的自由碰撞，造成射流本 身的動量損失，但同時也使周圍介質(zhì)獲得動量而發(fā)生 運動。因此，沿射流軸線方向，整個射流的動量和壓 力保持不變。這是自由射流的主要特點。在紊流射流邊界層內(nèi)，可燃混合物在不同位置處 的組成比例顯然是不同的。與層流擴散火焰類似，它 在著火時，也是在紊流擴散混合區(qū)濃度處于化學(xué)當(dāng)量 比的表面上形成火焰焰面。也就

10、是說，紊流射流中燃 燒區(qū)的位置也是完全由紊流擴散的條件來決定的，燃 燒速度則由其擴散混合速度來確定。研究表明，紊流自由射流的起始段長度SO和極 點深度h都與噴嘴出口半徑有關(guān)：SO=O. 67Y / ah0=0. 29r / a式中a紊流結(jié)構(gòu)系數(shù)，它表示氣流紊動和出口速度場的不均勻程度。在 Re=201034X106的范圍內(nèi)，系數(shù)a并不隨Re變化，僅隨原始速度不均勻程度的加劇而增大。對完全均勻的速度場（VO射流出口軸心速度；射流出口截面平均速度），a=0. 066；對自然紊動射流,a=0.08射流軸心速度Vnl的變化取決于噴嘴尺寸和射流出口速度。在起始段，軸心速度等于射流出口速度;其后，軸心速度

11、沿程衰減，如圖334o圖3-3-4紊流自由射流根據(jù)試驗，圓形射流軸心速度的衰減規(guī)律如下:式中S計算截面離噴嘴的距離。圓形射流任一截面上無因次流量（qv表體積流量）與距離的關(guān)系為：自由射流中，各截面上的一切特性參數(shù)均為該截 面上軸心速度的函數(shù)，而軸心速度則取決于噴嘴出口 截面至該橫截面的距離s,因此已知S和vO、r a 即可直接算出各截面上所有的運動參數(shù)。自由射流對周圍氣體的卷吸能力，可以用卷吸率來表示。卷 吸率，即卷吸量與射流初始質(zhì)量的比值，即：式中qen卷吸質(zhì)量流量；QS離噴嘴出口 S距離截面上射流的總質(zhì)量流量；QO射流的初始質(zhì)量流量。實驗證明，對于等溫自由射流有，式中do為噴口直徑；比例常

12、數(shù)de=0. 250. 45,與實驗條件有關(guān)。如de=0. 32.射流卷吸率 為，對于非等溫自由射流，PPa,則用當(dāng)量直徑代替噴口直徑，得：式中PO射流出口初始密度；P a周圍介質(zhì)(空氣)密度。在燃燒過程中，噴出氣體是燃氣，故必須有一定 量的空氣被卷吸至射流中，方能進行燃燒?？捎檬?(3-3)、式(3-4)計算應(yīng)有多長的射流長度才能從周 圍獲得所需要的空氣量。但是，由于燃氣和空氣在射流截面上的濃度分布 是極不均勻的，在射流四周空氣大量過剩，在射流中 心燃氣大量過剩。為了充分完成混合過程，以便保證 完全燃燒，還需要有一段擴散過程。因此實際火焰長 度，要比理論計算出的長度大得多。例331已知噴嘴直

13、徑d=30mm,燃氣低熱值 HL=12770kJ / m3,燃氣密度 Pg=I. 25kg/m3,燃氣向空氣中噴燃，試計算其火焰長度。解：根據(jù)燃燒計算經(jīng)驗公式，由HL=12770kJ / m3可汁算理論空氣量Vo二307m3/ m3o由式(33)求得所以s=033m實際火焰長度當(dāng)然要比計算值大。理論證明，不管噴出速度如何，紊流射流的火焰長度與噴嘴直徑成 正比。第二節(jié)平行氣流在燃燒技術(shù)中，射流往往不是噴人靜止的介質(zhì)而 是噴入運動的氣流，如燃氣噴入低速運動的空氣流 中。射流噴入到與它同向平行流動的主氣流中時，就 形成平行氣流。見圖3-3-5o平行氣流中的自由射 流，與靜止氣流中的自由射流相比，增加

14、了個過渡 段。在過渡段等速核心已消失，但軸心速度衰減很 慢，變化仍不顯著。直至過渡段終了，射流截面速度 分布才穩(wěn)定下來。其后為射流基本段，此時軸心速度 衰減就較明顯。平行氣流中的自由射流邊界仍然是直線，但基本 段的邊界線不同于起始段及過渡段，其極點到射流出 口的距離為x0o在平行氣流中，射流的擴散混合、射流的擴展、 軸心速度的衰減、射流核心區(qū)的長度等，都與射流和 主氣流間的速度差有關(guān)。當(dāng)射流和主氣流之間存在著速度差和密度差時， 射流與主氣流混合的強度取決于兩者動壓頭的比值，這里PS、VS為主氣流密度和平均速度；P 2、v2為射流密度和平均速度。混合強度也正比于射流本身動壓頭絕對值的大小P 2v

