湍流非混火焰

1、內(nèi)燃機燃燒學(xué) 氣有浩然，學(xué)無止境 求真務(wù)實，開放拓新 2021年9月20日主講人主講人: : 白書戰(zhàn)白書戰(zhàn) 博士博士, ,講師講師概述概述湍流非預(yù)混火焰在實際應(yīng)用中具有極其廣泛湍流非預(yù)混火焰在實際應(yīng)用中具有極其廣泛的應(yīng)用，因為其易于控制。的應(yīng)用，因為其易于控制。但是其缺點是無法保證污染物的較低排放。但是其缺點是無法保證污染物的較低排放。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，有很多類型根據(jù)應(yīng)用場合的不同，有很多類型簡單射流火焰簡單射流火焰液體燃料噴霧燃燒液體燃料噴霧燃燒強回流區(qū)穩(wěn)焰的火焰強回流區(qū)穩(wěn)焰的火焰非預(yù)混火焰有著廣泛的應(yīng)用，設(shè)計任何燃燒非預(yù)混火焰有著廣泛的應(yīng)用，設(shè)計任何燃燒設(shè)備時需要考慮的問題很多，重要的包

2、括：設(shè)備時需要考慮的問題很多，重要的包括：火焰形狀和尺寸火焰形狀和尺寸火焰維持與穩(wěn)定火焰維持與穩(wěn)定傳熱傳熱污染排放污染排放總論總論湍流非預(yù)混射流火焰與預(yù)混火焰相似，都可湍流非預(yù)混射流火焰與預(yù)混火焰相似，都可以看到不光滑（毛刷）或模糊的邊界。以看到不光滑（毛刷）或模糊的邊界。但對于碳?xì)浠鹧鎭碚f，由于碳煙的存在，非但對于碳?xì)浠鹧鎭碚f，由于碳煙的存在，非預(yù)混火焰一般要比預(yù)混火焰明亮。預(yù)混火焰一般要比預(yù)混火焰明亮。甲烷甲烷-空氣火焰的光譜輻射測量結(jié)果表明：雖然火焰空氣火焰的光譜輻射測量結(jié)果表明：雖然火焰中看到碳煙發(fā)出的亮光，但是碳煙輻射對于總的輻中看到碳煙發(fā)出的亮光，但是碳煙輻射對于總的輻射損失卻沒有

3、太大的影響，而對于更易生成碳煙的射損失卻沒有太大的影響，而對于更易生成碳煙的燃料來說，碳煙輻射則可能是總輻射熱損失的主要燃料來說，碳煙輻射則可能是總輻射熱損失的主要部分。部分。氫氣氫氣-空氣射流火焰中空氣射流火焰中OH基的瞬時平面圖形清楚的基的瞬時平面圖形清楚的顯示了富含顯示了富含OH基的高溫區(qū)的旋卷型褶皺特征，隨著基的高溫區(qū)的旋卷型褶皺特征，隨著下游距離的增加，火焰區(qū)域也隨之增加，最后在火下游距離的增加，火焰區(qū)域也隨之增加，最后在火焰頂部出現(xiàn)一個很大的高溫區(qū)。焰頂部出現(xiàn)一個很大的高溫區(qū)。文獻(xiàn)文獻(xiàn)6測量了射流火焰的平面溫度分布，這些溫度圖測量了射流火焰的平面溫度分布，這些溫度圖像顯示，有的區(qū)域

4、熱量層很薄而溫度梯度很大，有像顯示，有的區(qū)域熱量層很薄而溫度梯度很大，有的熱量層寬，其中溫度幾乎一致，在很窄的火焰區(qū)的熱量層寬，其中溫度幾乎一致，在很窄的火焰區(qū)域內(nèi)，流體的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。域內(nèi)，流體的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。初始射流直徑和燃料對火焰尺寸的影響初始射流直徑和燃料對火焰尺寸的影響采用米氏散射測量得到的甲烷采用米氏散射測量得到的甲烷-空氣射流火焰流型實空氣射流火焰流型實驗展現(xiàn)了非預(yù)混火焰的一些典型特征：驗展現(xiàn)了非預(yù)混火焰的一些典型特征：當(dāng)流率比較低時，即火焰為層流時，火焰高度與初始射流當(dāng)流率比較低時，即火焰為層流時，火焰高度與初始射流直徑無關(guān)，而只與流速有關(guān)。直徑無關(guān)，而只與流速有關(guān)。當(dāng)流率增加

