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1、第三章,燃气燃烧的气流混合,燃气燃烧基本原理,燃气燃烧基本原理,燃气燃烧基本原理,两种着火的形式？湍流火焰传播的基本模型？本生火焰测试法基本原理？火焰传播速度的主要影响因素？,燃气燃烧的气流混合,燃气有效燃烧的的首要必须条件气流混合决定燃烧性质：火焰长度、温度等气流混合的组织形式：速度、角度、强度意义：提高燃烧效率、改进燃烧器,第三章 燃气燃烧的气流混合,自由射流相交气流旋转气流,一、层流自由射流,当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止介质的无限空间时，形成的气流称为自由射流。自由射流的实质是喷出气体与周围介质进行动量和质量交换的过程，即喷出气体与周围介质的混合过程。当喷嘴口径较小，喷出流量也较小，
2、气流以层流状态喷出时，在喷嘴出口处形成层流自由射流。当周围介质的温度和密度与喷出气流相同时，称为等温自由射流。通常周围介质的温度和密度与喷出气流不同，这时称为非等温射流。,等温层流自由射流,等温层流自由射流,等温层流自由射流,射流的外部边界为直线OB、OC，交点O为射流的极点在射流边界上，前进运动速度为零。射流向外部介质进行分子扩散的边界AD、ED也是直线。在ADE区域内，气体速度等于喷嘴出口的起始速度，称为射流核心区。射流外部边界的夹角1称为射流张角。射流核心区边界的夹角为射流核心收缩角2。,热射流水平射至冷介质时的射流轨迹,非等温射流,如果射流垂直向上射出，那么重力差只是稍微改变射流的张角
3、及核心收缩角。在层流射流中，混合是以分子扩散的形式进行的。在界面3上Cg=Cl相应于着火下限；界面4上Cg=Cst相应于化学计量浓度；界面5上Cg=Ch相应于着火上限。射流核心区A，为纯燃气；区域B，着火浓度上限以外；区域C，处于着火浓度范围之内，含有过剩燃气；区域D，着火浓度范围之内，含有过剩空气；区域E，着火浓度下限以外。,层流射流的等浓度面,自由射流,二、湍流自由射流,一般喷嘴喷出速度都很大，在喷嘴出口处即形成湍流射流。湍流射流内部有许多分子微团的横向脉动，引起射流与周围介质之间的质量和动量交换，使周围介质被卷吸。这就是湍流扩散过程。射流的卷吸作用是由于内摩擦产生的，内摩擦力的大小决定于
4、扩散系数和速度梯度。湍流扩散系数比分子扩散系数大得多。当周围介质与喷出气流的密度相同（0=a）时，自由射流对周围介质的卷吸率为：,若0a，则在喷出速度和动量保持定值的条件下，射流的速度梯度及湍流强度均发生了变化，用当量直径de代替喷嘴出口直径d非等温射流的卷吸率为：由于湍流扩散与分子扩散之间的相似性，因而湍流射流的图形与层流射流的图形也十分相似。两者的主要区别仅在于起始段内湍流自由射流截面速度分布比较均匀。,式中 men卷吸质量流量(kg/s)m0射流出口质量流量(kg/s)d喷嘴出口直径(m)s轴线方向上离喷嘴距离(m)a周围空气密度(kg/m3)0射流出口密度(kg/m3),二、湍流自由射
5、流,湍流自由射流,二、湍流自由射流,湍流自由射流的起始段长度s0及极点深度h0都与喷嘴出口半径r有关式中 a湍流结构系数，它表示气流紊动和出口速度场的不均匀程度圆形射流轴心速度的衰减规律：式中 s计算截面离喷嘴的距离圆射流任一截面上无因次流量与距离的关系为：,二、湍流自由射流,在燃烧过程中，喷出气体是燃气，故必须有一定量的空气被卷吸至射流中，方能进行燃烧。可计算应有多长的射流才能从周围获得所需要的空气量，从而计算出燃气自由射流的火焰长度。由于燃气和空气在射流截面上的浓度分布是极不均匀的。为了充分完成混合过程，以便保证完全燃烧，还需要有一段扩散过程。因此实际火焰长度比计算的长度大得多。,燃气自由
6、射流的火焰长度,火焰长度计算,【例】已知喷嘴直径d=30mm，燃气密度g=1.25kgm3，燃气低热值Hl=12770kJNm3，燃气向空气中喷燃，试计算其火焰长度。【解】或,平行气流中的自由射流,平行气流中的自由射流,平行射流混合混合程度与外围气流/射流之间的速度梯度有关,平行气流中射流轴心速度的衰减,平行气流中的自由射流,三、相交气流,在工业炉用的燃烧装置中，广泛采用多股燃气射流以某一角度喷入空气流的方法，以强化混合过程。正确的混合原则：第一、应采用不同孔径的喷嘴，将燃气喷入空气流中，否则无法形成均匀的可燃混合物；第二、孔与孔之间的距离应保证各股燃气射流互不重叠；第三、在保证各股射流互不重
