第4章 扩散火焰

第4章扩散燃烧引言扩散燃烧与动力燃烧气体燃料燃烧所需的全部时间通常包括两部分：气体燃料与空气混合所需时间和燃烧反应所需时间。扩散燃烧或扩散火焰动力燃烧或动力火焰扩散－动力燃烧气体燃料扩散火焰特性扩散火焰分类层流扩散火焰质量扩散以分子扩散的方式实现扩散火焰湍流扩散火焰

质量扩散以气团扩散的方式实现气体燃料扩散火焰特性扩散火焰结构（受限扩散）气体燃料扩散火焰特性扩散火焰结构（自由扩散）层流扩散火焰火焰面必定在燃料与空气按照化学恰当比混合的位置上：焰面外侧：空气＋燃烧产物焰面内侧：燃料＋燃烧产物焰面：燃料与空气的理论浓度为零气体燃料扩散火焰特性扩散火焰结构实际层流扩散火焰气体燃料扩散火焰特性扩散火焰结构湍流扩散火焰气体燃料扩散火焰特性扩散火焰结构湍流扩散火焰1、湍流射流扩散火焰面是皱折、波动、破裂的，不能精确测量其火焰高度，且湍流射流扩散火焰高度与射流无关，仅与射流直径有关。2、湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽，并处于激烈脉动中。其温度、速度、浓度的时间平均值分布也与层流分布图类似。与层流火焰相比，湍流扩散火焰具有如下优点：气体燃料扩散火焰特性扩散火焰的特点扩散火焰不产生回火，但温度低扩散燃烧容易产生碳氢化合物的热分解人工煤气扩散火焰人工煤气预混火焰圆形湍流自由射流扩散燃烧射流分类根据射流喷嘴：平面射流与圆形射流根据射流结构：直流射流与旋转射流平行射流与相交射流环形射流与同轴射流根据射流环境：自由射流与受限射流根据射流流动：层流射流与湍流射流圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流过渡段初始段自模段O－C－O为射流核心，核心区内速度、浓度等与出口处相同，长度约4~5d0x/d0＞8~10，射流的无因次参数分布与x/d0无关。初始段与自模段之间，可忽略。圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流自模段的特性：圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流自模段的特性：同样，当喷射流体与周围介质性质不同或温度不同时，自模段的温度场和浓度场也具有相似性，即：

圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流自模段的特性：实际上，b与x成正比：

圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流工程应用的半经验公式：轴线上的参数：a为实验系数，其值为0.07～0.08圆形湍流自由射流扩散燃烧一、圆形湍流自由射流工程应用的半经验公式：参数分布：圆形湍流自由射流扩散燃烧二、射流的吸卷及吸卷量的计算射流向前运动时，由于横向的速度脉动及粘性，与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使射流的质量沿流向逐渐增加，这种现象称为射流的吸卷或引射。

任意截面及出口截面上射流的质量流量为：

当射流出口雷诺数大于及圆形湍流自由射流扩散燃烧二、射流的吸卷及吸卷量的计算经验公式：当时：圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧由射流特性确定扩散燃烧特性：1、确定湍流扩散火焰高度，即寻找火焰锋面与轴心线相交的位置2、扩散火焰面上有：如湍流扩散火焰高度的工程计算：圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧（湍流自由射流）由射流特性确定扩散燃烧特性：在射流中各点的燃料相对浓度Cf和氧化剂浓度Ca满足：圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰高度（工程计算）：湍流扩散火焰高度与管径成正比，与初始速度无关圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：假设：（1）忽略辐射热损失；（2）物性不随温度变化；（3）不考虑湍流脉动与燃烧间的相互作用。圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：边界条件：

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：在火焰面上：圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：为了消去组分方程、能量方程中的化学反应项（源项），对方程组进行变换：设化学反应按下列当量关系进行：

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

边界条件：圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

；湍流扩散常数，c=0.0128圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

在火焰面上燃料和氧化剂浓度为零，也即当圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

湍流自由射流扩散火焰的高度：

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布，

（火焰前锋面内）圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布，

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布（在火焰前锋面外）圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布

圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布圆形湍流自由射流扩散燃烧三、圆形湍流自由射流扩散燃烧湍流扩散火焰理论分析：

射流火焰横截面上的成分分布和温度分布纵向受限射流火焰一、纵向受限射流的流动特性纵向受限射流：受限射流可以分为两类：燃料射流射入的方向和空气流的方向垂直燃料射流射入的方向和空气流的方向平行横向受限射流：纵向受限射流火焰一、纵向受限射流的流动特性射流的卷吸能力二次流流量纵向受限射流火焰一、纵向受限射流的流动特性纵向受限射流火焰一、纵向受限射流的流动特性纵向受限射流火焰一、纵向受限射流的流动特性纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论斯林－纽比(Thring-Newby)理论

