燃氣燃燒與應用_chap3

1、第三章,燃氣燃燒的氣流混合過程,第一節(jié),靜止氣流中的自由射流,第二節(jié),平行射流,第三節(jié),相交射流,第四節(jié),旋轉射流,第五節(jié),紊流擴散過程,物理過程,實現燃氣,/,空氣的混合,燃氣的燃燒過程,化學過程,?,對于多數的工業(yè)爐窯燃燒來說，物理過程往往起支配作,用。燃氣流和空氣流的混合過程是決定燃燒過程的重要因,素。,?,本章所涉及的基本概念在流體力學中已經學習過。,?,我們只考慮如何使用；,?,公式多為半經驗公式，由流體力學原理和實驗數據整理,得到。,第一節(jié),靜止氣流中的自由射流,自由射流,層流自由射流,紊流自由射流,等溫,/,非等溫,水平,/,垂直,平行氣流中的自由射流,平行射流,多股平行射流,射

2、流噴入同向平行射流,相交氣流,單股自由射流相交,多股受限氣流相交,自由射流,由噴嘴噴射到無限大的充滿靜止介質的空間,(,一,),層流自由射流,?,射流出口速度較小，流量也較小,屬層流；,?,射流與周圍介質間的動量、質量交換,分子擴散。,1,等溫自由射流,起始段,極點,基本段,射流外部邊界,射流收縮角,過渡斷面,射流擴張角,軸心速度,2,非等溫自由射流,溫度差導致密度差，射流軸線發(fā)生彎曲,水平射流時,垂直射流時,熱射流射入冷介質,軸線上彎；,冷射流射入熱介質,軸線下彎；,熱射流射入冷介質,擴張角,/,收縮角減?。?冷射流射入熱介質,擴張角,/,收縮角增大；,熱射流射入冷介質,燃氣射流垂直向上噴入

3、靜止空氣的混合過程,未燃燒區(qū),外部邊界,Cg=0,C,l,著火濃度下限,Cst,化學計量比,C,h,著火濃度上限,核心邊界，,Cg=100%,從極點,O,引出射線，其穿過的,Cg,隨著距,O,距,離的增大而減??；,空氣過剩區(qū),著火區(qū),燃氣過剩區(qū),純燃氣區(qū),每條射線都經過,Cg=100%;Cg=Ch;Cg=Cst;Cg=Cl;Cg=0,五,個點；,將這些點分別連接，得到等濃度面；,(,二,),紊流自由射流,?,噴嘴直徑、噴出的流量都比較大,屬于紊流；,?,射流內部有分子微團的橫向脈動，引起射流與周圍介,質之間的動量交換,/,質量交換，將周圍介質卷吸；,dw,?,射流的卷吸作用由內摩擦力產生：,F

4、,?,?,?,dx,?,紊流自由射流的圖形與層流相似，但起始段各截面速,度分布較均勻；,紊流自由射流的一些經驗公式,1,起始段長度,2,極點深度,0,.,67,r,s,0,?,a,0,.,29,r,h,0,?,a,紊流結構系數,a,：,?,Re=20,10,3,4,10,6,，,a,與,Re,無關；,?,隨原始速度不均勻程度加劇而加大；,3,軸心速度的衰減規(guī)律,v,m,起始段內：,v,?,1,0,v,m,0,.,96,?,基本段內：,v,0,as,?,0,.,29,r,?,出口矩形速度場，,a=0.066;,?,自然紊動射流：,a=0.08,軸心的速度隨著距離而減小,4,任一斷面的體積流量,v

5、,0,L,?,as,?,?,2,.,13,?,2,.,22,?,?,0,.,29,?,L,0,v,m,?,r,?,5,紊流自由射流所卷吸的質量,m,en,當射流密度介質密度，即,?,g,=,?,a,當射流密度,介質密度，即,?,g,?,a,m,en,s,?,0,.,32,?,1,m,0,d,?,?,a,m,en,?,0,.,32,?,?,?,m,0,?,g,?,?,?,?,1,2,s,?,1,d,?,按照,L/L0,或者,m,en,/m,0,，都可以計算被卷吸空氣達到燃燒要,求所需要的長度,火焰長度；,?,射流中心燃氣大量過剩，為形成均勻的可燃混合物，還需,要一段擴散時間，實際的火焰長度總比這

