173989815第2章 燃烧空气动力学.jsp.ppt

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1、1,第二章 混合与传质,2.1 湍流物理本质与数学描写2.2“三传”的比拟2.3 自由射流中的混合与传质2.4 旋转射流中的混合与传质2.5 钝体射流中的混合与传质2.6 平行与相交射流的混合与传质,2,混合与传质在燃烧学中的意义,组织好工程燃烧过程的思路：化学反应的温度、物质浓度条件不同，则化学反应的速度、反应路线和产物不同。因此，需要合理运用控制传热和传质的方法，精确地设计并控制燃烧过程中的温度分布和物质浓度分布，从而实现对燃烧速度和产物的控制。所以，工程燃烧学需要重点关注混合与传质过程。各种工程燃烧过程的混合与传质的特性各不相同，需要用实验进行研究分析。但是，典型的燃烧组织过程有着共性的

2、规律。,3,第一节 湍流的物理本质和数学描写,一、湍流脉动1883年，雷诺（Reynolds）首先发现了粘性流体存在着两种不同的流动状态层流和湍流当Re=wd/Relj时，由层流湍流。湍流的特征：流体质点的速度w大小、方向和压力p都随时间不断地变化；流体微团还会绕其瞬时轴无规则、且经常被扰动的有旋运动，所以在流体中明显出现很多集中的涡旋，不断地产生消灭再产生再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。实验还发现湍流状态下，速度w、压力p、某组分物质的量m及流体的温度T总是在一个平均值上下不断的脉动。,图2-1定常湍流状态下速度(或压力)的脉动,5,是瞬时真实速度w（或者压力p）对时间的积分中值：即 及

3、 及,6,1.湍流脉动的特性：,(1)无论是传递量还是传递强度，湍流状态下的“三传”比层流状态下依靠分子运动扩散实现的“三传”都要强烈得多至少高23个数量级。因此湍流脉动不仅影响这流场的结构和分布，同时对流场中的燃料燃烧过程有着直接的影响和强化作用,7,1.湍流脉动的特性：,(2)湍流能量的不断产生和耗散是流体湍流运动的两个最基本的特征过程。在湍流状态下，流体具有足够大的雷诺数Re和足够大的湍流尺度l，可以在更大的尺度空间中实现“三传”。但是大尺度湍流运动是不稳定的，它会通过大尺度漩涡的不断破碎，产生更小尺度的旋涡，直到形成最小尺度的湍流运动，此时雷诺数的数量级约等于1，由于流体的粘性作用大大

4、增强，使运动趋于稳定。与此同时，大尺度湍流运动的能量随着旋涡的破碎，不断向小尺度运动中传递，以维持最小尺度运动的稳定，而其能量最终耗散为热。显然大尺度湍流运动的能量越强，维持运动稳定的最小旋涡尺度越小。这种湍流脉动能量的产生和耗散，对燃烧动力学过程本质的分析和研究十分关键。,8,2.速度脉动的特性：,(1)速度脉动w（或p）对时间的平均值（时均值）为0。即(2)速度脉动w的时均方根值(3)湍流脉动相关性 设流场中的两个流体质点1和2的间距为y，各自的速度脉动分别为w1、w2。它们之间的相关系数e12定义为,式中，是流场中任意两点速度脉动乘积的时均值,和 分别为流场中1和2点处的速度脉动的时均方

5、根值,图2-3相关系数的实验结果a)与Re的关系b)与间距y的关系,10,3.湍流混合与热、质传递中的基本动力学参数,(1)动量传递中的特征参数 1)湍流正应力,11,2)湍流切应力,12,3)湍动度E 流场中某点速度脉动的时均方根值与某一特征速度的比值。工程中常用流动的平均速度作为特征速度,湍动度E 是一个极其重要的量纲一的特征数，它决定了流场中由于速度脉动引起动量、热量和质量的传递能力，直接影响到边界层的过渡及边界层脱离过程的发生。在湍流模化实验中，它和雷诺数Re一样是同等重要而必须遵循的动力学相似准则，即不仅要求模型和原型的Re（或进入第二自模化区），而且也要求湍动度E相等,13,(2)