5、時，湍流逐漸開始影響火焰高度，并出現(xiàn)了過當(dāng)流率增加時，湍流逐漸開始影響火焰高度，并出現(xiàn)了過渡區(qū)。在過渡區(qū)的最后，隨著流速的增加，湍流程度也不渡區(qū)。在過渡區(qū)的最后，隨著流速的增加，湍流程度也不斷增加，最后在曲線的極小值點形成比初始的層流火焰要斷增加，最后在曲線的極小值點形成比初始的層流火焰要短的多的完全湍流火焰。短的多的完全湍流火焰。當(dāng)流速進(jìn)一步增加時，火焰高度可能維持不變，也可能不當(dāng)流速進(jìn)一步增加時，火焰高度可能維持不變，也可能不斷增加但曲線斜率越來越小。由于流率的增加，夾帶進(jìn)入斷增加但曲線斜率越來越小。由于流率的增加，夾帶進(jìn)入的空氣和混合速率也會近似成比例的增加。而且火焰高度的空氣和混合速率

6、也會近似成比例的增加。而且火焰高度明顯受到初始射流直徑的影響。明顯受到初始射流直徑的影響。附著火焰：在足夠低的流速下，火焰根部與附著火焰：在足夠低的流速下，火焰根部與燃燒起管子的出口非常接近，我們定義為附燃燒起管子的出口非常接近，我們定義為附著火焰。著火焰。推舉火焰：當(dāng)燃料流率增加時，在火焰地步推舉火焰：當(dāng)燃料流率增加時，在火焰地步開始形成空隙，當(dāng)進(jìn)一步增加流率時，會形開始形成空隙，當(dāng)進(jìn)一步增加流率時，會形成越來越多的空隙直到燃燒器噴口沒有連續(xù)成越來越多的空隙直到燃燒器噴口沒有連續(xù)的火焰，這種情況稱作推舉火焰。的火焰，這種情況稱作推舉火焰。推舉距離增加到一定程度時，火焰被吹熄。推舉距離增加到一

7、定程度時，火焰被吹熄。火焰的穩(wěn)定性而言，存在兩個狀態(tài)：推舉和火焰的穩(wěn)定性而言，存在兩個狀態(tài)：推舉和吹熄。吹熄。簡化分析簡化分析與冷態(tài)射流的對比與冷態(tài)射流的對比在在11章中，針對恒密度的湍流射流建立了簡單章中，針對恒密度的湍流射流建立了簡單的混合長度模型，并給出了三個主要特征：的混合長度模型，并給出了三個主要特征：當(dāng)所有的速度都以出口速度為基準(zhǔn)時，而且空間當(dāng)所有的速度都以出口速度為基準(zhǔn)時，而且空間坐標(biāo)坐標(biāo)x與與r都以噴嘴半徑都以噴嘴半徑R為基準(zhǔn)，速度場方程是普為基準(zhǔn)，速度場方程是普適的適的射流擴展角是常數(shù)，與射流出口速度和直徑無關(guān)射流擴展角是常數(shù)，與射流出口速度和直徑無關(guān)漩渦粘度與流場位置無關(guān)，

8、并且正比于噴嘴出口漩渦粘度與流場位置無關(guān)，并且正比于噴嘴出口速度和直徑速度和直徑假設(shè)射流火焰與等溫射流有相似的性質(zhì)，就可得到火假設(shè)射流火焰與等溫射流有相似的性質(zhì)，就可得到火焰形狀和長度的關(guān)系。焰形狀和長度的關(guān)系。進(jìn)一步假設(shè)湍流的質(zhì)量擴散系數(shù)與動量傳遞的相同，進(jìn)一步假設(shè)湍流的質(zhì)量擴散系數(shù)與動量傳遞的相同，則燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布應(yīng)該等于無量綱的速度分布，則燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布應(yīng)該等于無量綱的速度分布，這種關(guān)系是在沒有燃燒的情況下成立。這種關(guān)系是在沒有燃燒的情況下成立。我們用混合物的分?jǐn)?shù)來代替燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與無我們用混合物的分?jǐn)?shù)來代替燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并與無量綱的速度場有相似的性質(zhì)。量綱的速度場有相似

9、的性質(zhì)。有了這些假設(shè)后，給定燃料類型后，火焰的高度將于有了這些假設(shè)后，給定燃料類型后，火焰的高度將于射流速度無關(guān)，而與噴嘴直徑成比例，而且射流擴張射流速度無關(guān)，而與噴嘴直徑成比例，而且射流擴張角與射流速度和噴嘴直徑均無關(guān)。角與射流速度和噴嘴直徑均無關(guān)。守恒標(biāo)量的回顧守恒標(biāo)量的回顧我們分析射流火焰時，希望用混合物分?jǐn)?shù)代替燃料、我們分析射流火焰時，希望用混合物分?jǐn)?shù)代替燃料、氧化劑和產(chǎn)物分別的守恒關(guān)系來描述任意位置火焰氧化劑和產(chǎn)物分別的守恒關(guān)系來描述任意位置火焰組分的變化。層流射流的研究中我們已經(jīng)應(yīng)用過。組分的變化。層流射流的研究中我們已經(jīng)應(yīng)用過?；旌衔锏目傎|(zhì)量源于燃料的質(zhì)量f混合物分?jǐn)?shù)的主要特征：

