《消防燃燒學(xué)》第7章-射流混合過程課件

回顧第一篇：燃料介紹了燃料的基本性質(zhì)、分類，以及成分表示方法，不同的成分表示方法的換算第二篇：燃燒計(jì)算燃料燃燒時(shí)的空氣需要量，產(chǎn)物生成量的計(jì)算方法（化學(xué)反應(yīng)方程式的質(zhì)量比、系數(shù)比）燃燒溫度，發(fā)熱溫度的近似求解過程（內(nèi)插值近似法）氣體分析方程、空氣消耗系數(shù)和熱損失的產(chǎn)物成分計(jì)算方法以燃燒的結(jié)果作為研究對象，沒有考慮燃燒是如何進(jìn)行的1回顧第一篇：燃料以燃燒的結(jié)果作為研究對象，沒有考慮燃燒是如何第三篇燃燒基本原理2第三篇燃燒基本原理2第三篇燃燒基本原理一、燃燒的定義《工程燃燒學(xué)》--第七章燃燒過程：從混合（擴(kuò)散）到燃燒反應(yīng)完成的整個(gè)過程所謂燃燒，通常伴有放熱、火焰、發(fā)光和（或）發(fā)煙現(xiàn)象,是可燃物與氧化劑作用發(fā)生的氧化反應(yīng)。燃燒過程是一種復(fù)雜的物理過程和化學(xué)過程的綜合，它既有流動、擴(kuò)散、混合等物理現(xiàn)象，又有氧化還原反應(yīng)，并放出光和熱的化學(xué)現(xiàn)象。燃燒是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程——三傳一反：動量傳遞（流動）熱量傳遞質(zhì)量傳遞（擴(kuò)散）化學(xué)反應(yīng)3第三篇燃燒基本原理一、燃燒的定義《工程燃燒學(xué)》--第七第三篇燃燒基本原理《工程燃燒學(xué)》--第七章τ混---表示混合所需要的時(shí)間τ熱---表示混合后的的可燃物到達(dá)開始燃燒反應(yīng)的溫度所需要的時(shí)間τ化---表示完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間燃燒過程的進(jìn)行主要是受化學(xué)動力學(xué)影響，還是受擴(kuò)散因素的影響。4第三篇燃燒基本原理《工程燃燒學(xué)》--第七章τ混---表第三篇燃燒基本原理（一）基本分類二、燃燒的分類《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）動力燃燒（動力學(xué)因素控制，預(yù)混燃燒、爆炸）：混<<

熱+t化

（2）擴(kuò)散燃燒（受流動、擴(kuò)散和物理混合因素控制，液體燃料滴/蠟燭/碳粒的燃燒）：混

>>

熱+t化

（3）中間燃燒：介乎兩者之間5第三篇燃燒基本原理（一）基本分類二、燃燒的分類《工程燃第三篇燃燒基本原理燃燒狀態(tài)燃燒分類與時(shí)間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)與空間的關(guān)系一維、二維和三維初始反應(yīng)物的混合狀態(tài)預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒氣體流動狀態(tài)層流、紊流和過渡燃燒按反應(yīng)物物態(tài)均相和異相燃燒燃燒波的速度緩燃（亞音速波）、爆震（超音速波）按燃料氣體、液體和固體燃料燃燒《工程燃燒學(xué)》--第七章（二）其他分類6第三篇燃燒基本原理燃燒狀態(tài)燃燒分類與時(shí)間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)和非主要內(nèi)容射流混合過程燃燒反應(yīng)速度和反應(yīng)機(jī)理著火過程燃燒傳播過程異相燃燒火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定7主要內(nèi)容射流混合過程7第七章射流混合過程實(shí)際意義①物理因素在整個(gè)燃燒過程起著更為重要的作用；例如有焰燃燒。②射流是大多數(shù)工程燃燒混合的主要方式：除固體燃料有時(shí)以塊狀進(jìn)行燃燒外，其它燃料和氧化劑都是以射流形式送入燃燒空間的?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章8第七章射流混合過程實(shí)際意義《工程燃燒學(xué)》--第七章8第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章分類：根據(jù)射流噴嘴：平面射流與圓形射流根據(jù)射流結(jié)構(gòu)：直流射流與旋轉(zhuǎn)射流平行射流與相交射流環(huán)形射流與同軸射流根據(jù)射流環(huán)境：自由射流與受限射流層流射流與湍流射流根據(jù)射流流動：主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：各種射流的定義，射流的形成條件與一般特征。9第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章分類：根據(jù)射流第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流10第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.1靜止氣體中的自由射流一、自由射流的定義流體由噴嘴流出到一個(gè)足夠大的空間后，不再受固體邊界限制而繼續(xù)擴(kuò)散的一種流動。其燃燒裝置稱為大氣燒嘴，例如家用煤氣灶。二、自由射流的特點(diǎn)

