消防知识_消防燃烧学课件

1 回顾 第一篇 燃料介绍了燃料的基本性质 分类 以及成分表示方法 不同的成分表示方法的换算第二篇 燃烧计算燃料燃烧时的空气需要量 产物生成量的计算方法 化学反应方程式的质量比 系数比 燃烧温度 发热温度的近似求解过程 内插值近似法 气体分析方程 空气消耗系数和热损失的产物成分计算方法 以燃烧的结果作为研究对象 没有考虑燃烧是如何进行的 2 第三篇燃烧基本原理 3 第三篇燃烧基本原理 一 燃烧的定义 工程燃烧学 第七章 燃烧过程 从混合 扩散 到燃烧反应完成的整个过程 所谓燃烧 通常伴有放热 火焰 发光和 或 发烟现象 是可燃物与氧化剂作用发生的氧化反应 燃烧过程是一种复杂的物理过程和化学过程的综合 它既有流动 扩散 混合等物理现象 又有氧化还原反应 并放出光和热的化学现象 燃烧是一种复杂的物理化学过程 三传一反 动量传递 流动 热量传递质量传递 扩散 化学反应 4 第三篇燃烧基本原理 工程燃烧学 第七章 混 表示混合所需要的时间 热 表示混合后的的可燃物到达开始燃烧反应的温度所需要的时间 化 表示完成化学反应所需要的时间 燃烧过程的进行主要是受化学动力学影响 还是受扩散因素的影响 5 第三篇燃烧基本原理 一 基本分类 二 燃烧的分类 工程燃烧学 第七章 1 动力燃烧 动力学因素控制 预混燃烧 爆炸 混 热 t化 3 中间燃烧 介乎两者之间 6 第三篇燃烧基本原理 工程燃烧学 第七章 二 其他分类 7 主要内容 射流混合过程燃烧反应速度和反应机理着火过程燃烧传播过程异相燃烧火焰的结构及其稳定 8 第七章射流混合过程 实际意义 物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用 例如有焰燃烧 射流是大多数工程燃烧混合的主要方式 除固体燃料有时以块状进行燃烧外 其它燃料和氧化剂都是以射流形式送入燃烧空间的 工程燃烧学 第七章 9 第七章射流混合过程 工程燃烧学 第七章 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 层流射流与湍流射流 根据射流流动 主要学习内容 各种射流的定义 射流的形成条件与一般特征 10 第一节静止气体中的自由射流 第七章射流混合过程 工程燃烧学 第七章 第二节同向平行流中的自由射流 第三节交叉射流 第四节环状射流和同心射流 第五节旋转射流 11 7 1静止气体中的自由射流 一 自由射流的定义流体由喷嘴流出到一个足够大的空间后 不再受固体边界限制而继续扩散的一种流动 其燃烧装置称为大气烧嘴 例如家用煤气灶 二 自由射流的特点射流气体离开喷口以后 因与外围流体之间有速度差 且有粘性 故产生紊流漩涡层 与外围流体进行动量和质量交换 导致各流动截面上的速度 浓度分布特征发生变化 根据这些特征 沿射流的前进方向 可将射流分为初始段 过渡段和自模段 充分发展段 工程燃烧学 第七章 12 初始段 红色部分为势流核心 核心区内速度 浓度等与出口处相同 长度约4 5d0 7 1静止气体中的自由射流 工程燃烧学 第七章 自模段 轴向流速都呈正态相似分布 x d0 8 10 过渡段 射流截面上轴向速度分布不断变化直至成为正态相似分布 13 7 1静止气体中的自由射流 根据普朗特混合长度理论 自由射流半宽 y 轴向um的沿程衰减规律 轴心Cm的沿程衰减规律 自模段特性 工程燃烧学 第七章 u的分布规律 C的分布规律 轴向流速和浓度的径向分布都具有相似性 14 自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示 7 1静止气体中的自由射流 工程燃烧学 第七章 三 射流的卷吸及卷吸量的计算 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卷吸或引射 有射流必有引射 其中me 为卷吸量 mx 为x截面处射流的总质量流量 m0 为射流的初始质量流量 15 随着与喷口距离x的增加 卷吸率是增大 减小还是保持不变 16 7 1静止气体中的自由射流 1 时射流流量 与实验条件有关 卷吸率 2 时Thring提出用当量直径de代替喷口直径d0 即认为喷出的气体密度为 s 速度和动量保持恒定 为u0和G0 工程燃烧学 第七章 非等温射流卷吸率 17 第一节静止气体中的自由射流 第七章射流混合过程 工程燃烧学 第七章 第二节同向平行流中的自由射流 第三节交叉射流 第四节环状射流和同心射流 