6、热、质传递中的特征参数 1)热通量,2)传质通量,3)湍流动能k,14,15,二 湍流的数学描写雷诺方程组,粘性不可压缩流体运动的基本方程连续方程：运动方程:x方向：y方向：z方向：,16,时均化处理:,考虑在湍流状态下，流体质点的不定常湍动，因此必须对各参数进行时均化处理。按上述方程式从左向右进行时均化。惯性力,17,时均化处理:,第一项第二项同理：第三项时均化后：第四项时均化后：,（时均速度恒定的定常湍流流动，）,18,时均化处理:,重力项压力项粘性力项,19,时均化处理:,连续方程时均化后为：,X方向,20,整理得:,X方向,21,附加应力与粘性力合并后得：雷诺方程组,连续方程X方向Y方

7、向Z方向,22,结论:,加上连续方程，方程数为3+1=4，而未知数为10个10个未知数 3个时均速度 1个时均压力 3个湍流正应力 3个湍流切应力,要能求解运动方程及连续方程必须补充六个方程 湍流附加应力方程,23,三、湍流附加应力的假设,普朗特混合长度理论动量转移理论泰勒涡量理论等效湍流粘性力假设,24,1.普朗特假定,湍流切应力的大小是由流体微团速度脉动wy引起的在 l 范围内横向动量转移来确定的。认为：在混合长度范围内wxwywz是同一个数量级，则,通过单位横向面积的流体质量应为 横向转移的动量经时均化处理后为,25,普朗特假定,湍流切应力混合长度l的物理意义为：因速度脉动，引起流体任两

8、层之间的纵向速度差 正好等于纵向速度脉动 时，该距离称混合长度l混合长度l需要通过实验测量，对管内流动，在层流底层，l很小，而在充分湍流的中心区域，l很大。,26,归纳：,（1）湍流切应力（2）当的地方，湍流切应力=0（3）除壁面附近的流动外，出现湍流切应力最大值的地方，速度梯度也最大。（4）切应力的正负符号与的相同。,27,2.泰勒涡量理论,在湍流理论中，涡量理论同样有着重要的地位。该理论认为：湍流切应力 t是由于涡量横向转移所引起的。以二元平面流动来进行说明，根据斯托克斯定理，单位时间内在单位面积上因为脉动引起的旋涡量(旋涡强度)等于旋转角速度脉动的2倍。,28,29,3.等效湍流粘性力假

9、设,Bossinesq假定湍流附加切应力也正比于平均的横向速度梯度，并引进等效湍流粘性系数t和t与普朗特混合长度理论比较,30,等效湍流粘性力假设,31,等效湍流粘性力假设,把 代入雷诺方程，其粘性项是两项之和，即,是流体的物性，一般为常数，虽流体种类和温度T而改变.t 不是流体物性，而是湍流的特性。t=f(Re,x,y,z,粗糙度)一般t通过实验求得。,32,等效湍流粘性力假设,把 代入雷诺方程，其粘性项是两项之和，即,是流体的物性，一般为常数，虽流体种类和温度T而改变.t 不是流体物性，而是湍流的特性。t=f(Re,x,y,z,粗糙度)一般t通过实验求得。,33,等效湍流粘性力假设,34,

10、引入一个实验确定的量l或t，使得方程组变为：连续方程与动量方程，方程数为3+1=44个未知量 3个时均速度 1个时均压力方程组得以封闭，可以求解。因为增加了0个方程，所以称为0方程模型。,35,2.3“三传”的比拟动量热量质量比拟对照：,36,第二节 动量、热量和质量传递的比拟,一、分子运动扩散与湍流扩散当ReRelj，流体间的相互作用和混合主要靠分子运动扩散，又称内迁移现象。用运动粘性，热扩散率a（导温系数），质量扩散系数D来表示按分子运动论,说明分子运动扩散的“三传”引起的速度场、温度场和浓度场分布规律一样,37,当ReRelj：靠湍流运动扩散,充分湍流，分子运动扩散可忽略,在湍流情况下，

11、引入湍流t，at，Dt，和Prt，Sct，Let来反映其“三传”。由于湍流的动量，热量和质量扩散均源于脉动和漩涡，可近似认为:at Dt t=lwx，Prt Sct Let 1,38,对多原子气体：其中，为动力粘性，cv为定容比热，k为绝热指数。代入Pr数中：,39,实验发现：,（1）与 均小于1，说明：动量交换过程不如热量和质量交换更强烈，温度和浓度混合边界层比速度边界层发展得快。（2）由于Let=a/D1，说明：温度和浓度边界层的发展十分相近，可以用传热过程的基本规律近似描写质量交换。,，,40,当流体绕流过一个固体表面并作定常流动时，在固体表面上形成边界层，在与流动相垂直的方向上（即边界