射流氣體離開噴口以后，因與外圍流體之間有速度差，且有粘性，故產(chǎn)生紊流漩渦層，與外圍流體進(jìn)行動量和質(zhì)量交換，導(dǎo)致各流動截面上的速度、濃度分布特征發(fā)生變化。根據(jù)這些特征，沿射流的前進(jìn)方向，可將射流分為初始段，過渡段和自模段（充分發(fā)展段）《工程燃燒學(xué)》--第七章11§7.1靜止氣體中的自由射流一、自由射流的定義《工程燃燒學(xué)初始段：

紅色部分為勢流核心；核心區(qū)內(nèi)速度、濃度等與出口處相同，長度約4--5d0?！?.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章μ=1/2μmyy自模段：軸向流速都呈正態(tài)相似分布；x/d0＞8-10過渡段：射流截面上軸向速度分布不斷變化直至成為正態(tài)相似分布12初始段：§7.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七§7.1靜止氣體中的自由射流

根據(jù)普朗特混合長度理論，自由射流半寬(y)：軸向um的沿程衰減規(guī)律：軸心Cm的沿程衰減規(guī)律:

自模段特性《工程燃燒學(xué)》--第七章u的分布規(guī)律：C的分布規(guī)律:μ=1/2μmyy軸向流速和濃度的徑向分布都具有相似性：13§7.1靜止氣體中的自由射流根據(jù)普朗特混合長度理論，自由自由射流對周圍氣體的卷吸能力可用卷吸率表示：§7.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章三、射流的卷吸及卷吸量的計(jì)算射流向前運(yùn)動時(shí)，由于橫向的速度脈動及粘性，與周圍介質(zhì)產(chǎn)生動量交換，帶動周圍介質(zhì)運(yùn)動，使射流的質(zhì)量沿流向逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為射流的卷吸或引射。有射流必有引射。其中me--為卷吸量；

mx--為x截面處射流的總質(zhì)量流量；

m0--為射流的初始質(zhì)量流量。14自由射流對周圍氣體的卷吸能力可用卷吸率表示：§7.1靜止氣隨著與噴口距離x的增加，卷吸率是增大、減小還是保持不變？15隨著與噴口距離x的增加，卷吸率是增大、減小還是保持不變？15§7.1靜止氣體中的自由射流

（1）時(shí)

射流流量：，與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。

卷吸率：（2）時(shí)Thring提出用當(dāng)量直徑de代替噴口直徑d0，即認(rèn)為噴出的氣體密度為ρs，速度和動量保持恒定（為u0和G0）

《工程燃燒學(xué)》--第七章

非等溫射流卷吸率：16§7.1靜止氣體中的自由射流（1）第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流17第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.2同向平行流中的自由射流噴入同向平行氣流中的射流，分單股平行射流和多股平行射流。射流的擴(kuò)展、軸心速度的衰減和射流核的長度主要與射流流體和環(huán)境流體之間的速度梯度有關(guān)?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章射流與外流間的速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合減緩，射流張角、速度及濃度沿軸向的變化率隨之減小，勢核長度越大，當(dāng)二者相等時(shí)，勢核貫穿整個(gè)流場。二、單股射流的特點(diǎn)一、定義18§7.2同向平行流中的自由射流噴入同向平行氣流§7.2同向平行流中的自由射流Squire和Trouncer從理論上分析了平行流中自由射流的有關(guān)特性，提出射流出口附近混合區(qū)中軸向速度的分布公式：其中：r1和r2——混合區(qū)的內(nèi)、外半徑，u0和us——射流初速度和外圍流的速度《工程燃燒學(xué)》--第七章三、速度分布19§7.2同向平行流中的自由射流Squire和Tro根據(jù)軸向速度分布式和Alpinieri的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(λ>1)繪出了平行流中射流軸向速度衰減圖，圖中λ=us/u0由圖可看出，當(dāng)λ由0或2.13趨向1時(shí)，射流核越來越大，軸心速度衰減變慢射流特性的影響因素§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）流速比20根據(jù)軸向速度分布式和Alpinieri的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(λ>1)繪§7.2同向平行流中的自由射流射流的半速線（表示射流的擴(kuò)散情況）隨流速比的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)λ<1時(shí)，射流張角和射流擴(kuò)展率隨λ增大而減小?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章射流的半速線隨流速比的變化21§7.2同向平行流中的自由射流射流的半速線（表示射流的擴(kuò)散§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章軸線濃度衰減圖，射流特征量應(yīng)當(dāng)是比值ρsus/ρ0u0的函數(shù)（2）密度（ρ0≠ρs

）

Alpinieri在研究λ>1的情形時(shí)，得到一個(gè)重要結(jié)論：射流特性不僅與速度比有關(guān)，而且與密度比有關(guān)，當(dāng)兩者的密度比相差較大時(shí)，密度差引起軸線上的濃度有顯著衰減，以致于對速度比的變化不甚敏感。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，H2、CO2和空氣的密度分別為：0.0899g/L、1.79g/L，為1.29g/L。22§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章軸線第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流23第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.3交叉射流一、定義及應(yīng)用情況以某一角度與主流相交的射流。工業(yè)燃燒裝置中，經(jīng)常采用交叉射流，以實(shí)現(xiàn)以下功能：強(qiáng)化燃燒或降溫，例如向火焰中噴射二次助燃空氣。二、流場結(jié)構(gòu)正交射流噴孔中心線與壁面交叉角為90℃，主流沿x方向流動。