将自由射流理论用于受限射流。假定射流的卷吸能力不受管壁的影响，于是可直接利用自由射流的公式：纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论假定射流的扩张角为9.7°，则：纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论当二次流此时只有在C截面以前才有卷吸量，假定这时到C截面的卷吸量为原来到P截面的一半，则有：纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论涡心的位置纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论斯林－纽比数令：纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论此时从N点到C点间卷吸的流量等于回流量此时纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论纵向受限射流火焰二、有回流区的纵向受限射流理论由θ值可求得回流区位置和回流量。随着θ的增加，回流区位置向下游转移，回流区尺寸变小。纵向受限射流火焰产生回流区有利于火焰的着火和稳定。受限射流火焰长度比自由射流长，并且随θ的减小而增加。纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论布克－舒曼(Burke-Schumann)理论假设：火焰前沿面厚度趋于零，化学反应就发生在前沿面上，且火焰面位于燃料和氧化剂为化学恰当比的位置。扩散系数与温度及成分无关，忽略由于加热引起的膨胀及燃气性能的变化。燃料和氧化剂流速相等。纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论对轴对称、定常流动的物质守恒方程为：令：纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论假设ρ与D是常数用分离变量法，令：纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论方程左边为r的函数，右边是x的函数，因此只有等式为常数时才能成立，设常数为k2，则方程可变为以下两个方程：

常系数方程零阶贝塞尔方程

纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论式中k和c1为待定系数。利用边界条件：以及火焰面上：Y=0纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论布克和舒曼解得了如下的火焰形状隐函数关系：

可得正锥火焰高度可得倒锥火焰高度纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论取上述方程中的第一近似项，可得：与层流自由射流火焰高度的关系一致。纵向受限射流火焰三、无回流区的纵向受限射流理论层流受限火焰的火焰高度与燃料和空气的总流量成正比，与扩散系数D成反比。因为D/u与压力无关，当总流量保持不变时，火焰高度和压力无关。如果在燃料中加入惰性气体，例如氮气，使降低，火焰向内移动。化学计量系数β减小也使火焰向内移动。旋转射流扩散火焰一、旋转射流特性流场中任一点的速度都有三个分量：u,v,w旋转射流扩散火焰一、旋转射流特性流场中任一点的速度都有三个分量：u,v,w以最大切向速度柱面将流场分为两个区域：中央区和外围区切向速度分布：中央区：旋转刚体外围区：自由涡区旋转射流扩散火焰一、旋转射流特性存在轴对称的回流区旋转射流扩散火焰一、旋转射流特性存在轴对称的回流区旋流数（旋流强度）：r0为喷嘴出口半径，R为旋转射流的旋转半径旋转射流扩散火焰一、旋转射流特性存在轴对称的回流区弱旋流：S＜0.6射流内的压力梯度不足以产生回流区强旋流：S＞0.6射流内的压力梯度较大，足以产生回流区旋转射流扩散火焰二、弱旋转射流扩散火焰旋流强度很小时：轴向速度分布与自由射流相似，呈高斯分布，并具有相似性，可表示为：射流原点距喷口距离旋转射流扩散火焰二、弱旋转射流扩散火焰旋流强度较大时（无回流区）：轴向速度最大值将离开射流轴线，形成双峰形速度分布，轴向速度分布没有相似性。射流扩张角：旋转射流扩散火焰二、弱旋转射流扩散火焰弱旋转射流扩散火焰几乎在整个火焰长度上均有比较冷的核心区存在，而反应区处于冷核心区和环境空气流之间的某区域内。由于冷核心区内的气体和反应区的燃烧产物湍流混合作用，冷核心区温度沿x方向逐渐升高弱旋转射流扩散火焰的轴向速度的衰减也随旋流强度的增加而加快，但衰减速率比不燃烧时慢，切向速度的衰减也与旋流强度无关，但衰减速率也比不燃烧时慢旋转射流扩散火焰三、强旋转射流扩散火焰工程上一般采用强旋流，并利用回流区稳定火焰；随着旋流强度增大，射流扩张角、卷吸量增加，从而使轴向、切向和径向速度衰减加快。其衰减规律为：轴向和径向速度衰减规律：切向速度衰减规律：压力衰减规律：回流区的长度、宽度随旋流强度增大而增大

旋转射流扩散火焰三、强旋转射流扩散火焰射流出口的几何形状对旋转射流的流动影响旋转射流扩散火焰三、强旋转射流扩散火焰射流出口的几何形状对旋转射流的流动影响加装扩张段后，会增加回流区的尺寸及回流量。旋转射流扩散火焰三、强旋转射流扩散火