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1、1,第四章 燃烧物理基础,4.1 传质学基础4.2 湍流物理模型及计算4.3 三传的比拟4.4 自由射流中的混合与传质4.5 旋转射流中的混合与传质4.6 钝体射流中的混合与传质4.7 平行与相交射流的混合与传质,2,4.1 传质学基础,物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质，也称为质量传递。传质的两种基本方式：分子扩散传质和对流传质。,3,扩散的基本定律,传质的推动力是组分的浓度梯度。组分i的浓度通常用质量浓度i kg/m3或摩尔浓度Ci kmol/m3来表示。对于混合气体，可见在等温系统中，组分的摩尔浓度与分压成正比。,4,费克（Fick）第一定律,质量基准 总质量浓度为常数 摩尔基准
2、 总摩尔浓度C为常数 对于一维扩散,5,费克（Fick）第二定律,质量基准 对于一维扩散 摩尔基准 对于一维扩散,6,质扩散率,费克中出现的质扩散率 D，表征物质扩散能力的大小，是个物性参数。它的数值取决于扩散时的温度、压力及混合物系统的性质，主要依靠实验来确定。一般只用到二元混合物的质扩散率，有半经验的计算公式，在已知p0,T0条件下的D0时，推算p,T条件下的D,7,对流传质及传质系数,流体流过壁面或液体界面时，如果主流与界面之间有浓度差，就引起传质。这种传质称之为对流传质。流体与界面间传质通量可如下定义与传热中的牛顿冷却公式形式相同。,8,浓度边界层,在对流传质中，在界面上也象热边界层一
3、样会形成浓度边界层。扩散介质的浓度变化主要发生在浓度边界层之内。,9,重要的准则数,普朗特准则数施密特准则数对流传热的努谢尔特数对流传质的舍伍德数,10,管内强制对流湍流换热的公式管内强制对流传质的公式,11,4.2 湍流物理模型及计算,4.2.1 湍流的物理本质脉动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，由定常的层流流动非定常的紊流流动湍流。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，有时流体微团还会绕其瞬时轴无规则、且经常受扰动的有旋运动，所以在流体中明显出现很多集中的漩涡，不断地产生消灭再产生
4、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。,12,是瞬时真实速度w（或者压力p）对时间的积分中值：即 及 及,13,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的时均根值(3)流场中任意一点上的两个不同方向上的速度脉动如wx、wy的乘积的时间平均值 只有当（非湍流）或,14,流场中，任意相距y的两点1和2上，其相关性用e12表示 当y=0时，；当y时 令e12=0，说明点1与点2湍流无关。,15,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
5、量传递 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,16,4.2.2 湍流的数学描写雷诺方程式,粘性不可压缩流体连续性方程和运动微分方程Navier-Stokes方程按牛顿第二定律：惯性力=重力（体积力)+压力（表面力）+粘性力连续方程：运动方程:X方向：Y方向：Z方向：,17,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,18,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：,（时均值不随
6、时间变化）,19,时均化处理:,重力项压力项粘性力项,20,时均化处理:,连续方程时均化后为：X方向,可以合并,由湍流脉动引起的附加应力,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,23,4.2.3 湍流附加应力的假设,普朗特混合长度理论（0方程模型）动量转移理论等效湍流粘性力假设（0方程模型）,24,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
7、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,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，引起流体任两层之间的纵向速度差w正好等于纵向速度脉动wx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,等效湍流粘性力假设,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
8、普朗特混合长度理论比较,28,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。,29,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。,30,常用的两方程模型：K-模型,31,其中，模型常数的取值见表,32,其它模型,雷诺应力模型代数应力模型大涡模型均需要用数值方法进行求解,33,4.3“三传”的比拟动量热
9、量质量比拟对照：,34,4.3.1 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，单位都是m2/s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,35,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：,36,当ReRelj：湍流运动扩散分子运动扩散，,充分湍流，分子运动扩散可忽略,在湍流情况下，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:Dt t
10、 at=lw，Prt Sct Let 1,37,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。,，,38,“三传”比拟举例,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=C0,39,第一种模型 积分 同时，根据第二种模型
11、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（zl）越强烈,40,有相对运动时的情况,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,41,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,42,在湍流扩散的流场中，温度场和浓度场可以用相同的方程来描述，所以，可以用温度场模拟浓度场。,用不同温度T1T2实验，实测混合点xy处的温度Txy（介于T1
12、和T2之间，T1Txy T2）分布与浓度Cxy相似,43,实例：,T1=60，T2=室温20，实测xy点的Txy=50实际C1=3mol/m3，C2=2mol/m3,那么 Cxy=2.75mol/m3求出所有点的温度场分布T(x,y)就代表浓度场的分布C(x,y)。,44,4.4自由射流中的混合与传质,4.4.1 自由射流的形式 自由射流的形式：自由射流指流体从喷口射入（1）：无限大静止空间（空间流体速度为0）（2）：不在受固体边壁限制，而淹没在周围流体介质中。流体介质与空间介质相同。,45,根据流体力学的实验研究，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
13、向速度wx。自由射流内部压力p=周围介质压力p。,46,4.4.2 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）。,47,推论,推论1：同样按射流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,48,推论,推论
14、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，湍流运动粘性系数，导热系数和扩散系数,49,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，以上是数值计算的基础。,50,4.4.3 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 2,51,实验结果如下,52,(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
15、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,53,(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在射流断面上 wzs=w1,R/R0=3.3,54,(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,55,5）不等
16、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，热焓差守恒条件得,，无量纲速度、温差、浓度差衰减加快，射程,56,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（
17、T1），衰减慢，有足够的扰动范围，保证气流流动。,57,(5)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
18、氧气，必须过量空气系数大于1。,58,4.5 旋转射流中的混合与传质,4.5.1 旋转射流中的混合与传质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,59,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，w0,60,横断面上压力分布,先研究外侧部分势位流动区 按伯努利方程：外边壁 p任意点，,w r=w1 r0=常数把任意点的 代入上式得任意点的压力 显然边界处r=r0 结论：交界处的压力pr0比大气低,61,横断面上压力分布：轴向压力分布：在确定的速度环量=2Rw下,62,在一定的速
19、度环量下，在喷口附近负压很大，在射流中心有一个回流区,63,研究中心部分刚体运动区,径向压力梯度dp/dr=惯性离心力=积分 当r=r0时，又 积分常数 代回，得,64,结论：,核心区，中心处压力比大气压力p要低于交界处动压头的两倍（）。,65,4.5.2 旋流射流的主要试验结果,1、试验研究表明：角动量的轴向通量的（旋转动量矩）G和轴向动量矩Gx均遵守守恒条件：,66,2、旋流强度S工程上用旋流强度来反映旋流射流的强弱程度 其中R为定性尺寸，各国R取值不一样，S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。,67,弱旋转射流：当S0.5回流区不明显
20、,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S0.6出现双峰分布。,经验公式：,68,强旋射流：S0.6,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：,69,喷口形状的影响,无扩口的喷口,有扩口的喷口,70,4.6 钝体射流中的混合与传质,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
21、的动量、热量和质量的交换。,71,4.6.2 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。,72,4.7 平行与相交射流的混合与传质,4.7.1 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,73,两股平行射流，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
22、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,74,两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,75,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
23、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。,76,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
24、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。,77,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,78,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
25、传热过程的基本规律近似描写质量交换。,，,79,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,80,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。
26、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。,81,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
27、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。,82,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,83,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。,84,两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
28、）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,85,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。,