《工程燃燒學(xué)》--第七章24§7.3交叉射流一、定義及應(yīng)用情況《工程燃燒學(xué)》--第七§7.3交叉射流彎曲射流大致可分為三段：Ⅰ為射流核OB，比自由射流顯著縮短，且向下游歪斜；Ⅱ?yàn)轱@著彎曲段射流剖面迅速變形；Ⅲ旋渦擴(kuò)展段，射流轉(zhuǎn)到主流方向。Os為um聯(lián)結(jié)線，Oc為幾何中心線《工程燃燒學(xué)》--第七章圓孔射流橫穿主流時(shí)的彎曲變形25§7.3交叉射流彎曲射流大致可分為三段：Ⅰ為射流核OB§7.3交叉射流絕對穿透深度：橫穿主流的射流彎曲到和主流方向接近平行時(shí)，彎曲軸線離開噴射口的垂直距離。相對穿透深度：絕對穿透深度與噴嘴直徑d0之比稱為相對穿透深度。穿透深度（y/d）與λ呈反比，歸納為下列穿透深度的經(jīng)驗(yàn)公式：《工程燃燒學(xué)》--第七章正交射流的穿透深度26§7.3交叉射流絕對穿透深度：橫穿主流的射流彎曲到和主§7.3交叉射流斜交射流

為了助燃或降溫，有時(shí)需要二次空氣斜穿過主流，即噴孔中心線與壁面交叉角大于或小于90℃。彎曲變形規(guī)律：穿透深度隨流速比(α=u0/v0)的增大而增大《工程燃燒學(xué)》--第七章射流軸線隨交角和流速比的變化27§7.3交叉射流斜交射流《工程燃燒學(xué)》--第七章射流軸第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流28第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.4環(huán)狀射流和同心射流一、流場結(jié)構(gòu)：（1）充分發(fā)展區(qū)流動情況與軸對稱圓形射流相似；（2）但在噴嘴附近環(huán)狀射流中心形成低壓回流區(qū)；在同心射流交界面上，由于中央噴管有一定壁厚，也會形成回流區(qū)。

因此，對環(huán)狀射流和同心射流來說，噴嘴的幾何形狀，對鄰近噴嘴的射流狀態(tài)有較大影響。回流區(qū)一般用于改善火焰的穩(wěn)定性?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章29§7.4環(huán)狀射流和同心射流一、流場結(jié)構(gòu)：《工程燃燒學(xué)》--二、外圍環(huán)狀射流與中心射流的相互影響§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學(xué)》--第七章圖為中心射流的勢流核心和軸心速度隨流速比(λ=ua/uc)的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)狀射流的速度很小，例如λ=0.08時(shí)，一直到4d0距離內(nèi)，中心射流的軸心速度都保持常量，也就是說，勢核長度約為中心噴嘴直徑d0的4倍。隨著λ的增大，勢核長度越來越小，中心射流速度衰減變快。當(dāng)λ=2.35時(shí)，中心射流很快被環(huán)流所吸收。環(huán)狀射流對中心射流的影響30二、外圍環(huán)狀射流與中心射流的相互影響§7.4環(huán)狀射流和同心§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學(xué)》--第七章對于外圍環(huán)狀射流來說，用環(huán)縫寬度1/2(D2-D1)作為特性尺寸，環(huán)縫出口速度ua0作為特性速度時(shí)，中心射流對外圍射流的影響如圖所示。從圖中可以看出，隨著中心流速的增大（λ減?。?，環(huán)形射流勢核逐漸減小，速度衰減變快。直到λ=0.08時(shí)，經(jīng)過相當(dāng)距離后（D2-D1），環(huán)形射流被中心射流完全吸收。中心射流對外圍環(huán)形射流的影響31§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學(xué)》--第七章對于外圍第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流32第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.5旋轉(zhuǎn)射流一、定義

射流在離開噴嘴前先強(qiáng)迫流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它從噴嘴噴出后便會一邊旋轉(zhuǎn)一邊向前運(yùn)動，這就是旋轉(zhuǎn)射流，簡稱旋流。《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）存在軸向分速度vx、徑向分速度

vr和切向分速度v二、特點(diǎn)（2）旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈到一定程度時(shí)，噴嘴附近可形成回流區(qū)33§7.5旋轉(zhuǎn)射流一、定義《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章實(shí)線vx

虛線v在軸心處vx<0，回流區(qū)邊界上vx=0，回流區(qū)邊界(vx=0)與射流邊界之間vx有一最大值vmax，x，vmax，vx分布趨于平坦均勻，回流區(qū)變小直到消失。34§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章實(shí)線vx§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章（3）速度沿程衰減快；當(dāng)x/d>5以后，v、vr

基本上消失，只有vx存在。旋轉(zhuǎn)射流沿程無因次速度35§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章（3）速度沿(4)射流中心有很強(qiáng)的卷吸力§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章射流軸線上的靜壓力低于大氣壓力(負(fù)壓)，說明旋轉(zhuǎn)射流中心有很強(qiáng)的卷吸作用，x，靜壓力大氣壓力，卷吸作用。36(4)射流中心有很強(qiáng)的卷吸力§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程§7.5旋轉(zhuǎn)射流

燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流是強(qiáng)化燃燒和組織火焰的一個(gè)有效措施，它能有效地提高火焰穩(wěn)定性和燃燒強(qiáng)度。

三、旋流的作用《工程燃燒學(xué)》--第七章37§7.5旋轉(zhuǎn)射流燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流是強(qiáng)化四、旋流的幾個(gè)相關(guān)概念

自由旋渦：靠流體內(nèi)部的位能變化（靜壓或水位差）而運(yùn)動，所以叫“位流旋渦”。這種旋渦的回旋運(yùn)動并非由外加扭矩所引起，若忽略摩擦損耗，則不同半徑上流體微團(tuán)的動量矩應(yīng)當(dāng)守恒，故又叫“自由旋渦”?！?.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章特點(diǎn)：（1）切線速度v0與半徑成反比，即越靠近渦心，切線速度越快；（2）自由旋渦是一種“無旋”圓周運(yùn)動。38四、旋流的幾個(gè)相關(guān)概念

自由旋渦：靠流體內(nèi)部的位能變化（靜壓§7.5旋轉(zhuǎn)射流固體旋渦：流體繞中心按固體旋轉(zhuǎn)規(guī)律旋轉(zhuǎn)的旋渦，又叫強(qiáng)制旋渦。表達(dá)式為：旋風(fēng)或旋流是由外圍的自由旋渦和渦核的強(qiáng)制旋渦組成，二者整體叫做圓周旋渦《工程燃燒學(xué)》--第七章39§7.5旋轉(zhuǎn)射流固體旋渦：流體繞中心按固體旋轉(zhuǎn)規(guī)律旋轉(zhuǎn)§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流強(qiáng)度、旋流數(shù)旋轉(zhuǎn)射流的規(guī)模和強(qiáng)度在控制火焰長度、提高燃燒強(qiáng)度及改善火焰穩(wěn)定性方面起著重要的作用。在旋轉(zhuǎn)自由射流中，由于外力矩等于零，軸向動量Gx及角動量Gφ都保持守恒。即《工程燃燒學(xué)》--第七章40§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流強(qiáng)度、旋流數(shù)《工程燃燒學(xué)》--第七§7.5旋轉(zhuǎn)射流（1）旋流數(shù)軸向動量Gx及角動量Gφ都是旋轉(zhuǎn)射流的動力特性參數(shù)，由它們組成的無量綱數(shù)s來反應(yīng)旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，叫做旋流數(shù)。S的表達(dá)式為：意義：旋流數(shù)S，不僅可以用來反映射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，而且，對于幾何相似的旋流裝置來說，它也是一個(gè)非常適用的表示射流動力相似的相似準(zhǔn)數(shù)?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章41§7.5旋轉(zhuǎn)射流（1）旋流數(shù)意義：旋流數(shù)S，不僅可以用§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流數(shù)的計(jì)算計(jì)算旋流數(shù)時(shí)，需要知道旋轉(zhuǎn)射流中切向速度vθ、軸向速度vx及靜壓p沿半徑r的分布規(guī)律，這對計(jì)算人員來說往往有一定困難，為了避免靜壓積分運(yùn)算的困難，將其忽略不計(jì)。旋流數(shù)具體的計(jì)算方法還應(yīng)視各種旋流裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有所不同?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章42§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流數(shù)的計(jì)算旋流數(shù)具體的計(jì)算方法還應(yīng)視§7.5旋轉(zhuǎn)射流五、旋轉(zhuǎn)射流的流場結(jié)構(gòu)流場結(jié)構(gòu)的探測方法