第五节旋转射流 18 7 2同向平行流中的自由射流 喷入同向平行气流中的射流 分单股平行射流和多股平行射流 射流的扩展 轴心速度的衰减和射流核的长度主要与射流流体和环境流体之间的速度梯度有关 工程燃烧学 第七章 射流与外流间的速度梯度越大 混合速度就快 相反 混合减缓 射流张角 速度及浓度沿轴向的变化率随之减小 势核长度越大 当二者相等时 势核贯穿整个流场 二 单股射流的特点 一 定义 19 7 2同向平行流中的自由射流 Squire和Trouncer从理论上分析了平行流中自由射流的有关特性 提出射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式 其中 r1和r2 混合区的内 外半径 u0和us 射流初速度和外围流的速度 工程燃烧学 第七章 三 速度分布 20 根据轴向速度分布式和Alpinieri的实验数据 1 绘出了平行流中射流轴向速度衰减图 图中 us u0由图可看出 当 由0或2 13趋向1时 射流核越来越大 轴心速度衰减变慢 射流特性的影响因素 7 2同向平行流中的自由射流 工程燃烧学 第七章 1 流速比 21 7 2同向平行流中的自由射流 射流的半速线 表示射流的扩散情况 随流速比的变化情况 从图中可以看出 当 1时 射流张角和射流扩展率随 增大而减小 工程燃烧学 第七章 射流的半速线随流速比的变化 22 7 2同向平行流中的自由射流 工程燃烧学 第七章 轴线浓度衰减图 射流特征量应当是比值 sus 0u0的函数 2 密度 0 s Alpinieri在研究 1的情形时 得到一个重要结论 射流特性不仅与速度比有关 而且与密度比有关 当两者的密度比相差较大时 密度差引起轴线上的浓度有显著衰减 以致于对速度比的变化不甚敏感 标准状况下 H2 CO2和空气的密度分别为 0 0899g L 1 79g L 为1 29g L 23 第一节静止气体中的自由射流 第七章射流混合过程 工程燃烧学 第七章 第二节同向平行流中的自由射流 第三节交叉射流 第四节环状射流和同心射流 第五节旋转射流 24 7 3交叉射流 一 定义及应用情况以某一角度与主流相交的射流 工业燃烧装置中 经常采用交叉射流 以实现以下功能 强化燃烧或降温 例如向火焰中喷射二次助燃空气 二 流场结构正交射流喷孔中心线与壁面交叉角为90 主流沿x方向流动 工程燃烧学 第七章 25 7 3交叉射流 弯曲射流大致可分为三段 为射流核OB 比自由射流显著缩短 且向下游歪斜 为显著弯曲段射流剖面迅速变形 旋涡扩展段 射流转到主流方向 Os为um联结线 Oc为几何中心线 工程燃烧学 第七章 圆孔射流横穿主流时的弯曲变形 26 7 3交叉射流 绝对穿透深度 横穿主流的射流弯曲到和主流方向接近平行时 弯曲轴线离开喷射口的垂直距离 相对穿透深度 绝对穿透深度与喷嘴直径d0之比称为相对穿透深度 穿透深度 y d 与 呈反比 归纳为下列穿透深度的经验公式 工程燃烧学 第七章 正交射流的穿透深度 27 7 3交叉射流 斜交射流为了助燃或降温 有时需要二次空气斜穿过主流 即喷孔中心线与壁面交叉角大于或小于90 弯曲变形规律 穿透深度随流速比 u0 v0 的增大而增大 工程燃烧学 第七章 射流轴线随交角和流速比的变化 28 第一节静止气体中的自由射流 第七章射流混合过程 工程燃烧学 第七章 第二节同向平行流中的自由射流 第三节交叉射流 第四节环状射流和同心射流 第五节旋转射流 29 7 4环状射流和同心射流 一 流场结构 1 充分发展区流动情况与轴对称圆形射流相似 2 但在喷嘴附近环状射流中心形成低压回流区 在同心射流交界面上 由于中央喷管有一定壁厚 也会形成回流区 因此 对环状射流和同心射流来说 喷嘴的几何形状 对邻近喷嘴的射流状态有较大影响 回流区一般用于改善火焰的稳定性 工程燃烧学 第七章 30 二 外围环状射流与中心射流的相互影响 7 4环状射流和同心射流 工程燃烧学 第七章 图为中心射流的势流核心和轴心速度随流速比 ua uc 的变化情况 从图中可以看出 当环状射流的速度很小 例如 0 08时 一直到4d0距离内 中心射流的轴心速度都保持常量 也就是说 势核长度约为中心喷嘴直径d0的4倍 随着 的增大 势核长度越来越小 中心射流速度衰减变快 当 2 35时 中心射流很快被环流所吸收 环状射流对中心射流的影响 31 7 4环状射流和同心射流 工程燃烧学 第七章 对于外围环状射流来说 用环缝宽度1 2 D2 D1 