6、樣計算的得到長度,要長很多。,第二節(jié),平行氣流,一、平行氣流中的自由射流,?,起始段、過渡段、基本段；,?,過渡段,等速核心消失、但軸心速度衰減緩慢；,?,邊界為直線，基本段的邊界不同于起始段和過渡段；,射流的擴張角,/,軸心速度的,衰減,/,核心區(qū)長度,都與,射流出口速度和外圍氣流,速度之間的速度梯度有關,用外圍氣流速度,Vs,和射流出口速度,V0,之比來表示氣流混合的程度。,v,s,?,v,0,?,0,自由射流，核心區(qū),最短，速度衰減最快；,軸,心,速,度,中,心,速,度,?,?,1,核心區(qū)加長，衰減,變慢；,?,1,，混合最弱；,?,1,混合逐漸加強，衰,/,減加快。,x,1,1,時的核

7、心區(qū)長度：,?,4,?,12,?,d,0,v,m,?,v,s,x,1,?,射流基本段內軸心速度的衰減規(guī)律：,v,0,?,v,s,x,橫截面上的速度分布規(guī)律,余弦函數,v,?,v,s,1,?,?,r,?,?,?,?,1,?,cos,?,v,m,?,v,s,2,?,2,y,0,.,5,?,?,y,0.5,速度為,1/2(v,m,+v,s,),的徑向坐標,y,0,.,5,d,0,?,2,?,x,?,?,?,?,x,?,?,1,?,1,?,?,二、多股平行射流,?,兩相鄰射流匯合前,獨立發(fā),展；,?,匯合后,各股射流之間的動,量交換，速度場發(fā)生很大變化；,?,射流起始段,仍舊是軸心速,度能保持,V0,

8、的區(qū)段,比一般自,由射流縮短,30,；,?,起始段與基本段之間,過渡,區(qū)域，其長度取決于噴嘴間的距,離。,多股平行射流,第三節(jié),相交氣流,相交氣流,射流噴入與其呈某一角度的氣流中；,噴入的氣流,射流,(,多數為燃氣,),；,被噴入的氣流,主氣流,(,多數為空氣,),；,?,相交氣流可強化燃燒過程；應用比較廣泛；,?,在工業(yè)燃燒裝置，常采用將多股燃氣射流以一,定角度噴入空氣流中的方法。藉此強化燃燒。,周邊送燃氣,中心送燃氣,都不能實現空氣燃氣的良好混合！,空氣燃氣混合裝置的設計原則,?,采用不同孔徑的噴嘴，將燃氣射流到空氣中；,?,燃氣噴嘴的間距應保證各股射流互不重疊,以此為前,提來確定燃氣噴嘴

9、直徑；,?,燃氣流的噴出速度應保證射流達到預定的穿透深度；,在燃燒器截面上形成幾個環(huán)形的燃氣空氣混合層。,有關的計算任務,?,燃氣出口速度,v2,；,?,空氣出口速度,v1;,?,燃氣射流孔口直徑,d,；,必須確定混合,過程與流體動,力參數之間的,關系,?,燃氣射流孔口間距,s,；,?,燃氣射流與空氣射流的交角,；,流體動力參數,q,21,，是射流出口動壓與主氣流動壓之比。,2,?,2,v,2,q,21,?,2,?,1,v,1,NOTE,：工業(yè)燃燒器中的紊動程度、速度,都很大，認為混合過程與,Re/Ar,數無關。,?,射流邊界彎曲。圓形,?,馬蹄形。,?,主氣流減速,?,滯止壓力區(qū)；,?,繞過

10、射流后：低壓區(qū)，形成一對反向,漩渦,可起到穩(wěn)定火焰的作用。,?,射流核心區(qū)比自由射流縮短，射流衰,減迅速。,一,單股射流與主氣流相交,絕對射流穿透深度,h,：當射流軸,線變得與主氣流完全一致時，,噴嘴出口平面到射流軸線之間,的法向距離。,射流,相對射流穿透深度,h/d,：絕對射,流穿透深度與噴嘴直徑之比。,射程,x1,：射流軸線在,x,方向的分,速度衰減為出口速度,v2,的,5,時,，軸線距噴嘴出口平面間的法,向距離。,主氣流,圓形射流：,45135,o,時，,射流軸線的方程,為：,?,?,v,?,?,ax,?,ay,ax,?,?,195,?,?,?,?,ctg,?,?,?,d,d,?,?,v