利用五孔球形皮托管或激光多普勒風(fēng)速儀可以探測旋轉(zhuǎn)射流的速度分量vx、vr、vθ及靜壓p沿x和r方向的分布。弱旋流：當(dāng)s<０.６時(shí)，旋流中心的軸向壓力梯度還不足以產(chǎn)生回流區(qū)，旋轉(zhuǎn)的結(jié)果表現(xiàn)為提高了射流對周圍氣體的卷吸能力及促進(jìn)了射流軸向速度的衰減。強(qiáng)旋流：當(dāng)s>０.６時(shí)，射流中心的軸向反壓梯度逐漸增大，以致克服該區(qū)軸向速度，并出現(xiàn)中部回流區(qū)?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章43§7.5旋轉(zhuǎn)射流五、旋轉(zhuǎn)射流的流場結(jié)構(gòu)弱旋流：當(dāng)s<０§7.5旋轉(zhuǎn)射流可以看出，當(dāng)s≤0.416時(shí)，速度成呈高斯分布；當(dāng)s>0.6后，最大軸向速度開始偏離軸線，出現(xiàn)雙峰式速度分布?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章44§7.5旋轉(zhuǎn)射流可以看出，當(dāng)s≤0.416時(shí)，速度成呈§7.5旋轉(zhuǎn)射流弱旋流的流場結(jié)構(gòu)速度分布：在弱旋流的初始段內(nèi)，勢核消失得比自由射流快。進(jìn)入充分發(fā)展段后，其軸向分速度場是相似的，即在該段的任一截面上任一點(diǎn)的相對速度可用下述方程表示：式中，vx為某橫截面上任意點(diǎn)的軸向分速度；vxm為該截面上軸向分速度的最大值：r為該截面上任意點(diǎn)的徑向坐標(biāo)；x為該截面至噴口的距離；α為旋流的視在原點(diǎn)至噴口的距離；Kvx為隨旋流數(shù)而變化的分布常數(shù)，由下面公式確定：《工程燃燒學(xué)》--第七章45§7.5旋轉(zhuǎn)射流弱旋流的流場結(jié)構(gòu)式中，vx為某橫截面上§7.5旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)展角：弱旋流的擴(kuò)展角隨著旋流數(shù)S的增加而加大，但并不是一直隨之增大而增大，而是只能增大到約10％的極限值。此增大值可用下式表示；卷吸量：與旋流強(qiáng)度成正比《工程燃燒學(xué)》--第七章46§7.5旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)展角：弱旋流的擴(kuò)展角隨著旋流數(shù)S的增§7.5旋轉(zhuǎn)射流強(qiáng)旋流的擴(kuò)展角增加更大，相應(yīng)地其卷吸量增加，射流的速度和濃度的衰減更快。《工程燃燒學(xué)》--第七章強(qiáng)旋流的流場結(jié)構(gòu)47§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章強(qiáng)旋流的流場結(jié)§7.5旋轉(zhuǎn)射流vx0、vθ0、vr0分別為射流出口截面處相應(yīng)分速度的最大值。可見，軸向和徑向分速的衰減約與x-1成正比，切向速度的衰減約與x-2成正比。《工程燃燒學(xué)》--第七章圖7-1848§7.5旋轉(zhuǎn)射流vx0、vθ0、vr0分別為射流出口§7.5旋轉(zhuǎn)射流

旋流中部回流區(qū)的寬度和長度都隨旋流數(shù)S的增加而增加，下圖所畫是在環(huán)形噴口體系中測定的回流區(qū)邊界位置。在這種結(jié)構(gòu)形式下，即使沒有旋流，其中心的尾流中也產(chǎn)生一個(gè)小的回流區(qū)。當(dāng)s≤0.39時(shí)，有旋流的回流區(qū)尺寸與沒有旋流時(shí)的回流區(qū)尺寸基本相同。隨著s的增大，回流區(qū)便越來越大《工程燃燒學(xué)》--第七章49§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流中部回流區(qū)的寬度和長度都隨演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！回顧第一篇：燃料介紹了燃料的基本性質(zhì)、分類，以及成分表示方法，不同的成分表示方法的換算第二篇：燃燒計(jì)算燃料燃燒時(shí)的空氣需要量，產(chǎn)物生成量的計(jì)算方法（化學(xué)反應(yīng)方程式的質(zhì)量比、系數(shù)比）燃燒溫度，發(fā)熱溫度的近似求解過程（內(nèi)插值近似法）氣體分析方程、空氣消耗系數(shù)和熱損失的產(chǎn)物成分計(jì)算方法以燃燒的結(jié)果作為研究對象，沒有考慮燃燒是如何進(jìn)行的51回顧第一篇：燃料以燃燒的結(jié)果作為研究對象，沒有考慮燃燒是如何第三篇燃燒基本原理52第三篇燃燒基本原理2第三篇燃燒基本原理一、燃燒的定義《工程燃燒學(xué)》--第七章燃燒過程：從混合（擴(kuò)散）到燃燒反應(yīng)完成的整個(gè)過程所謂燃燒，通常伴有放熱、火焰、發(fā)光和（或）發(fā)煙現(xiàn)象,是可燃物與氧化劑作用發(fā)生的氧化反應(yīng)。燃燒過程是一種復(fù)雜的物理過程和化學(xué)過程的綜合，它既有流動、擴(kuò)散、混合等物理現(xiàn)象，又有氧化還原反應(yīng)，并放出光和熱的化學(xué)現(xiàn)象。燃燒是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程——三傳一反：動量傳遞（流動）熱量傳遞質(zhì)量傳遞（擴(kuò)散）化學(xué)反應(yīng)53第三篇燃燒基本原理一、燃燒的定義《工程燃燒學(xué)》--第七第三篇燃燒基本原理《工程燃燒學(xué)》--第七章τ混---表示混合所需要的時(shí)間τ熱---表示混合后的的可燃物到達(dá)開始燃燒反應(yīng)的溫度所需要的時(shí)間τ化---表示完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間燃燒過程的進(jìn)行主要是受化學(xué)動力學(xué)影響，還是受擴(kuò)散因素的影響。54第三篇燃燒基本原理《工程燃燒學(xué)》--第七章τ混---表第三篇燃燒基本原理（一）基本分類二、燃燒的分類《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）動力燃燒（動力學(xué)因素控制，預(yù)混燃燒、爆炸）：混<<