作为特性尺寸 环缝出口速度ua0作为特性速度时 中心射流对外围射流的影响如图所示 从图中可以看出 随着中心流速的增大 减小 环形射流势核逐渐减小 速度衰减变快 直到 0 08时 经过相当距离后 D2 D1 环形射流被中心射流完全吸收 中心射流对外围环形射流的影响 32 第一节静止气体中的自由射流 第七章射流混合过程 工程燃烧学 第七章 第二节同向平行流中的自由射流 第三节交叉射流 第四节环状射流和同心射流 第五节旋转射流 33 7 5旋转射流 一 定义射流在离开喷嘴前先强迫流体作旋转运动 它从喷嘴喷出后便会一边旋转一边向前运动 这就是旋转射流 简称旋流 工程燃烧学 第七章 1 存在轴向分速度vx 径向分速度vr和切向分速度v 二 特点 2 旋转强烈到一定程度时 喷嘴附近可形成回流区 34 7 5旋转射流 工程燃烧学 第七章 实线 vx虚线 v 在轴心处vx 0 回流区边界上vx 0 回流区边界 vx 0 与射流边界之间vx有一最大值vmax x vmax vx分布趋于平坦均匀 回流区变小直到消失 35 7 5旋转射流 工程燃烧学 第七章 3 速度沿程衰减快 当x d 5以后 v vr基本上消失 只有vx存在 旋转射流沿程无因次速度 36 4 射流中心有很强的卷吸力 7 5旋转射流 工程燃烧学 第七章 射流轴线上的静压力低于大气压力 负压 说明旋转射流中心有很强的卷吸作用 x 静压力 大气压力 卷吸作用 37 7 5旋转射流 燃烧技术中 旋转射流是强化燃烧和组织火焰的一个有效措施 它能有效地提高火焰稳定性和燃烧强度 三 旋流的作用 工程燃烧学 第七章 38 四 旋流的几个相关概念 自由旋涡 靠流体内部的位能变化 静压或水位差 而运动 所以叫 位流旋涡 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 7 5旋转射流 工程燃烧学 第七章 特点 1 切线速度v0与半径成反比 即越靠近涡心 切线速度越快 2 自由旋涡是一种 无旋 圆周运动 39 7 5旋转射流 固体旋涡 流体绕中心按固体旋转规律旋转的旋涡 又叫强制旋涡 表达式为 旋风或旋流是由外围的自由旋涡和涡核的强制旋涡组成 二者整体叫做圆周旋涡 工程燃烧学 第七章 40 7 5旋转射流 旋流强度 旋流数旋转射流的规模和强度在控制火焰长度 提高燃烧强度及改善火焰稳定性方面起着重要的作用 在旋转自由射流中 由于外力矩等于零 轴向动量Gx及角动量G 都保持守恒 即 工程燃烧学 第七章 41 7 5旋转射流 1 旋流数轴向动量Gx及角动量G 都是旋转射流的动力特性参数 由它们组成的无量纲数s来反应旋转射流的旋转强度 叫做旋流数 S的表达式为 意义 旋流数S 不仅可以用来反映射流的旋转强度 而且 对于几何相似的旋流装置来说 它也是一个非常适用的表示射流动力相似的相似准数 工程燃烧学 第七章 42 7 5旋转射流 旋流数的计算计算旋流数时 需要知道旋转射流中切向速度v 轴向速度vx及静压p沿半径r的分布规律 这对计算人员来说往往有一定困难 为了避免静压积分运算的困难 将其忽略不计 旋流数具体的计算方法还应视各种旋流装置的结构特点有所不同 工程燃烧学 第七章 43 7 5旋转射流 五 旋转射流的流场结构流场结构的探测方法利用五孔球形皮托管或激光多普勒风速仪可以探测旋转射流的速度分量vx vr v 及静压p沿x和r方向的分布 弱旋流 当s 时 射流中心的轴向反压梯度逐渐增大 以致克服该区轴向速度 并出现中部回流区 工程燃烧学 第七章 44 7 5旋转射流 可以看出 当s 0 416时 速度成呈高斯分布 当s 0 6后 最大轴向速度开始偏离轴线 出现双峰式速度分布 工程燃烧学 第七章 45 7 5旋转射流 弱旋流的流场结构速度分布 在弱旋流的初始段内 势核消失得比自由射流快 进入充分发展段后 其轴向分速度场是相似的 即在该段的任一截面上任一点的相对速度可用下述方程表示 式中 vx为某横截面上任意点的轴向分速度 vxm为该截面上轴向分速度的最大值 r为该截面上任意点的径向坐标 x为该截面至喷口的距离 为旋流的视在原点至喷口的距离 Kvx为随旋流数而变化的分布常数 由下面公式确定 工程燃烧学 第七章 46 7 5旋转射流 扩展角 弱旋流的扩展角随着旋流数S的增加而加大 但并不是一直随之增大而增大 而是只能增大到约10 的极限值 此增大值可用下式表示 卷吸量 与旋流强度成正比 工程燃烧学 第七章 47 7 5旋转射流 强旋流的扩展角增加更大 相