燃气燃烧的气流混合过程

燃气燃烧的气流混合过程燃气燃烧的气流混合过程 在燃烧技术中 燃气燃烧过程是一个复杂的物理 化学过 程 就其过程进展条件不同 可分为动力燃烧和扩散燃烧 前 者为燃气和空气预先充分 均匀混合 然后送入燃烧室进行燃 烧 后者为燃气和空气分别送入燃烧装置 在燃烧室内一边混 合 一边进行燃烧 由于燃烧速度较慢 一般有明显的火焰 也称为有焰燃烧 对于有焰燃烧 燃气和空气混合的物理过程 是决定燃烧 特性的重要因素 如 火焰长度 宽度及它的温度分布等等 所以 研究燃烧过程 必须讨论与燃烧化学反应密切相关的物 理过程 从燃烧器喷嘴喷出的燃气流或然气 空气混合流 都是一 股射出流体 简称为射流 射流分为各种类型 按射流方式可 分为直流射流 旋转射流 按出流方向可分为平行射流 环状 同心射流 相交射流 按流动状态可分为层流射流 紊流射流 等等 本章属燃烧空气动力学内容 介绍气流混合的基本概念和 自由射流 相交气流 第一节第一节 静止气流中的自由射流静止气流中的自由射流 当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止或速度非常小介质的 无限空间时 所形成的气流 称为自由射流 自由射流中 气 流混合的实质是喷出气体与周围介质进行的动量和质量的交换 按射出流体与环境介质的温度和密度 可分为等温自由射流和 非等温自由射流 按流动状态不同 自由射流又可分为层流自 由射流和紊流自由射流等 一 层流自由射流 当喷嘴口径较小 喷出流量也较低 喷出流体的 re 数在临 界值以下时 形成层流自由射流 某种燃气从燃烧器喷嘴以质量流量 qm 速度 v0 温度 t0 密度 0 浓度 c0喷出 其前进方向与 x 轴方向相同 并且初速 度 v0在喷嘴出口处呈均匀分布 在射流进入空间后 因与周围介质有速度差 且有粘性 产生层流混合边界层 引起射流和周围介质的质量 动量交换 使介质分子也跟随射流运动 即被射流卷吸 使射流流量逐渐 增加 射流流场不断加宽 而射流断面上的平均速度却逐渐下 降 图 3 3 1 为等温层流自由射流流场结构示意图 图中 ob oc 为射流外部边界 是射流与周围静止介质的 交界面 在此 射流的轴向速度为零 外部边界的交点为极点 o 夹角 1为射流张角 ad ed 是射流内部边界 为射流核心 的边界 内外边界之间 则为层流混合区 即边界层 aed 区 域 保持出口的 t0 c0等参数 且轴心速度保持 v0 称为射流 核心区 d 点所在的 fdg 截面为过渡截面 ade 2 为射流核 心收缩角 从出口到过渡截面为初始段 过渡截 面 fdg 上的轴心速度 vm v0后 射流沿程各截面速度分布 开始不断变化 直到呈相似速度分布 过渡截面 fdg 之后 则 为基本段 对于周围介质的温度和密度与喷出气流不同的非等 温自由射流 水平出流时由于重力差使流场发生弯曲 如图 3 2 2 热射流水平出流至冷介质时 射流轴线往上弯曲 而对 冷射流出流 则轴线下弯 图图 3 3 1 等温层流自由射流流场结构示意图等温层流自由射流流场结构示意图 图图 3 3 2 非等温层流自由射流非等温层流自由射流 如果射流垂直向上射出 那么重力差只是稍微改变射流的 张角及核心收缩角 并不使截面上速度分布和轴线变形 喷出 气流密度小于周围介质的密度 则张角及收缩角减小 反之 则角度增大 当燃气射流以层流状态向上喷入静止空气中时 气流混合 过程如图 3 3 3 射流混合以分子扩散的方式进行 在内外边 界线之间的层流混合边界层内 燃气分子从内边界向外边界扩 散 而空气分子则从外边界线向内扩散 因此射流的外边界 1 面 以外 是纯空气 射流内边界 5 面 以内为纯燃气 稳定状态 下 在由射流极点 0 引出的每一条射线上 燃气的浓度都是从 5 面往外逐渐降低的 因此 在每条射线上都可划分出燃气的 5 个浓度段 即 cg 100 100 化学计量浓度 化学计量 浓度 