熱+t化

（2）擴(kuò)散燃燒（受流動、擴(kuò)散和物理混合因素控制，液體燃料滴/蠟燭/碳粒的燃燒）：混

>>

熱+t化

（3）中間燃燒：介乎兩者之間55第三篇燃燒基本原理（一）基本分類二、燃燒的分類《工程燃第三篇燃燒基本原理燃燒狀態(tài)燃燒分類與時(shí)間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)與空間的關(guān)系一維、二維和三維初始反應(yīng)物的混合狀態(tài)預(yù)混燃燒和非預(yù)混燃燒氣體流動狀態(tài)層流、紊流和過渡燃燒按反應(yīng)物物態(tài)均相和異相燃燒燃燒波的速度緩燃（亞音速波）、爆震（超音速波）按燃料氣體、液體和固體燃料燃燒《工程燃燒學(xué)》--第七章（二）其他分類56第三篇燃燒基本原理燃燒狀態(tài)燃燒分類與時(shí)間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)和非主要內(nèi)容射流混合過程燃燒反應(yīng)速度和反應(yīng)機(jī)理著火過程燃燒傳播過程異相燃燒火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定57主要內(nèi)容射流混合過程7第七章射流混合過程實(shí)際意義①物理因素在整個(gè)燃燒過程起著更為重要的作用；例如有焰燃燒。②射流是大多數(shù)工程燃燒混合的主要方式：除固體燃料有時(shí)以塊狀進(jìn)行燃燒外，其它燃料和氧化劑都是以射流形式送入燃燒空間的?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章58第七章射流混合過程實(shí)際意義《工程燃燒學(xué)》--第七章8第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章分類：根據(jù)射流噴嘴：平面射流與圓形射流根據(jù)射流結(jié)構(gòu)：直流射流與旋轉(zhuǎn)射流平行射流與相交射流環(huán)形射流與同軸射流根據(jù)射流環(huán)境：自由射流與受限射流層流射流與湍流射流根據(jù)射流流動：主要學(xué)習(xí)內(nèi)容：各種射流的定義，射流的形成條件與一般特征。59第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章分類：根據(jù)射流第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流60第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.1靜止氣體中的自由射流一、自由射流的定義流體由噴嘴流出到一個(gè)足夠大的空間后，不再受固體邊界限制而繼續(xù)擴(kuò)散的一種流動。其燃燒裝置稱為大氣燒嘴，例如家用煤氣灶。二、自由射流的特點(diǎn)

射流氣體離開噴口以后，因與外圍流體之間有速度差，且有粘性，故產(chǎn)生紊流漩渦層，與外圍流體進(jìn)行動量和質(zhì)量交換，導(dǎo)致各流動截面上的速度、濃度分布特征發(fā)生變化。根據(jù)這些特征，沿射流的前進(jìn)方向，可將射流分為初始段，過渡段和自模段（充分發(fā)展段）《工程燃燒學(xué)》--第七章61§7.1靜止氣體中的自由射流一、自由射流的定義《工程燃燒學(xué)初始段：

紅色部分為勢流核心；核心區(qū)內(nèi)速度、濃度等與出口處相同，長度約4--5d0?！?.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章μ=1/2μmyy自模段：軸向流速都呈正態(tài)相似分布；x/d0＞8-10過渡段：射流截面上軸向速度分布不斷變化直至成為正態(tài)相似分布62初始段：§7.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七§7.1靜止氣體中的自由射流

根據(jù)普朗特混合長度理論，自由射流半寬(y)：軸向um的沿程衰減規(guī)律：軸心Cm的沿程衰減規(guī)律:

自模段特性《工程燃燒學(xué)》--第七章u的分布規(guī)律：C的分布規(guī)律:μ=1/2μmyy軸向流速和濃度的徑向分布都具有相似性：63§7.1靜止氣體中的自由射流根據(jù)普朗特混合長度理論，自由自由射流對周圍氣體的卷吸能力可用卷吸率表示：§7.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章三、射流的卷吸及卷吸量的計(jì)算射流向前運(yùn)動時(shí)，由于橫向的速度脈動及粘性，與周圍介質(zhì)產(chǎn)生動量交換，帶動周圍介質(zhì)運(yùn)動，使射流的質(zhì)量沿流向逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為射流的卷吸或引射。有射流必有引射。其中me--為卷吸量；

mx--為x截面處射流的總質(zhì)量流量；

m0--為射流的初始質(zhì)量流量。64自由射流對周圍氣體的卷吸能力可用卷吸率表示：§7.1靜止氣隨著與噴口距離x的增加，卷吸率是增大、減小還是保持不變？65隨著與噴口距離x的增加，卷吸率是增大、減小還是保持不變？15§7.1靜止氣體中的自由射流

（1）時(shí)

