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1、燃 烧 学,第 十讲 射流混合过程,燃 料,氧化剂,浓 度,温 度,混合,扩散,燃烧,化学过程,物理过程,动量传递(流动),质量传递(扩散),热量传递,化学反应,燃烧,空 间,时 间,动力燃烧,扩散燃烧,中间燃烧,燃烧,层流燃烧,紊流燃烧,过渡态燃烧,气体流动形式,燃烧,气体燃料,液体燃料,固体燃料,燃料,燃烧,均相燃烧,异相燃烧,燃料物质形态,燃烧,层状燃烧(固定床),固体床层,沸腾床燃烧(流化床),粉煤燃烧(气流床),射流混合过程,煤气与空气混合程度,长度,宽度,温度分布,气流的喷出速度,空气与煤气的相对速度,气流的交角,旋流速度,紊流射流,自由射流,同轴射流,交叉射流,旋转射流,有焰燃烧
2、:煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧,射流的初始条件,喷口尺寸d0,流量m0,动量G0,温度T0,压力p0,密度0,浓度C0,速度u0,边界条件,外围流体流速us,压力Ps,温度Ts,浓度Cs,物理参数,等压比热cp,紊流导热系数,紊流粘性系数,紊流扩散系数DT,射流流场的速度分布、温度分布、浓度分布、卷吸气量比mc/m0、射流扩展率dy/dx，射流张角或,静止气体中的自由射流,气流由喷口射入充满静止空气且不受约束空间时的流动,速度差、粘性,紊流旋涡层,紊流旋涡跨流扩散侵蚀主流,楔形射流核(势流核心),u0、C0、T0,初始段,外边界流速为0,射流极点,扩展角,Xp,静止气体中的自由射流,射流的
3、射程是射流的重要流动参数，其反映了射流对周围流体的穿透能力，而且还与卷吸周围介质、燃料着火和燃烧密切相关,射流射程,速度衰减,初始段约为喷口直径的45倍,静止气体中的自由射流,内外边界,紊流边界层,卷吸作用,外围气体跨流扩散与主流混合,势流核心缩小消失,相似速度分布,过渡段,剪切层 掺混层,过渡段的长度约为喷口直径的10倍,静止气体中的自由射流,过渡段,射流沿程各断面上轴向流速u呈正态分布,射流充分发展,自模段(充分发展段),轴心速度,静止气体中的自由射流,截面上轴向速度衰减至,射程,扩展角,Xp,静止气体中的自由射流,射流的扩展角,射流速度变化规律、核心区(势流核心)的形状以及速度分布的规律
4、都是相似的,x0 射流极点至喷口的距离， m R0 喷口半径，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布均匀性有关的经验常数，对于圆形喷口，a0.070.076，a约为28o，初始段长度约为R0的8.89.6倍,圆形喷口：,静止气体中的自由射流,射流核心 火焰黑根 长度xp,喷口形状,喷口速度分布,紊流强度,实验决定,静止气体中的自由射流,Prandtl紊流理论：湍流切应力的数值是由流体微团速度脉动引起动量横向转移来直接确定的，又称动量转移理论,自由射流半宽y与该截面上的轴向距离x成正比,自由射流轴向速度um分布规律,自由射流轴向浓度Cm分布规律,圆形喷口：,自由射流轴向速度的径向分布
5、规律,自由射流轴向浓度的径向分布规律,静止气体中的自由射流,在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性。自由射流轴向速度的径向分布规律：,自由射流轴向浓度的径向分布规律：,Ku=8292,KC=5457,圆形喷口：,静止气体中的自由射流,自由射流轴向速度um分布规律：,自由射流轴向浓度Cm分布规律：,圆形喷口：,静止气体中的自由射流,该喷口的特征尺寸直径为矩形的短边长度2b0,扁矩形喷口：,射流的扩展角较小，各项参数沿轴向变化较慢,x0 射流极点至喷口的距离， m b0 喷口短边长度，m xch 初始段长度，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布均匀性有关的经验常数，对于扁矩