12、层的厚度方向），速度和温度的变化均比流动方向上的变化大得多。当主流体温度T1大于固体表面温度T0时，沿物体边界层法线方向上的温度分布曲线如图2-5所示。,二、热量交换和质量交换的比拟,在边界层厚度方向上，温度逐渐达到主流体温度，温度边界层的厚的将随着主流体流速的增加而减小。,图2-5 物体表面边界层内的温度分布,1.对流传质的努塞尔数准则方程,1.对流传质的努塞尔数准则方程,图2-5 物体表面边界层内的温度分布,根据热、质交换过程的可比拟性,：质量交换系数（对流传质系数）,仿对流换热准则方程：,仿傅立叶公式和牛顿公式：,菲克定律,流体与固体表面质量交换方程,对流传质的努塞尔数 准则方程,43,

13、在煤粉（焦炭、油滴）燃烧过程中，氧气向颗粒表面的质量扩散对燃烧有重要的影响。把颗粒近似按小球体处理，对流传质的努塞尔数方程为,动力工程燃烧中，一般煤粉或油雾与空气的相对速度比较小（也就是Re比较小），可以认为受迫对流时，是其引起的量纲一的传质量，,表2-3受迫对流传质公式中的实验系数c和n,45,1、从处向C球表面扩散O2气，质量扩散是一确定值,第一种物理模型：从远方（）通过分子扩散传递 球面上（r0表面上）第二种物理模型：从远方（）对流扩散到球面上（r0表面上）两种方式传递量相等，传质平衡,边界条件：当r=时，C=C当r=r0时，C=C0,1.颗粒在静止空间中对流传质的特性,46,第一种模型

14、 积分 同时，根据第二种模型 又等于球表面上的对流质量交换量,可见 说明颗粒越细，表面质量交换（）越强烈,表2-4热、质传递过程的比拟关系,48,例2：利用热交换过程比拟性，用温度场模拟浓度场。,如研究两股射流的混合实验，通过实验求混合边界层中任一点浓度c。c1和c2是被比拟的实际两股气流的浓度T1和T2是被比拟的实际两股气流的温度,用不同温度T1T2实验，实测混合点xy处的温度T（介于T1和T2之间，T1T T2）分布与浓度c相似,49,实例：,T1=60，T2=室温20，实测xy点的T=50实际c1=3mol/m3，c2=2mol/m3,那么 c=2.75mol/m3求出所有点的温度场分布

15、T(x,y)就代表浓度场的分布c(x,y)。,50,第三节 湍流射流中的积分守恒条件,一、湍流自由射流的特性 湍流自由射流指流体从喷口射入（1）无限大空间，周围静止流体（空间流体速度为0）（2）流体绕过物体在其后的尾迹流体中（3）不与固体壁面接触，不受任何固体壁面的粘性阻滞,(1)射流极点射流外边界线的汇合点称为射流极点。,图2-7湍流自由射流结构尺寸和速度分布示意图,1.湍流自由射流的外形结构特征,(2)射流初始段,图2-7湍流自由射流结构尺寸和速度分布示意图,射流从当量直径为2R0的轴对称喷口(平面喷口为高度2b0)射出时，出口断面上的初始速度w1是均匀的，一路上与周围介质湍流混合，射流中

16、心速度等于初始速度w1的区域逐渐缩小。,射流内外边界间的区域就是湍流混合边界层外边界的速度为0，内边界的速度为射流初始速度w1,特点,(3)射流基本段,图2-7湍流自由射流结构尺寸和速度分布示意图,特点：射流中心线上的速度wzs随射流一路减小，从外边界到射流中心线的区域为射流基本段的湍流混合边界层。射流基本段的速度分布呈单峰形，在外边界和轴心线处的速度梯度dw/dy=0,(4)混合边界层厚度R或b，用R(b)表示，以下同,1)射流基本段，有,或,喷口形状系数 a湍流结构系数,55,实验结果如下,2)射流初始段的射流核心区，有,初始段边界层厚度,(5)量纲一的射程距离,射流极点到喷口出口处,圆形