射流流量：，與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。

卷吸率：（2）時(shí)Thring提出用當(dāng)量直徑de代替噴口直徑d0，即認(rèn)為噴出的氣體密度為ρs，速度和動量保持恒定（為u0和G0）

《工程燃燒學(xué)》--第七章

非等溫射流卷吸率：66§7.1靜止氣體中的自由射流（1）第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流67第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.2同向平行流中的自由射流噴入同向平行氣流中的射流，分單股平行射流和多股平行射流。射流的擴(kuò)展、軸心速度的衰減和射流核的長度主要與射流流體和環(huán)境流體之間的速度梯度有關(guān)。《工程燃燒學(xué)》--第七章射流與外流間的速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合減緩，射流張角、速度及濃度沿軸向的變化率隨之減小，勢核長度越大，當(dāng)二者相等時(shí)，勢核貫穿整個(gè)流場。二、單股射流的特點(diǎn)一、定義68§7.2同向平行流中的自由射流噴入同向平行氣流§7.2同向平行流中的自由射流Squire和Trouncer從理論上分析了平行流中自由射流的有關(guān)特性，提出射流出口附近混合區(qū)中軸向速度的分布公式：其中：r1和r2——混合區(qū)的內(nèi)、外半徑，u0和us——射流初速度和外圍流的速度《工程燃燒學(xué)》--第七章三、速度分布69§7.2同向平行流中的自由射流Squire和Tro根據(jù)軸向速度分布式和Alpinieri的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(λ>1)繪出了平行流中射流軸向速度衰減圖，圖中λ=us/u0由圖可看出，當(dāng)λ由0或2.13趨向1時(shí)，射流核越來越大，軸心速度衰減變慢射流特性的影響因素§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）流速比70根據(jù)軸向速度分布式和Alpinieri的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(λ>1)繪§7.2同向平行流中的自由射流射流的半速線（表示射流的擴(kuò)散情況）隨流速比的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)λ<1時(shí)，射流張角和射流擴(kuò)展率隨λ增大而減小。《工程燃燒學(xué)》--第七章射流的半速線隨流速比的變化71§7.2同向平行流中的自由射流射流的半速線（表示射流的擴(kuò)散§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章軸線濃度衰減圖，射流特征量應(yīng)當(dāng)是比值ρsus/ρ0u0的函數(shù)（2）密度（ρ0≠ρs

）

Alpinieri在研究λ>1的情形時(shí)，得到一個(gè)重要結(jié)論：射流特性不僅與速度比有關(guān)，而且與密度比有關(guān)，當(dāng)兩者的密度比相差較大時(shí)，密度差引起軸線上的濃度有顯著衰減，以致于對速度比的變化不甚敏感。標(biāo)準(zhǔn)狀況下，H2、CO2和空氣的密度分別為：0.0899g/L、1.79g/L，為1.29g/L。72§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學(xué)》--第七章軸線第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流73第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.3交叉射流一、定義及應(yīng)用情況以某一角度與主流相交的射流。工業(yè)燃燒裝置中，經(jīng)常采用交叉射流，以實(shí)現(xiàn)以下功能：強(qiáng)化燃燒或降溫，例如向火焰中噴射二次助燃空氣。二、流場結(jié)構(gòu)正交射流噴孔中心線與壁面交叉角為90℃，主流沿x方向流動。

《工程燃燒學(xué)》--第七章74§7.3交叉射流一、定義及應(yīng)用情況《工程燃燒學(xué)》--第七§7.3交叉射流彎曲射流大致可分為三段：Ⅰ為射流核OB，比自由射流顯著縮短，且向下游歪斜；Ⅱ?yàn)轱@著彎曲段射流剖面迅速變形；Ⅲ旋渦擴(kuò)展段，射流轉(zhuǎn)到主流方向。Os為um聯(lián)結(jié)線，Oc為幾何中心線《工程燃燒學(xué)》--第七章圓孔射流橫穿主流時(shí)的彎曲變形75§7.3交叉射流彎曲射流大致可分為三段：Ⅰ為射流核OB§7.3交叉射流絕對穿透深度：橫穿主流的射流彎曲到和主流方向接近平行時(shí)，彎曲軸線離開噴射口的垂直距離。相對穿透深度：絕對穿透深度與噴嘴直徑d0之比稱為相對穿透深度。穿透深度（y/d）與λ呈反比，歸納為下列穿透深度的經(jīng)驗(yàn)公式：《工程燃燒學(xué)》--第七章正交射流的穿透深度76§7.3交叉射流絕對穿透深度：橫穿主流的射流彎曲到和主§7.3交叉射流斜交射流

為了助燃或降溫，有時(shí)需要二次空氣斜穿過主流，即噴孔中心線與壁面交叉角大于或小于90℃。彎曲變形規(guī)律：穿透深度隨流速比(α=u0/v0)的增大而增大《工程燃燒學(xué)》--第七章射流軸線隨交角和流速比的變化77§7.3交叉射流斜交射流《工程燃燒學(xué)》--第七章射流軸第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流78第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.4環(huán)狀射流和同心射流一、流場結(jié)構(gòu)：（1）充分發(fā)展區(qū)流動情況與軸對稱圓形射流相似；（2）但在噴嘴附近環(huán)狀射流中心形成低壓回流區(qū)；在同心射流交界面上，由于中央噴管有一定壁厚，也會形成回流區(qū)。