10、混合物分?jǐn)?shù)的主要特征：它可以用來定義火焰邊界，且它的值只與當(dāng)量比有關(guān)它可以用來定義火焰邊界，且它的值只與當(dāng)量比有關(guān) =1時，為火焰面，所以火焰邊界面出的時，為火焰面，所以火焰邊界面出的f值就固定了值就固定了跟與跟與“無源項無源項”控制方程的定義，它在整個流場中保持守控制方程的定義，它在整個流場中保持守恒，正是由于這個性質(zhì)，我們才能用它來代替各個組分單恒，正是由于這個性質(zhì)，我們才能用它來代替各個組分單獨的守恒關(guān)系從而大大簡化了數(shù)學(xué)模型獨的守恒關(guān)系從而大大簡化了數(shù)學(xué)模型stoicFAf假設(shè)假設(shè)穩(wěn)態(tài)、軸對稱的時均流場穩(wěn)態(tài)、軸對稱的時均流場與湍流輸運相比，分子輸運相對不重要與湍流輸運相比，分子輸運相對

11、不重要漩渦粘度在整個流場中守恒漩渦粘度在整個流場中守恒忽略密度的脈動忽略密度的脈動動量、組分和能量的湍流輸運都相等動量、組分和能量的湍流輸運都相等忽略浮力忽略浮力忽略輻射傳熱忽略輻射傳熱忽略軸向的湍流擴散忽略軸向的湍流擴散噴嘴出口處的燃料射流相等噴嘴出口處的燃料射流相等混合物性質(zhì)有燃料、氧化劑和產(chǎn)物三組分確定混合物性質(zhì)有燃料、氧化劑和產(chǎn)物三組分確定采用狀態(tài)方程式確定平均密度時，忽略混合物分?jǐn)?shù)的脈動采用狀態(tài)方程式確定平均密度時，忽略混合物分?jǐn)?shù)的脈動守恒定律的應(yīng)用守恒定律的應(yīng)用與層流射流分析時的不同與層流射流分析時的不同時均量代替了瞬時量時均量代替了瞬時量湍流輸運性質(zhì)代替了分子輸運性質(zhì)湍流輸運性質(zhì)

12、代替了分子輸運性質(zhì)模型解：模型解：火焰高度火焰高度與實驗值的差別，原因是簡化過度與實驗值的差別，原因是簡化過度火焰長度火焰長度火焰長度的定義包括：火焰長度的定義包括：有訓(xùn)練有素的觀察者直接觀察的值有訓(xùn)練有素的觀察者直接觀察的值從一系列的瞬時火焰長度照片中取可視火焰長度從一系列的瞬時火焰長度照片中取可視火焰長度的平均值；的平均值；用熱電偶測量軸線上溫度的最高點的軸向位置用熱電偶測量軸線上溫度的最高點的軸向位置從氣體采樣的方法測量平均混合物分?jǐn)?shù)，確定化從氣體采樣的方法測量平均混合物分?jǐn)?shù)，確定化學(xué)當(dāng)量值所處的軸向位置學(xué)當(dāng)量值所處的軸向位置火焰的可視長度要大于靠溫度或者混合物濃火焰的可視長度要大于靠溫

13、度或者混合物濃度測量所得出的長度。度測量所得出的長度。影響火焰長度的因素影響火焰長度的因素火焰中射流初始動量與作用在火焰上的浮力的比火焰中射流初始動量與作用在火焰上的浮力的比值值化學(xué)當(dāng)量值化學(xué)當(dāng)量值射流密度與環(huán)境氣體密度的比值射流密度與環(huán)境氣體密度的比值初始射流直徑初始射流直徑火焰輻射火焰輻射湍流非預(yù)混火焰具有較高的輻射能力，有些場湍流非預(yù)混火焰具有較高的輻射能力，有些場合中，正是靠輻射來傳遞熱量的，有些情況輻合中，正是靠輻射來傳遞熱量的，有些情況輻射則可導(dǎo)致效率的下降射則可導(dǎo)致效率的下降輻射分?jǐn)?shù)：火焰向周圍環(huán)境的輻射傳熱速率與輻射分?jǐn)?shù)：火焰向周圍環(huán)境的輻射傳熱速率與火焰的總放熱速率的比值火焰