11、,?,?,d,?,2,1,1,2,2,2,1,.,3,3,紊流結構系數,可調噴嘴,a=0.06;,圓柱形噴嘴,a=0.070.08,適用條件,?,v,1,.,45,?,10,?,?,8,?,10,?,2,?,v,?,3,2,1,1,2,2,2,ax,45,?,?,?,?,135,?,0,?,d,?,aD,1,ax,射程的經驗公式：,aD,1,?,K,1,q,21,d,與射流交角有關的系數；,90,o,，為最大。,射流穿透深度的經驗公式,h,?,0,.,132,q,21,d,a,120130,o,的射流穿透深度大于,90,o,。,?,對矩形、方形、橢圓形等其它形狀的噴嘴，使用當量直徑的,概念，可

12、使用前面關于圓形射流的結論。,?,在射流穿透深度上，射流的直徑為射流穿透深度的,0.75,倍,這個結論非常重要！,D,j,二,多股射流與受限氣流相交,h,影響多股氣流與受限氣流相交的因素,，除了前述的流體動力參數、角度、,溫度之外，還有：,?,0,.,75,(1),主氣流流道的相對半寬度,B/2d,B/2d22,，相當于自由射流；,(2),射流噴嘴相對中心距,s/d,s/d16,相鄰射流間的影響很??；,s/d,相同，則各股射流軌跡也相同；,(,一,),噴嘴或厚壁孔口噴出的射流,厚壁孔口,壁厚與孔口直徑之比大于,0.5,；出口截面,上的氣流速度是均勻的。,2,?,v,?,2,1,1,o,1,.,

13、0,?,10,?,?,1,.,0,?,10,當,s/d16, ,=90,時,2,?,2,v,2,?,3,?,v,射流軸線的方程為：,y,?,0,.,104,?,?,?,d,?,?,x,?,?,?,?,?,?,?,v,?,?,d,?,2,1,1,2,2,2,3,.,25,當,s/d=8,時，相鄰射流間的影響顯著，不能應用該方程。,關于射流穿透深度,實驗表明：,s/d,越小，射流穿透深度也越小。,1,考慮,s/d,對射流穿透深度的影響,當,s/d=816, q,21,=50200,=90,o,時，,h,?,Ks,q,21,d,與單股射流公式一致,2,實際上，射流進入使流道內混合物速度增加,引入修正

14、系數,L,1,?,1,?,L,2,?,2,?,?,L,1,?,1,混合物質量流量,/,主氣流質量流量,計算流體動力參數時用混合物流速代替主流流速，有,mix,q,21,2,?,2,v,2,q,21,?,2,?,2,2,?,?,1,v,1,?,則射流穿透深度為,h,Ks,v,2,?,d,?,v,1,?,2,K,s,mix,?,q,21,?,K,s,q,21,?,1,?,3,再考慮噴入角度的影響,h,K,s,K,?,v,2,?,d,?,v,1,Ks,與噴入角度有關的系數，實,驗確定為,Sin,?,2,mix,?,K,s,sin,?,q,21,?,1,在考慮混合物流速增加、噴入角度變化的影響之后，,

15、得到最終的射流穿透深度計算式：,h,K,s,K,?,v,2,?,d,?,v,1,?,2,mix,?,K,s,sin,?,q,21,?,1,其中：,Ks,是與噴嘴間距有關的系數；,實際上，在設計時噴嘴間距,是需要計算確定的；因此，,這里存在一個試算過程。,(,二,),薄壁孔口噴出的射流,?,薄壁孔口,壁厚與孔口直徑之比為,0.250.3,；,?,出口截面上的氣流會發(fā)生收縮。,?,必須考慮實際的噴出速度,比按照射流體積計算的速度要大！,定義流量系數,A,?,d,?,?,?,?,?,?,A,?,d,?,?,2,收縮后的孔口直徑；,噴嘴實際的噴嘴直徑；,v,2,收縮處實際的氣流速度,此時的射流穿透深度

16、為,h,K,s,sin,?,mix,?,q,21,d,?,v,2,?,如何考慮噴嘴前燃氣流速,/,方向對射流穿透深度的影響,?,燃氣流速低、燃氣通道大，孔口前的燃氣流動方向與射,流方向一致時,不予考慮；,?,燃氣流速較高、燃氣通道小，孔口前的燃氣流動方向予,射流方向不一致時,往往是垂直的,對厚壁孔口可不,考慮；但對薄壁孔口必須考慮；,噴嘴前的燃氣流速,Vg;,實際的射流速度,V2/sin,;,tg,=V2/Vg,用實際射流速度代替前面的,V2,h,K,s,sin,?,v,2,sin,?,?,d,v,1,?,?,K,s,?,2,?,?,1,?,mix,q,21,第四節(jié),旋轉射流,離開噴嘴前，先強