因此，對環(huán)狀射流和同心射流來說，噴嘴的幾何形狀，對鄰近噴嘴的射流狀態(tài)有較大影響?；亓鲄^(qū)一般用于改善火焰的穩(wěn)定性。《工程燃燒學(xué)》--第七章79§7.4環(huán)狀射流和同心射流一、流場結(jié)構(gòu)：《工程燃燒學(xué)》--二、外圍環(huán)狀射流與中心射流的相互影響§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學(xué)》--第七章圖為中心射流的勢流核心和軸心速度隨流速比(λ=ua/uc)的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)狀射流的速度很小，例如λ=0.08時(shí)，一直到4d0距離內(nèi)，中心射流的軸心速度都保持常量，也就是說，勢核長度約為中心噴嘴直徑d0的4倍。隨著λ的增大，勢核長度越來越小，中心射流速度衰減變快。當(dāng)λ=2.35時(shí)，中心射流很快被環(huán)流所吸收。環(huán)狀射流對中心射流的影響80二、外圍環(huán)狀射流與中心射流的相互影響§7.4環(huán)狀射流和同心§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學(xué)》--第七章對于外圍環(huán)狀射流來說，用環(huán)縫寬度1/2(D2-D1)作為特性尺寸，環(huán)縫出口速度ua0作為特性速度時(shí)，中心射流對外圍射流的影響如圖所示。從圖中可以看出，隨著中心流速的增大（λ減?。?，環(huán)形射流勢核逐漸減小，速度衰減變快。直到λ=0.08時(shí)，經(jīng)過相當(dāng)距離后（D2-D1），環(huán)形射流被中心射流完全吸收。中心射流對外圍環(huán)形射流的影響81§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學(xué)》--第七章對于外圍第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學(xué)》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流82第一節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒§7.5旋轉(zhuǎn)射流一、定義

射流在離開噴嘴前先強(qiáng)迫流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它從噴嘴噴出后便會一邊旋轉(zhuǎn)一邊向前運(yùn)動，這就是旋轉(zhuǎn)射流，簡稱旋流?！豆こ倘紵龑W(xué)》--第七章（1）存在軸向分速度vx、徑向分速度

vr和切向分速度v二、特點(diǎn)（2）旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈到一定程度時(shí)，噴嘴附近可形成回流區(qū)83§7.5旋轉(zhuǎn)射流一、定義《工程燃燒學(xué)》--第七章（1）§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章實(shí)線vx

虛線v在軸心處vx<0，回流區(qū)邊界上vx=0，回流區(qū)邊界(vx=0)與射流邊界之間vx有一最大值vmax，x，vmax，vx分布趨于平坦均勻，回流區(qū)變小直到消失。84§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章實(shí)線vx§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章（3）速度沿程衰減快；當(dāng)x/d>5以后，v、vr

基本上消失，只有vx存在。旋轉(zhuǎn)射流沿程無因次速度85§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章（3）速度沿(4)射流中心有很強(qiáng)的卷吸力§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章射流軸線上的靜壓力低于大氣壓力(負(fù)壓)，說明旋轉(zhuǎn)射流中心有很強(qiáng)的卷吸作用，x，靜壓力大氣壓力，卷吸作用。86(4)射流中心有很強(qiáng)的卷吸力§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程§7.5旋轉(zhuǎn)射流

燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流是強(qiáng)化燃燒和組織火焰的一個(gè)有效措施，它能有效地提高火焰穩(wěn)定性和燃燒強(qiáng)度。

三、旋流的作用《工程燃燒學(xué)》--第七章87§7.5旋轉(zhuǎn)射流燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流是強(qiáng)化四、旋流的幾個(gè)相關(guān)概念

自由旋渦：靠流體內(nèi)部的位能變化（靜壓或水位差）而運(yùn)動，所以叫“位流旋渦”。這種旋渦的回旋運(yùn)動并非由外加扭矩所引起，若忽略摩擦損耗，則不同半徑上流體微團(tuán)的動量矩應(yīng)當(dāng)守恒，故又叫“自由旋渦”?！?.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學(xué)》--第七章特點(diǎn)：（1）切線速度v0與半徑成反比，即越靠近渦心，切線速度越快；（2）自由旋渦是一種“無旋”圓周運(yùn)動。88四、旋流的幾個(gè)相關(guān)概念

自由旋渦：靠流體內(nèi)部的位能變化（靜壓§7.5旋轉(zhuǎn)射流固體旋渦：流體繞中心按固體旋轉(zhuǎn)規(guī)律旋轉(zhuǎn)的旋渦，又叫強(qiáng)制旋渦。表達(dá)式為：旋風(fēng)或旋流是由外圍的自由旋渦和渦核的強(qiáng)制旋渦組成，二者整體叫做圓周旋渦《工程燃燒學(xué)》--第七章89§7.5旋轉(zhuǎn)射流固體旋渦：流體繞中心按固體旋轉(zhuǎn)規(guī)律旋轉(zhuǎn)§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流強(qiáng)度、旋流數(shù)旋轉(zhuǎn)射流的規(guī)模和強(qiáng)度在控制火焰長度、提高燃燒強(qiáng)度及