17、喷口,平面喷口,2.湍流自由射流的基本特性,1)自由射流中任意断面上，横向速度分量wy与轴向(纵向)速度分量wx相比，总是小到可以忽略不计。,2)在无限大空间里流动的自由射流，因为其压力梯度很小，故在很多情况下都可以认为自由射流内部的压力p是不变的，处处相等，且等于周围介质的压力p0，即 p=p0,3.湍流自由射流的自模化特征,1)自由射流射入周围静止的大空间中，一面与周围介质进行着湍流混合，并把介质卷吸进射流之中，同时，射流的外边界宽度随着离开喷口的轴向距离x的成正比例增大。,2)射流段面上的速度分布从轴心线x向外边界逐渐减小至0。在很大的雷诺数范围内，自由射流任一断面上的流动参数可以用一个

18、与雷诺数无关的、普遍的量纲一的坐标y/R来描写，即式(2-44)。湍流自由射流的这个特性称为速度等参数分布的相似性，也就是湍流自由射流的自模化特性。p=p0,60,二、伴随流射流中的积分守恒条件 伴随流射流：（1）定义：由主射流与其平行流动流体的组合流动（2）特点：两者的流动方向相同或相反，且平行，所以又称平行射流,图2-8 伴随流射流的简图,1.不等温伴随流射流的动量差积分守恒条件,(1)隔离体12341的动量分析进、出隔离体12341的动量有三个。,动量定律,断面2-3的尺寸湍流混合边界层厚度2R,（2-46）,（2-45）,图2-8 伴随流射流的简图,(2)隔离体12341所受外力分析,

19、1)摩擦切应力 在射流的外边界上（即与伴随流混合的边界）上，当y=R(或b)时,2)压力 利用射流的第二个特点，设周围介质的压力为p0,外力的合力：,（2-47）,动量定律,（2-45）,（2-46）,（2-47）,把式（2-46）和式（2-47）代入式（2-45），得到,或,（2-48）,轴对称（圆形）喷口,平面喷口,（2-49）,1）k是待定常数，对于轴对称射流，k=1,对于平面射流，k=0;2）R(b)射流主要段混合边界层的厚度；3）R0(b0)是射流出口断面的半径（或半高度）,2.小温差不等温伴随流射流焓差及浓度差积分守恒条件,（1）焓差守恒条件,对射流出口温度T1和伴随流温度T2相差

20、不太大的同一种介质（即T2/T11），则可当作不可压缩流体处理,（2-50）,（2-51）,（2）浓度差守恒条件,（2-52）,3.等温伴随流射流的积分守恒条件（）,（1）动量差积分守恒条件,（2-53）,（2-54）,（2）焓差积分守恒条件,（2-55）,（3）浓度差积分守恒条件,68,三、自由射流的积分守恒条件,图2-8 伴随流射流的简图,（1）不等温自由射流,（2-56）,（2）等温自由射流,（2-57）,（2-49）,69,四、“三传”过程中普遍适用的二元微分方程组,（1）根据湍流射流的两个基本特性及混合边界层的特性，用数量级分析的方法可以得到描述湍流射流中动量、热量及质量交换过程普遍

21、适用的二元（平面）微分方程式和连续性方程式,（2-58）,70,（2）伴随射流边界条件,71,第四节 湍流自由射流中的混合与传质,1.轴对称射流轴心线上 的变化规律,一、湍流自由射流轴心线上参数的变化规律,或,72,2.平面射流轴心线上 的变化规律,或,73,3.湍流射流基本段各断面上的卷吸特性,（1）轴对称等温射流基本段任一断面上的体积流量qV的变化规律,74,根据流体力学的实验研究，自由射流有两个基本特点：自由射流中任意断面的轴向速度wx横向速度wy。射流中的速度w轴向速度wx。自由射流内部压力p=周围介质压力p。,75,2.4.2 射流中心动量守恒条件研究射 流混合对传质的影响,自由射流

22、积分（动量守恒）条件：任意断面上动量（流率）是一个常数。其值恒等于主射流喷口断面上以w1计算的初始动量（流率）。,76,推论,推论1：同样按射流中“三传”相似性原理可以推出伴随流（包括自由射流）热焓差和浓度差守恒条件。即,其中，i2,c2分别为大空间的热焓和浓度；对圆射流k=1，对平面射流，k=0。推论2：对等温伴随流射流：T1=T2=T，1=2=，上述三守恒条件中等式两端的密度 可以约去。推论3：对等温自由射流：T1=T2=T(1=2=)，w2=0。动量守恒条件,77,推论,推论4：根据湍流射流的特性，描述射流中的动量，热量，质量交换的普遍二元微分方程和连续方程,t，at，Dt，湍流运动粘性