17、迫流體做旋轉運動；,?,離開噴嘴后，流體一面旋轉，一面在靜止介質中前進。,?,旋轉紊流運動、自由射流、繞流；,?,是旋流式燃燒器常用的方法；強化燃燒。,?,產生旋流的方法,?,使氣流,(,全部或部分,),沿切向進入主流道；,?,在軸向流道中設置旋流器；,?,采用機械旋流裝置,(,轉動的葉片等,),一、旋轉射流的基本特性,旋轉流場,1,、除軸向分速度、,徑向分速度之外，,還有切向分速度；,而且噴嘴出口處的,徑向分速度遠大于,直流時的情形。,2,、在軸向和徑向都,建立了壓力梯度；強,旋流時，射流內部存,在一個反向回流區(qū)。,3,、強旋流時，從外側卷吸介質；在內回流區(qū)卷吸介質,高溫煙,氣；內、外兩側對

18、高溫煙氣的卷吸起到穩(wěn)焰作用；,4,、旋轉射流的擴張角壁直流大，隨著旋轉強弱而變化；,5,、氣流速度衰減快，射程短。,旋流數,?,旋渦流場依靠流體內部的靜壓差而運動,位能旋渦；,?,旋渦的回旋運動并非外部扭矩所引起的，忽略摩擦的,話，不同半徑上的流體微團動量矩守恒?！白杂尚郎u”,在半徑,r,處，速度為,u,在半徑,r+dr,處，速度為,u+du,流體微團的體積：,r,.d,?,.dr,流體微團的質量,:,?,r,.d,?,.dr,?,u,u,?,dr,?,r,動量矩質量速度力臂,(,半徑,),T=m.u.r,外加扭矩動量矩隨時間的變化率,對自由旋渦，,T=0,d,?,ur,?,T,?,m,dt,

19、u.r=Const,?,越靠近蝸旋中心，切向速度越大；,?,蝸旋中心例外；,角動量的軸向通量,G,?,?,?,R,0,0,質量流量,R,0,v,軸向分速度；,u,切向分速度；,?,ur,?,?,vdF,?,?,0,?,ur,?,?,v,2,?,rdr,動量矩,軸向動量,G,x,?,?,v,?,v,2,?,rdr,?,?,P,2,?,rdr,0,0,R,0,R,0,在旋轉自由射流中，,Gx=const; G,?,=const,旋流數,G,?,s,?,G,x,.,R,0,?,用來表示射流的旋轉強度；,?,幾何相似的旋流裝置，,s,是射流動力相似的相似準則；,二、旋轉射流的流場,1,弱旋轉射流,?,

20、S0.6;,?,軸向壓力梯度尚不足以產生回流區(qū)；,?,旋流的作用僅表現在提高射流對周圍氣流的卷吸能力；,?,加速射流流速的衰減；,?,軸向速度分布是相似的，滿足高斯分布,軸線上速度,最大，往邊界逐漸降低；,2,?,K,v,r,?,v,?,?,exp,?,?,?,?,x,?,a,?,2,?,v,m,?,?,與射流的旋流數有關的系數,92,K,v,?,1,?,6,s,射流擴張角,?,?,4,.,8,?,14,s,卷吸的質量,m,en,x,?,?,0,.,32,?,0,.,8,s,?,m,0,d,2,強旋轉射流,?,S0.6;,?,射流軸向的反壓力梯度增加，在兩個滯止點之間出現,回流區(qū)；,?,在穩(wěn)定火焰方面起重要作用；,第五節(jié),紊流擴散過程,一、紊流的基本特性,?,層流,流線相互平行；,?,紊流,平行運動被破壞；行程為不規(guī)則的波浪形；分散,為一個個的分子微團；在宏觀的前向運動之外，還產生了橫,向的位移。,紊流時，截面上的速,度分布較均勻，前進,阻力增加，消耗的能,量隨之增加；,瞬時速度隨時間的變化,在一定時間間隔內，某空間點上的,時均,速度,瞬時速度,?,脈動速度的時均值為零；,v,?,?,?,1,?,0,v,i