7、叠的前提下，确定燃气喷嘴直径；第四、射流喷出速度应保证射流在空气流中的穿透深度达到预定数值，以便在燃烧器截面上形成几个环形的燃气-空气混合层。,燃烧装置中燃气与空气相交流动的情况(a)周边送燃气；(6)中心送燃气,在相交气流的混合过程中，主要研究的问题是：第一、以某一角度射入主气流中的射流轨迹。第二、射流在主气流中的穿透深度。第三、沿射流轴线速度和温度的变化以及射流横截面上的速度场和温度场。第四、射流与主气流的混合强度。为了计算相交气流混合过程的各参数，必须确定混合过程与喷嘴结构系数(孔口形状、孔口尺寸等)及流体动力参数q21间的关系。,式中 1、1主气流(通常为空气)的密度和速度：2、2射流
8、(通常为燃气)的密度和速度。,三、相交气流,燃气射流在空气流中的穿透深度单股射流与主气流相交流动如图所示，当射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离h定义为绝对穿透深度。绝对穿透深度h与喷嘴直径d之比，定义为相对穿透深度。在射流轴线上定出一点，使该点的轴速度在x方向上的分速度x为出口速度2的5%，以喷嘴平面至该点的相对法向距离，定义为射程。相交气流中自由射流的相对穿透深度由下式计算：当=90时,相交气流中的射流,单股射流与自由气流的相交流动是一种比较简单的理想的情况。在实际燃烧装置中经常遇到的则是多股射流与受限气流的相交流动。多股射流与受限气流相交流动的主要影响因素
9、是主气流流动通道的相对半宽度B/2d和射流喷嘴相对中心距s/d。当B/2d22时，可忽略受限因素的影响。s/d16时相邻气流的影响已很小。,多股气流与受限气流的相交流动,三、相交气流,射流在主气流中的相对穿透深度为：式中：Ks射流喷嘴相对中心距的修正系数考虑由于射流喷入主气流而使通道中混合物流速增加的因素。引入修正系数：,式中 l主气流密度；2射流密度；L1喷入射流以前的主气流体积流量 L2射流体积流量。,Ks与s/d 的关系,三、相交气流,相交射流两股射流互撞后，又形成一股合成的汇合流，最初其垂直截面上射流尺寸有压扁现象，待互撞射流混合后，总射流又以一定扩张角继续流动。射流交角越大，水平截面
10、上射流变得越宽。相交射流的变形程度，常用一个主变形率的概念来描述,射流变形图,式中 b轴线方向上离喷嘴距离x处的射流宽度；dx离喷嘴距离x处的自由射流横截面直径；d0相交射流喷嘴的直径。,根据主变形率的变化情况，相交射流的流动可分成三个区段：(1)起始段 由喷嘴断面开始，到两射流的外边界线相交为止。起始段的长度可由两喷口间的距离、射流交角的大小及每个射流外边界扩展角的大小决定。(2)过渡段 它是从初始段终端开始，一直到主变形率等于常数时为止。(3)基本段 过渡段终端以后都属于基本段。在基本段内汇合射流任意断面上的主变形率都相等。即从过渡段终端开始，汇合流就象一股单一的自由射流。此时，相交射流相
11、互间的动量冲撞引起的射流变形已全部消失。,三、相交气流,四、旋转气流,流体从喷嘴流出后，气流本身一面旋转，一面又向静止介质中扩散前进，这就是通常所说的旋转射流，简称旋流。旋转射流是强化燃烧和组织火焰的一个有效措施。产生旋流的方法有如下几种：第一，使全部气流或一部分气流沿切向进入主通道；第二，在轴向管道中设置导向叶片，使气流旋转；第三，采用旋转的机械装置，使通过其中的气流旋转。,旋转流场示意图,(一)旋转气流与自由射流的差异在旋转射流中除了具有直流射流中存在的轴向分速和径向分速外，还有一个切向分速，而且其径向分速在喷嘴出口附近比直流射流的径向分速大得多。由于旋转的原因，使得在轴向和径向上都建立了
12、压力梯度，这两个压力梯度反过来又影响流场。在强旋转下，旋转射流的内部建立了一个回流区。在强旋转下，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外回流区卷吸的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。旋转射流的扩展角一般比直流射流的大，而且它随旋转的强弱而变化。旋转射流的射程较小。,四、旋转气流,流体微团切向运动示意图,(二)旋转射流的无因次特性旋流数旋风燃烧器所产生的旋涡流场是靠流体内部的位能变化(静压差)而运动，所以叫“位能旋涡”。这种旋涡的回旋运动并非由外加扭矩所引起，若忽略摩擦损耗，则不同半径上流体微团的动量矩应当守恒，故又叫“自由旋涡”。画两个同心圆代表自由旋涡的两条流线，间隔dr，选定两条流线间的流体微团ABCD沿圆圈运动。根据动量矩原理，外加扭矩T等于流体微团动量矩随时间的变化率，对于自由旋涡，外加扭矩T=0,或 ur=常数,四、旋转气流,自由旋涡的切向速度u与半径r成反比，越靠近涡心，切向速度越大。在旋转自由射流中，角动量的轴向通量G及轴向动量Gx部是常数，即,四、旋转气流,由于G和Gx都可以看作是描述射流空气动力特性的参数，因此通常采用无因次特性s表示旋转射流的旋转强度。s0.6时，属于强旋流,