23、系数，导热系数和扩散系数,78,边界条件：当 y=0,w=wzs,i=izs,c=czs(轴线上时)当 y=R(b),w=w2,i=i2,c=c2(外边界时）圆形射流k=1，平面射流k=0，以上是简化数值计算的基础。,79,2.4.3 自由射流中的混合与传质,大表明与周围介质的湍流混合愈强烈。实验归纳：其中决定于射流喷口截面形状的系数 a决定于喷口速度均匀程度的湍流结构系数,(1)射流扩展角 2,80,实验结果如下,81,(2)射流断面上的速度分布相似性,测量出R和wzs，可求出任意断面上任一点y的速度,w，y任意断面上任一点的速度和坐标位置wzs，R任意断面上轴心线上的速度和边界层半宽度,8

24、2,(3)射流轴心线上参数(wzs)变化,根据自由空间射流动量守恒f w2df=w21f1，可以推导出自由射流与周围介质间湍流混合所引起动量、热量和质量交换沿射流轴心线参数变化的规律。结合实验结果，可得在射流初始段和基本段的转折断面上wzs=w1,R/R0=3.3,83,(4)湍流射流的卷吸特性,对不等密度射流其中：qm为卷吸入射流的流体质量，qm1为从喷口喷出的质量，为被卷吸流体密度，1为喷出流体密度，d0为喷口当量直径，s为距喷口的距离对等密度卷吸（=1）qv为卷吸后的体积流量,qv1为初始喷射体积流量,84,5）不等温轴对称自由射流煤粉炉一次风、二次风向炉内的喷射,按动量守恒，热焓差守恒

25、条件得,，无量纲速度、温差、浓度差衰减加快，射程,85,主要结论：,(1)把热射流（T1）射入冷空间（T2）中即，无量纲轴心速度wzs衰减快，且随有wzs 无量纲轴心温差Tzs衰减快，且随有Tzs 无量纲轴心浓度差Czs衰减快，混合强烈，且随有Czs(2)把冷射流（T1）射入热空间（T2）中即，三个无量纲量wzs，Tzs，Czs衰减慢，混合慢，射程长。随衰减很慢。,如锅炉中的二次风，从燃烧供O2的角度应用高T1（应可能高）的空气，以加强湍流混合和传质（供O2），有利于燃烧从组织炉内气流流动工况角度，相反，应用低一些的空气（T1），衰减慢，有足够的扰动范围，保证气流流动。,86,(5)气、固(液

26、)两相射流中的混合与传质,颗粒只有几十微米，或随风流动，对射流流场不影响，可视为自由射流，因此适用积分守恒条件和射流分布相似性规律，由于射流中有固（液）颗粒，相当于增大了射流的密度，射流轴心线上速度衰减减慢（即与周围介质混合传质减慢）。一次风中燃料浓度增加，会使得燃尽更加困难，火焰长度变长。某断面轴心线上的燃料浓度Czs=化学当量比下的理论燃烧浓度Clr时，燃烧才完全。此时该断面的距离ax/R0称理论燃尽火焰长度）以质量流量计算，任一断面上轴心线上浓度Czs是断面平均浓度的1.5倍。所以，空气和燃料的分布是不匹配的，要使得射流中各处的燃料都有充足氧气，必须过量空气系数大于1。,87,2.5 旋

27、转射流中的混合与传质,一、旋转射流的特性旋转射流中的混合与传质形成：一边旋转一边前进（轴向运动）,便形成了旋转射流,旋转射流有三个方向分速度轴向速度切向速度径向速度,图2-16旋转射流场结构示意图a)轴向速度分布b)切向速度分布,1.势流旋转区和准刚体旋转区的速度分布特征,89,速度分布：,射流断面上分成两部分：射流内部：有旋运动 R0，w0 RR1，w w1外侧部分无旋运动 RR1，w w1 R，w0,90,在一定的速度环量下，在旋转射流的中心部分，形成一个低于周围介质压力p的负压区，该区域的压力将沿着轴心线和半径方向增加,压力分布,91,二、旋流强度,实验研究表明：角动量的轴向通量（旋转动