15、2 2o當(dāng)VS很接近v2時，射流與主氣流的混合非 常微弱；當(dāng)vs=v2時，因速度差引起的分子微團間的 湍流擴散就不再進行。射流與主氣流混合過程的動力 來源，是射流所具有的初始湍流程度。如射流與主氣流之間只存在速度差的情況下，則 射流與主氣流的混合強度和射流的特性，就取決于主 氣流速度VS與射流初速VO之間的速度差。圖3-3-5平行氣流中的自由射流圖3-3-6平行氣流軸心速度的衰減定義主氣流速度與射流出口流速之比，為速度比 =vsv,以入來表示氣流混合的程度。當(dāng)速度比 入不斷增大時，射流與主氣流混合強度亦增大，射流 的擴展率以及速度和濃度的衰減率也不斷增大，而射 流核心區(qū)長度則逐漸減??；反之則反

16、。當(dāng)兩者速度差 等于零，即VS=V0、入二1時,混合最弱，射流核心區(qū) 則貫穿了整個流場。根據(jù)實驗，射流軸心速度VnI隨速度比入變化的 規(guī)律如圖336所示。其表明，當(dāng)入=0或入 =2. 13時，軸心速度衰減最快，混合強烈;當(dāng)入接 近1或入二1時，則射流核心區(qū)最小，速度衰減最 慢，射流核心長度最長。第三節(jié)相交氣流當(dāng)射流以一定的角度與運動著的主氣流相交時，形成相交氣流。如別流與主氣流相交的角度為如90時，就稱之為橫向射流。橫向射流常用于燃氣工 業(yè)爐的鍋爐中。又如強化擾動和燃燒的爐內(nèi)二次空 氣，也是采用橫向則流。圖337為一圓孔射流橫 穿主氣流時的相交氣流。設(shè)燃燒室壁上有直徑為d的圓形噴孔，噴孔中心

17、線與壁面交叉角為90。，射流(一般為燃氣，或者二 次空氣)的初始速度V2、密度P 2、體積流量qv,在 燃燒室中有速度VI的主氣流沿X方向流動。圖3-3-7圓孔射流橫穿主氣流時的射流圖形 橫穿主氣流的射流，在迎風(fēng)面上受到主氣流動壓(1/2) P W的沖擊，背風(fēng)面則受到尾流中降壓漩渦的卷刷。射流噴入燃燒室后，其前沖速度本來已經(jīng)降 低，再加上側(cè)面受到主流的沖刷剪切，因而發(fā)生變 形。結(jié)果，射流逐漸向主流下游彎曲，射流剖面被擠 扁卷曲變成腎形（見圖3-3-7中A-A剖面），腎形 凹面后出現(xiàn)一對反轉(zhuǎn)漩渦，順流發(fā)展擴大，到下游很 遠才衰變散裂。彎曲變形射流與主流之間因紊流渦團的揉搓摩擦 作用，射流出現(xiàn)周向

18、速度分量，增添了側(cè)面切應(yīng)力， 故卷吸摻混作用特別強烈。自圓孔中心起，彎曲射流 大致可分三段，即第1段是射流核OB,它比自由射 流的勢能核顯著縮短并向下游歪斜；第II段是顯著彎 曲段，射流剖面迅速變形；第III段是漩渦擴展段，射 流轉(zhuǎn)到主流方向。為了計算相交氣流混合過程的各參數(shù)，必須確定 混合過程與噴嘴結(jié)構(gòu)系數(shù)（孔口形狀、孔口尺寸等）及 流體動力參數(shù)間的關(guān)系。流體動力參數(shù)q21,等于射流在孔口處的動壓與主氣流動壓之比：式中Pl、VI主氣流（通常為空氣）的密度和 速度；P 2、v2射流（通常為燃氣）的密度和速度。相交氣流的混合特征，主要有穿透深度和射流射 程。當(dāng)射流軸線變得與主氣流方向一致時，噴嘴出口 平面到射流軸線之間的法向距離h,定義為絕對穿透 深度；絕對穿透深度A與噴嘴直徑d之比，定義為相 對穿透深度。在射流軸線上定出一點，使該點的軸速度在X方 向上的分速度Va為出口速度v2的5%,以噴嘴平面 至該點的相對法向距離Xl/d,定義為射流射程D。許多學(xué)者，尤其是伊萬諾夫等人對相交氣流進行