6、形喷口，a0.10.12,静止气体中的自由射流,扁矩形喷口：,自由射流轴向速度um分布规律,自由射流轴向速度的径向分布规律,自由射流轴向浓度的径向分布规律,自由射流轴向浓度Cm分布规律,静止气体中的自由射流,扁矩形喷口：,自由射流轴向速度um分布规律：,自由射流轴向速度的径向分布规律：,静止气体中的自由射流,扁矩形喷口：,自由射流轴向浓度的径向分布规律：,自由射流轴向浓度Cm分布规律：,静止气体中的自由射流,自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：,me 卷吸量 mx x截面处射流的总质量流量 m0 射流的初始质量流量,静止气体中的自由射流,当量直径de,从直径d0喷出的密度为0 的气体的
7、动量G0和速度u0,从当量直径de喷出的密度为s的气体的动量Gs和速度us,G0=Gs,u0=us,m0,G0,非等温过程,同向平行流中的自由射流,射流的扩展,单股射流射入与其同向平行流动的主气流中,轴线上流体轴向速度的衰减,核心区长度,射流与周围气流之间的速度梯度,同向平行流中的自由射流,us逐渐变大,混合速度减慢,u0=us,混合速度很慢,u0us,u0us,混合速度变快,射流与外流间的速度梯度减小，混合减缓，射流张角、速度及浓度沿轴向的变化率随之减小。,射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：,同向平行流中的自由射流,r1与r2 分别为混合区的内半径与外半径 u0 射流出口速度 us 外
8、围流体速度,同向平行流中的自由射流,势核长度xp：,射流充分发展区轴心速度uc的衰减规律:,表示射流的扩散情况,射流张角及射流扩展率随的增大而减小,多股平行射流,初始段,基本段,初始段,过渡段,过渡段的大小和平行射流组中相邻喷口之间的距离有关,当多股平行射流存在时，由于每股射流彼此之间的相互影响，射流之间形成较为强烈的漩涡区，使得多股射流的湍流脉动比自由射流大。所以多股射流与单股射流相比，具有如下的特点： 多股平行射流初始段长度比单股射流流程短，约小30%左右； 由于边界层的增厚主要与横向脉动速度成正比，所以混合区厚度比单股大,多股平行射流基本段中速度场仍服从自由射流的速度分布规律,交叉射流,
9、以某一角度与主流相交的射流为交叉射流,射流在主流中的穿透深度,射流和主流的混合情况,交叉射流,或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流,强化混合,在两股交叉射流汇合前存在回流区，其大小和强度由a0和0决定,交叉射流汇合点xj,交叉射流,或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流,交叉射流主流方向上速度衰减规律：,汇合点之前，射流速度逐渐降低,汇合点附近，射流速度有所增大，汇合点位置xj与喷口间距a0和角度0有关,汇合点后不远处，射流速度开始衰减，其衰减规律类似于自由射流,交叉射流,正面受主流动压头的冲击,背面受尾流中降压旋涡卷刷,射流核OB,显著弯曲段,旋涡扩展段,射流出现周向速度分量,旋涡
10、,射流受到侧面切应力作用,卷吸掺混强烈,射流轴线,几何中心线,交叉射流,穿透深度的经验公式：,一般来说，要得到二次风与燃烧气流良好的混合，必须保持一定的值,煤粉炉 1:67,交叉射流,交叉角及流速比的影响：,环状射流,有钝体的直流燃烧器,改善火焰的结构和稳定性,低压回流区,喷嘴出口810d0,充分发展区(自模段)，流型类似于自由射流,靠近喷嘴出口处,射流状态只受喷嘴的几何形状(d/D)的影响,回流区大小、回流速度及回流量，影响着火稳定性及气流混合,同心射流,轴向直流燃烧器,改善火焰的结构和稳定性,低压回流区,喷嘴出口810d0,充分发展区，流型类似于自由射流,靠近喷嘴出口处,射流状态受喷嘴的几