28、量矩）G和轴向动量矩Gx均遵守守恒条件：,1.旋流强度：表示气流旋转强弱的物理量。,92,其中R为定性尺寸，各国R取值不一样，数值有差异 通常为计算方便，常用喷口处平均的w和wx计算。也有人用w/wx来反映旋转强弱。,93,弱旋转射流：当 0.5回流区不明显,在x/d02的射流断面上出现轴向速度近似或对称型的高斯曲线分布具有速度相似性。即,其中wmax为轴向速度最大值；k为轴向速度的分布常数,当 0.6出现双峰分布。,经验公式：,94,强旋射流：0.6,最大特征，出现中心回流区速度和压力都按1/xk衰减即：w1/xk；其中w包括轴向、切向、径向速度；p1/xk 实验结果：,图2-25量纲一的轴

29、向、切向、径向速度及压力沿射程s/的衰减a)轴向速度衰减b)切向速度衰减c)径向速度衰减d)压力衰减,96,喷口形状的影响,无扩口的喷口,有扩口的喷口,97,2.6 钝体射流中的混合与传质,2.6.1钝体射流的形成钝体即指非流线型物体。钝体射流指流体经过非流线型物体时，在钝体下游的减速扩压流动中，由于反压力梯度的作用，引起边界的脱离而形成负压，造成回流旋涡区。在主流区与回流区进行着强烈的动量、热量和质量的交换。,98,2.6.2 钝体几何参数对平均流动特性影响的主要试验结果。,钝体张角2:对回流区长度L，宽度(即零流线0)H及回流质量流率R(R回流量qmh/主流量qmo)影响很灵敏，回流区宽度

30、H，长度L和回流量R都阻塞率(b/B)2的影响:升高R升高，L/d减小。,99,2.7 平行与相交射流的混合与传质,2.7.1 平行与相交射流混合与传质的动力学条件 当两个或两个以上射流组，其轴线平行，称为平行射流，轴线成一定角度相交称相交射流，当交角为180度则称反向气流,100,两股平行射流，平均速度分别为w1和w2，按照普朗特混合长度理论，用 来反映其湍流粘性 其中R为混合边界层厚度。在射流流动中，混合长度l/边界层厚度R=常数。所以湍流切应力 湍流切应力间接表征了湍流中流体微团的混合,101,两股平行射流湍流混合的强弱决定于：两者的动压比，它是湍流扩散（三传）的动力（能量）来源，它的增

31、加会导致流体微团可在更大尺度范围内湍流相关，且混合边界层愈偏于动压小的一侧。当动压比趋近于1时，由于动压差引起的湍流扩散已经十分微弱，只能靠射流自身原始扰动度来维持 决定于射流自身动压，它是射流内部进行三传的动力（能量）源。一般自身湍动度总是维持射流内部的小尺度湍动。系数k，决定于射流喷口的结构特征和速度分布特征,102,相交射流,相交射流以一定角度相交，在各自惯性力作用下相互碰撞和混合，完成“三传”，这个惯性力比湍流切应力要大数百倍。射流等值核心区被强烈破坏。“三传”升高。射流变形，压扁，混合边界层很快波及到射流轴心线区，“三传”升高。交角越大压扁越厉害。两射流轴心线相交后，合成一股射流，同

32、时具有最大的变形后的周边。所以与周围介质“三传”也加强。结论：相交射流混合传质的动力学条件是两射流的动量（流率）比M=1时混合最强烈。,作业：旋流燃烧器混合特性实验方案设计研究对象：如图所示的旋流燃烧器，由同轴的两根同心管道组成，中心管通燃料气，外层管道通助燃空气（带有旋流），当空气和燃料气喷入炉膛之后发生混合，并通过旋转射流的回流区卷吸炉膛内的高温烟气，因此射流中的气体由三种成分混合而成：燃料气、空气、炉膛内烟气。为掌握燃烧器的燃烧特性，需要了解炉膛空间中各处的气体成分比例（假定暂不考虑化学反应引起的成分变化）。要求：根据本章的知识，设计一个实验来完成以上研究工作，包括：1）阐述实验的原理、

33、测量手段、数据处理方法，2）给出实验系统的示意图，3）描述实验的操作过程。,作业以word文档（A班级_姓名_学号.DOC）提交到,104,本章总结组织好工程燃烧过程的思路：化学反应的温度、物质浓度条件不同，则化学反应的速度、反应路线和产物不同。因此，需要合理运用控制传热和传质的方法，精确地设计并控制燃烧过程中的温度分布和物质浓度分布，从而实现对燃烧速度和产物的控制。所以，工程燃烧学需要重点关注混合与传质过程。各种工程燃烧过程的混合与传质的特性各不相同，需要用实验进行研究分析。但是，典型的燃烧组织过程有着共性的规律。,105,速度脉动wx决定湍流中的“三传”过程,湍流切应力 湍流正应力 动量传

