第4章 擴(kuò)散火焰

第4章擴(kuò)散燃燒引言擴(kuò)散燃燒與動(dòng)力燃燒氣體燃料燃燒所需的全部時(shí)間通常包括兩部分：氣體燃料與空氣混合所需時(shí)間和燃燒反應(yīng)所需時(shí)間。擴(kuò)散燃燒或擴(kuò)散火焰動(dòng)力燃燒或動(dòng)力火焰擴(kuò)散－動(dòng)力燃燒氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰分類層流擴(kuò)散火焰質(zhì)量擴(kuò)散以分子擴(kuò)散的方式實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散火焰湍流擴(kuò)散火焰

質(zhì)量擴(kuò)散以氣團(tuán)擴(kuò)散的方式實(shí)現(xiàn)氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)（受限擴(kuò)散）氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)（自由擴(kuò)散）層流擴(kuò)散火焰火焰面必定在燃料與空氣按照化學(xué)恰當(dāng)比混合的位置上：焰面外側(cè)：空氣＋燃燒產(chǎn)物焰面內(nèi)側(cè)：燃料＋燃燒產(chǎn)物焰面：燃料與空氣的理論濃度為零氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)實(shí)際層流擴(kuò)散火焰氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)湍流擴(kuò)散火焰氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)湍流擴(kuò)散火焰1、湍流射流擴(kuò)散火焰面是皺折、波動(dòng)、破裂的，不能精確測(cè)量其火焰高度，且湍流射流擴(kuò)散火焰高度與射流無(wú)關(guān)，僅與射流直徑有關(guān)。2、湍流射流擴(kuò)散火焰前沿厚度較寬，并處于激烈脈動(dòng)中。其溫度、速度、濃度的時(shí)間平均值分布也與層流分布圖類似。與層流火焰相比，湍流擴(kuò)散火焰具有如下優(yōu)點(diǎn)：氣體燃料擴(kuò)散火焰特性擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)擴(kuò)散火焰不產(chǎn)生回火，但溫度低擴(kuò)散燃燒容易產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏臒岱纸馊斯っ簹鈹U(kuò)散火焰人工煤氣預(yù)混火焰圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒射流分類根據(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根據(jù)射流流動(dòng)：層流射流與湍流射流圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流過渡段初始段自模段O－C－O為射流核心，核心區(qū)內(nèi)速度、濃度等與出口處相同，長(zhǎng)度約4~5d0x/d0＞8~10，射流的無(wú)因次參數(shù)分布與x/d0無(wú)關(guān)。初始段與自模段之間，可忽略。圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流自模段的特性：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流自模段的特性：同樣，當(dāng)噴射流體與周圍介質(zhì)性質(zhì)不同或溫度不同時(shí)，自模段的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)也具有相似性，即：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流自模段的特性：實(shí)際上，b與x成正比：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流工程應(yīng)用的半經(jīng)驗(yàn)公式：軸線上的參數(shù)：a為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，其值為0.07～0.08圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒一、圓形湍流自由射流工程應(yīng)用的半經(jīng)驗(yàn)公式：參數(shù)分布：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒二、射流的吸卷及吸卷量的計(jì)算射流向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于橫向的速度脈動(dòng)及粘性，與周圍介質(zhì)產(chǎn)生動(dòng)量交換，帶動(dòng)周圍介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使射流的質(zhì)量沿流向逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為射流的吸卷或引射。

任意截面及出口截面上射流的質(zhì)量流量為：

當(dāng)射流出口雷諾數(shù)大于及圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒二、射流的吸卷及吸卷量的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)時(shí)：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒由射流特性確定擴(kuò)散燃燒特性：1、確定湍流擴(kuò)散火焰高度，即尋找火焰鋒面與軸心線相交的位置2、擴(kuò)散火焰面上有：如湍流擴(kuò)散火焰高度的工程計(jì)算：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒（湍流自由射流）由射流特性確定擴(kuò)散燃燒特性：在射流中各點(diǎn)的燃料相對(duì)濃度Cf和氧化劑濃度Ca滿足：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰高度（工程計(jì)算）：湍流擴(kuò)散火焰高度與管徑成正比，與初始速度無(wú)關(guān)圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：假設(shè)：（1）忽略輻射熱損失；（2）物性不隨溫度變化；（3）不考慮湍流脈動(dòng)與燃燒間的相互作用。圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：邊界條件：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：在火焰面上：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：為了消去組分方程、能量方程中的化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)（源項(xiàng)），對(duì)方程組進(jìn)行變換：設(shè)化學(xué)反應(yīng)按下列當(dāng)量關(guān)系進(jìn)行：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

邊界條件：圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

；湍流擴(kuò)散常數(shù)，c=0.0128圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

在火焰面上燃料和氧化劑濃度為零，也即當(dāng)圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

湍流自由射流擴(kuò)散火焰的高度：

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布，

（火焰前鋒面內(nèi)）圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布，

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布（在火焰前鋒面外）圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布

圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒三、圓形湍流自由射流擴(kuò)散燃燒湍流擴(kuò)散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動(dòng)特性縱向受限射流：受限射流可以分為兩類：燃料射流射入的方向和空氣流的方向垂直燃料射流射入的方向和空氣流的方向平行橫向受限射流：縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動(dòng)特性射流的卷吸能力二次流流量縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動(dòng)特性縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動(dòng)特性縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動(dòng)特性縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論斯林－紐比(Thring-Newby)理論