11、何形状的影响,环状射流对中心射流的影响,随着 的增大，中心射流势核长度越来越小，中心射流速度衰减越来越快,中心射流对环状射流的影响,随着 的减小，环状射流势核长度越来越小，环状射流速度衰减越来越快,环缝宽度,射流长度为炉膛2/33/4,卷吸量越大，射程越小 卷吸量越小，射程越远,由实验确定,对于难以燃烧的贫煤和无烟煤来说,环状射流速率大，中心射流速率小，衰减快，从而在中心射流喷口处形成了一个较大的回流区，使得无烟煤易于达到它的着火温度，从而易于着火,对于易于燃烧的烟煤来说,中心射流速率大，环状射流速率小，从而在环状射流喷口处形成回流区，促进混合，并降低了中心射流喷口处的温度，防止烧坏喷嘴,旋转
12、射流-简介,径向和轴向压力梯度,轴向压力梯度增大,流体轴向倒流，形成回流区,旋转紊流运动,自由射流运动,尾流,旋转射流-简介,I区，自由漩涡,II区，固体漩涡,旋转射流-特点,旋转射流具有内回流区和外回流区，扩展角比较大，相对直流射流而言，旋转射流卷吸周围介质的能力强，可以依靠自身的回流区保持稳定着火。 旋转射流出口处速度高，由轴向、径向和切向速度组成，气流的早期混合强烈。 切向速度衰减很迅速，气流旋转效应消失较快，因此后期混合较弱。 旋转射流的轴向速度衰减也较快，因此射流射程较短。,旋转射流-自由漩涡,位能旋涡：靠流体内部位能变化(静压或水位差)而形成的旋涡,自由旋涡：无外加扭矩作用、理想流
13、体、无摩擦损耗、漩涡不同半径上的动量矩守恒,旋转射流-自由漩涡,自由旋涡的特点：,切线速度v0与半径成反比,流线虽然是同心圆，但是各流体微团并没有绕其自身轴线自转运动(不包括涡心)，而是一种无旋圆周运动，即各流体微团的旋度为零。,包括涡心，任何半径r圆周上的环量或涡强都相等，所以自由漩涡又叫做等环量或等涡强流场,旋转射流-固体漩涡,固体旋涡-强制旋涡,rR1 (R1:平衡半径),漩涡中心有个半径为R1的涡核，涡核内的流体绕中心O按固体旋转规律旋转，即,这个涡核即为固体漩涡或者强制漩涡,旋转射流-圆周漩涡,涡核强制旋涡流场,圆周旋涡栾肯涡,外围-自由旋涡流场,rR1 v=r,rR1 vr=K,r
14、=R1,固体漩涡的外围为自由涡，固体涡核与外围自由涡的整体为圆周漩涡或者栾肯涡,rR1 v=r,rR1 vr=K,r=R1,旋转射流-圆周漩涡,圆周旋涡v的分布规律,旋转射流-圆周漩涡,rR0,R0rR1,r=R1,R1r0,r=0,圆周旋涡静压分布规律,或者,或者,旋转射流-旋流强度及旋流数,旋流强度,火焰长度,燃烧强度,火焰稳定性,旋流数,G 旋转射流的角动量(旋转动量矩) R 定性尺寸，旋流半径 Gx 旋转射流的轴向动量 p 旋转射流某轴向截面处的静压 v 旋转射流的切向分速度 vx 旋转射流的轴向分速度,扩张角、回流区大小,旋流强度仅与旋流器结构尺寸有关,旋转射流-旋流射流流场结构,旋
15、转射流的流场结构,s0.6,弱旋流，由于旋转射流轴向压力梯度不够大，无内部回流区产生，即轴向速度均为正值，轴向速度的径向速度场呈现高斯分布，旋流只是提高射流对周围气体的卷吸能力和加速射流流速的衰减,s0.6,强旋流，沿轴线的反向压力梯度增大，导致其不能被轴向流动的流体动能所克服，产生内部回流区，速度场为双峰式分布,S0.6，为弱旋转射流的临界旋流强度,旋转射流-旋流射流流场结构,旋转射流-弱旋流射流流场特点,轴线上的轴向速度衰减与旋流强度s有关，s越大，势能核心被破坏得越强烈，射流喷口处速度下降得越快,轴线上轴向速度衰减规律：,切向速度衰减规律：,切向速度最大值的衰减与旋流强度s无关，其衰减常
16、数等于(a/d)2,旋转射流-强旋流射流流场结构,旋转射流-强旋流射流流场特点,强旋转射流轴向、切向、径向上的速度分量的最大值沿射流长度方向衰减的快慢，均与旋流强度s的大小有关，s越大，衰减的越快。,旋转射流-强旋流射流流场特点,压力p的衰减与x-4成正比,旋转射流卷吸能力与旋转数s的关系,切向分速度v与x-2成正比,轴向分速度vx与径向分速度vr与x-1成正比,旋转射流-强旋流射流流场特点,随着射流旋转强度s增大，回流量增加，回流区的尺寸(长度及宽度)增加。但是当s增加到一定程度，长度缩小，宽度继续增加，其原因是旋转射流对周围介质的卷吸所致。,旋流强度对环形喷口旋转射流回流区的影响,旋转射流-旋流射流流场结构,烧嘴喷头的几何形状对旋流流场结构的影响：,扩张形喷头使得回流区及回流量显