34、递 湍动度 湍流热通量 热量传递 湍流传质通量 质量传递其中：w*某一特征速度 c 比热 m流体某一组分 物质量的脉动量,另外两个主要量：湍流动能 湍流耗散,106,实验发现：湍流的“三传”过程是相似的，但也存在差异,（1）与 均小于1，说明：动量交换过程不如热量和质量交换更强烈，温度和浓度混合边界层比速度边界层发展得快。（2）由于Let=a/D1，说明：温度和浓度边界层的发展十分相近，可以用传热过程的基本规律近似描写质量交换。,，,107,在没有化学反应的流场中，可以用温度场模拟浓度场。,如研究两股射流的混合实验，通过实验混合边界层中任一点浓度C。C1和C2是被比拟的实际两股气流的浓度T1和

35、T2是被比拟的实际两股气流的温度m1和m2是被比拟的实际两股气流的在空间中混合后的质量分数,108,自由射流的传质：,(1)把热射流（T1）射入冷空间（T2）中 无量纲轴心速度wzs衰减快，且随有wzs 无量纲轴心温差Tzs衰减快，且随有Tzs 无量纲轴心浓度差Czs衰减快，混合强烈，且随有Czs(2)把冷射流（T1）射入热空间（T2）中 三个无量纲量wzs，Tzs，Czs衰减慢，混合慢，射程长。随衰减很慢。,如锅炉中的二次风，从燃烧供O2的角度应用高T1（应可能高）的空气，以加强湍流混合和传质（供O2），有利于燃烧从组织炉内气流流动工况角度，相反，应用低一些的空气（T1），衰减慢，有足够的扰

36、动范围，保证气流流动。,109,气、固(液)两相射流中的混合与传质,颗粒只有几十微米，或随风流动，对射流流场不影响，可视为自由射流，因此适用积分守恒条件和射流分布相似性规律，由于射流中有固（液）颗粒，射流轴心线上速度衰减减慢（即与周围介质混合传质减慢）。一次风中燃料浓度增加，会使得燃尽更加困难，火焰长度变长。某断面轴心线上的燃料浓度Czs=化学当量比下的理论燃烧浓度Clr时，燃烧才完全。此时该断面的距离ax/R0称理论燃尽火焰长度）以质量流量计算，任一断面上轴心线上浓度Czs是断面平均浓度的1.5倍。所以，空气和燃料的分布是不匹配的，要使得射流中各处的燃料都有充足氧气，必须过量空气系数大于1。

37、,110,旋转射流的流动与传质,流场存在两个区域：类似刚体旋转的核心区，和类似自由涡的外围区中心存在负压区，因此有回流区存在旋转射流的射程比同等条件的直射流短旋流强度的增大有利于前期混合，但会缩短射程扩口有助于形成较大的回流区,111,钝体张角2，回流区宽度H，长度L和回流量R都阻塞率(b/B)2的影响:R，L/d。,112,两股平行射流湍流混合的强弱决定于：两者的动压比，它是湍流扩散（三传）的动力（能量）来源，它的增加会导致流体微团可在更大尺度范围内湍流相关，且混合边界层愈偏于动压小的一侧。当动压比趋近于1时，由于动压差引起的湍流扩散已经十分微弱，只能靠射流自身原始扰动度来维持 决定于射流自

38、身动压，它是射流内部进行三传的动力（能量）源。一般自身湍动度总是维持射流内部的小尺度湍动。系数k，决定于射流喷口的结构特征和速度分布特征,113,相交射流,相交射流以一定角度相交，在各自惯性力作用下相互碰撞和混合，完成“三传”，这个惯性力比湍流切应力要大数百倍。射流的核心区被强烈破坏。“三传”升高。射流变形，压扁，混合边界层很快波及到射流轴心线区，“三传”升高。交角越大压扁越厉害。两射流轴心线相交后，合成一股射流，同时具有最大的变形后的周边。所以与周围介质“三传”也加强。结论：相交射流混合传质的动力学条件是两射流的动量（流率）比M=1时混合最强烈。,西安交通大学能源与动力工程学院,114,The End,