將自由射流理論用于受限射流。假定射流的卷吸能力不受管壁的影響，于是可直接利用自由射流的公式：縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論假定射流的擴(kuò)張角為9.7°，則：縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論當(dāng)二次流此時(shí)只有在C截面以前才有卷吸量，假定這時(shí)到C截面的卷吸量為原來(lái)到P截面的一半，則有：縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論渦心的位置縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論斯林－紐比數(shù)令：縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論此時(shí)從N點(diǎn)到C點(diǎn)間卷吸的流量等于回流量此時(shí)縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論縱向受限射流火焰二、有回流區(qū)的縱向受限射流理論由θ值可求得回流區(qū)位置和回流量。隨著θ的增加，回流區(qū)位置向下游轉(zhuǎn)移，回流區(qū)尺寸變小。縱向受限射流火焰產(chǎn)生回流區(qū)有利于火焰的著火和穩(wěn)定。受限射流火焰長(zhǎng)度比自由射流長(zhǎng)，并且隨θ的減小而增加。縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論布克－舒曼(Burke-Schumann)理論假設(shè)：火焰前沿面厚度趨于零，化學(xué)反應(yīng)就發(fā)生在前沿面上，且火焰面位于燃料和氧化劑為化學(xué)恰當(dāng)比的位置。擴(kuò)散系數(shù)與溫度及成分無(wú)關(guān)，忽略由于加熱引起的膨脹及燃?xì)庑阅艿淖兓?。燃料和氧化劑流速相等。縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論對(duì)軸對(duì)稱、定常流動(dòng)的物質(zhì)守恒方程為：令：縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論假設(shè)ρ與D是常數(shù)用分離變量法，令：縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論方程左邊為r的函數(shù)，右邊是x的函數(shù)，因此只有等式為常數(shù)時(shí)才能成立，設(shè)常數(shù)為k2，則方程可變?yōu)橐韵聝蓚€(gè)方程：

常系數(shù)方程零階貝塞爾方程

縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論式中k和c1為待定系數(shù)。利用邊界條件：以及火焰面上：Y=0縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論布克和舒曼解得了如下的火焰形狀隱函數(shù)關(guān)系：

可得正錐火焰高度可得倒錐火焰高度縱向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論取上述方程中的第一近似項(xiàng)，可得：與層流自由射流火焰高度的關(guān)系一致?？v向受限射流火焰三、無(wú)回流區(qū)的縱向受限射流理論層流受限火焰的火焰高度與燃料和空氣的總流量成正比，與擴(kuò)散系數(shù)D成反比。因?yàn)镈/u與壓力無(wú)關(guān)，當(dāng)總流量保持不變時(shí)，火焰高度和壓力無(wú)關(guān)。如果在燃料中加入惰性氣體，例如氮?dú)?，使降低，火焰向?nèi)移動(dòng)。化學(xué)計(jì)量系數(shù)β減小也使火焰向內(nèi)移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰一、旋轉(zhuǎn)射流特性流場(chǎng)中任一點(diǎn)的速度都有三個(gè)分量：u,v,w旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰一、旋轉(zhuǎn)射流特性流場(chǎng)中任一點(diǎn)的速度都有三個(gè)分量：u,v,w以最大切向速度柱面將流場(chǎng)分為兩個(gè)區(qū)域：中央?yún)^(qū)和外圍區(qū)切向速度分布：中央?yún)^(qū)：旋轉(zhuǎn)剛體外圍區(qū)：自由渦區(qū)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰一、旋轉(zhuǎn)射流特性存在軸對(duì)稱的回流區(qū)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰一、旋轉(zhuǎn)射流特性存在軸對(duì)稱的回流區(qū)旋流數(shù)（旋流強(qiáng)度）：r0為噴嘴出口半徑，R為旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)半徑旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰一、旋轉(zhuǎn)射流特性存在軸對(duì)稱的回流區(qū)弱旋流：S＜0.6射流內(nèi)的壓力梯度不足以產(chǎn)生回流區(qū)強(qiáng)旋流：S＞0.6射流內(nèi)的壓力梯度較大，足以產(chǎn)生回流區(qū)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰二、弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰旋流強(qiáng)度很小時(shí)：軸向速度分布與自由射流相似，呈高斯分布，并具有相似性，可表示為：射流原點(diǎn)距噴口距離旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰二、弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰旋流強(qiáng)度較大時(shí)（無(wú)回流區(qū)）：軸向速度最大值將離開射流軸線，形成雙峰形速度分布，軸向速度分布沒有相似性。射流擴(kuò)張角：旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰二、弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰幾乎在整個(gè)火焰長(zhǎng)度上均有比較冷的核心區(qū)存在，而反應(yīng)區(qū)處于冷核心區(qū)和環(huán)境空氣流之間的某區(qū)域內(nèi)。由于冷核心區(qū)內(nèi)的氣體和反應(yīng)區(qū)的燃燒產(chǎn)物湍流混合作用，冷核心區(qū)溫度沿x方向逐漸升高弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰的軸向速度的衰減也隨旋流強(qiáng)度的增加而加快，但衰減速率比不燃燒時(shí)慢，切向速度的衰減也與旋流強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但衰減速率也比不燃燒時(shí)慢旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰三、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰工程上一般采用強(qiáng)旋流，并利用回流區(qū)穩(wěn)定火焰；隨著旋流強(qiáng)度增大，射流擴(kuò)張角、卷吸量增加，從而使軸向、切向和徑向速度衰減加快。其衰減規(guī)律為：軸向和徑向速度衰減規(guī)律：切向速度衰減規(guī)律：壓力衰減規(guī)律：回流區(qū)的長(zhǎng)度、寬度隨旋流強(qiáng)度增大而增大

旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰三、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰射流出口的幾何形狀對(duì)旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)影響旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰三、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰射流出口的幾何形狀對(duì)旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)影響加裝擴(kuò)張段后，會(huì)增加回流區(qū)的尺寸及回流量。旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰三、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火