14、的總放熱速率的比值燃料的輻射分?jǐn)?shù)與各自形成碳煙的能力在同燃料的輻射分?jǐn)?shù)與各自形成碳煙的能力在同一數(shù)量級上，也就是說碳煙對火焰的輻射分一數(shù)量級上，也就是說碳煙對火焰的輻射分?jǐn)?shù)有重要的影響。數(shù)有重要的影響。輻射分?jǐn)?shù)的大小由火焰尺寸和釋熱率決定。輻射分?jǐn)?shù)的大小由火焰尺寸和釋熱率決定。當(dāng)固定燃燒速率而減小固定火焰尺寸而增大當(dāng)固定燃燒速率而減小固定火焰尺寸而增大燃燒速率時，都會造成輻射分?jǐn)?shù)的減小。燃燒速率時，都會造成輻射分?jǐn)?shù)的減小。燃料形成碳煙的能力是影響火焰中輻射損失燃料形成碳煙的能力是影響火焰中輻射損失的主要因素的主要因素火焰中的輻射源：火焰中的輻射源：分子輻射分子輻射黑體輻射黑體輻射推舉和吹熄推舉

15、和吹熄流速從小到大，火焰變化：附著流速從小到大，火焰變化：附著-推舉推舉-吹吹熄熄理解推舉火焰的三個理論：理解推舉火焰的三個理論：層流火焰速度最大處的局部氣流速度恰好與湍流層流火焰速度最大處的局部氣流速度恰好與湍流預(yù)混火焰的燃燒速度相等。預(yù)混火焰的燃燒速度相等。流場局部的應(yīng)變速率超過了層流擴散火焰面的消流場局部的應(yīng)變速率超過了層流擴散火焰面的消滅應(yīng)變速率滅應(yīng)變速率大尺度流場結(jié)構(gòu)中高溫產(chǎn)物與未燃混合物的有效大尺度流場結(jié)構(gòu)中高溫產(chǎn)物與未燃混合物的有效返混時間小于點火的臨界化學(xué)反應(yīng)時間返混時間小于點火的臨界化學(xué)反應(yīng)時間在某個流速下，當(dāng)湍流燃燒速度隨下游距離的增加在某個流速下，當(dāng)湍流燃燒速度隨下游距離

16、的增加而減小的速度要快于滿足而減小的速度要快于滿足SL,max位置處局部氣流流速位置處局部氣流流速的減少速度時，將發(fā)生吹熄現(xiàn)象。的減少速度時，將發(fā)生吹熄現(xiàn)象。當(dāng)流速增加時，推舉高度不斷上升，對比看來，火當(dāng)流速增加時，推舉高度不斷上升，對比看來，火焰根部的流速和湍流燃燒速度都隨推舉距離的增加焰根部的流速和湍流燃燒速度都隨推舉距離的增加而相應(yīng)減小，而在某個臨界點后，湍流燃燒速度的而相應(yīng)減小，而在某個臨界點后，湍流燃燒速度的減小速率要快于局部流速的減小速度，即再也找不減小速率要快于局部流速的減小速度，即再也找不到可以平衡的點，而差距只會越來越大，此時，發(fā)到可以平衡的點，而差距只會越來越大，此時，發(fā)生

17、吹熄生吹熄即使混合物仍然處在著火范圍內(nèi)，只要一超過臨界即使混合物仍然處在著火范圍內(nèi)，只要一超過臨界推舉高度，火焰馬上被吹熄。推舉高度，火焰馬上被吹熄。HHeLeSvRe105 . 31Re017. 065 . 1max,eLeHHSmax,RejestoicFeFdYYH8 . 545 . 0,H H，特征長度，平均燃料濃度降到化學(xué)當(dāng)量以下時的軸向距離，特征長度，平均燃料濃度降到化學(xué)當(dāng)量以下時的軸向距離該公式通用性較強，適用于很多燃料該公式通用性較強，適用于很多燃料當(dāng)燃料固定，吹熄速度將隨射流直徑的增加而增加。當(dāng)燃料固定，吹熄速度將隨射流直徑的增加而增加。實際應(yīng)用的非預(yù)混火焰設(shè)備中，燃燒需要的實際應(yīng)用的非預(yù)混火焰設(shè)備中，燃燒需要的空氣經(jīng)常以與燃料同流的形式引入。這和燃空氣經(jīng)常以與燃料同流的形式引入。這和燃料射入靜止的空氣中有區(qū)別。料射入靜止的空氣中有區(qū)別。另外，旋流也常應(yīng)用在實際的非預(yù)混燃燒起另外，旋流也常應(yīng)用在實際的非預(yù)混燃燒起中，主要靠葉片來提供空氣和燃料的旋流。中，主要靠葉片來提供空