化学计量浓度 0 cg 0 图图 3 3 33 3 3 层流射流混合过程层流射流混合过程 也就是说 在稳定的燃气层流自由射流中 由于分子扩散 会形成性质彼此不同的几个区域 a 射流核心区 b 比化学计量浓度更浓的燃气 空气混合区 c 化学计量浓度区 d 浓度低于化学计量的燃气 空气混合区 e 燃气浓度等于 0 的区域 点火以后 在射流中化学当量浓度区就会形成一层流扩散 火焰 显然 这时火焰长度主要取决于与燃气的 1 昆合过程有 关的各因素 主要是扩散混合的条件和燃气的体积流量等 二 紊流自由射流 在工业燃烧器中 燃气流量较大 喷嘴孔径及喷出速度都 较大 在喷嘴出口处即形成紊流自由射流 射流自喷嘴出口以后 在紊流扩散过程中 内部有许多分 子微团的脉动 引起射流与周围介质之间的质量和动量交换 使周围介质被卷吸 这样射流质量不断增加 流场的宽度亦不 断扩展 而射流断面上速度则不断减小并逐渐均匀 同时在流 宽度上形成各种不同浓度的混合物 如图 3 3 4 所示 由于紊流扩散与分子扩散之间的相似性 所以紊流自由射 流和层流自由射流的流场结构图形也十分相似 主要区别仅在 于起始段内紊流自由射流截面速度较大 速度分布更趋均匀 在层流自由射流和紊流自由射流中 由于气体分子或分子 微团与周围介质间的自由碰撞 造成射流本身的动量损失 但 同时也使周围介质获得动量而发生运动 因此 沿射流轴线方 向 整个射流的动量和压力保持不变 这是自由射流的主要特 点 在紊流射流边界层内 可燃混合物在不同位置处的组成比 例显然是不同的 与层流扩散火焰类似 它在着火时 也是在 紊流扩散混合区浓度处于化学当量比的表面上形成火焰焰面 也就是说 紊流射流中燃烧区的位置也是完全由紊流扩散的条 件来决定的 燃烧速度则由其扩散混合速度来确定 研究表明 紊流自由射流的起始段长度 s0和极点深度 h0都 与喷嘴出口半径有关 s0 0 67r a h0 0 29r a 式中 a 紊流结构系数 它表示气流紊动和出口速度场 的不均匀程度 在 re 20 103 4 106的范围内 系数 a 并不随 re 变化 仅随原始速度不均匀程度的加剧而增大 对完全均匀的速度场 vo 射流出口轴心速度 射流出口截面平均速度 a 0 066 对自然紊动射流 a 0 08 射流轴心速度 vm的变化取决于喷嘴尺寸和射流出口速度 在起始段 轴心速度等于射流出口速度 其后 轴心速度沿程 衰减 如图 3 3 4 图图 3 3 4 紊流自由射流紊流自由射流 根据试验 圆形射流轴心速度的衰减规律如下 式中 s 计算截面离喷嘴的距离 圆形射流任一截面上无因次流量 qv表体积流量 与距离的关 系为 自由射流中 各截面上的一切特性参数均为该截面上轴心 速度的函数 而轴心速度则取决于喷嘴出口截面至该横截面的 距离 s 因此已知 s 和 v0 r a 即可直接算出各截面上所有的运 动参数 自由射流对周围气体的卷吸能力 可以用卷吸率来表示 卷吸率 即卷吸量与射流初始质量的比值 即 式中 qen 卷吸质量流量 qs 离喷嘴出口 s 距离截面上射流的总质量流量 q0 射流的初始质量流量 实验证明 对于等温自由射流有 式中 d0为喷口直径 比例常数 de 0 25 0 45 与实验 条件有关 如 de 0 32 射流卷吸率为 对于非等温自由射流 0 a 则用当量直径代替喷口直径 得 式中 0 射流出口初始密度 a 周围介质 空气 密度 在燃烧过程中 喷出气体是燃气 故必须有一定量的空气 被卷吸至射流中 方能进行燃烧 可用式 3 3 式 3 4 计算 应有多长的射流长度才能从周围获得所需要的空气量 但是 由于燃气和空气在射流截面上的浓度分布是极不均 匀的 在射流四周空气大量过剩 在射流中心燃气大量过剩 为了充分完成混合过程 以便保证完全燃烧 还需要有一段扩 散过程 因此实际火焰长度 要比理论计算出的长度大得多 例 3 3 1 已知喷嘴直径 d 30mm 燃气低热值 hl 12770kj m3 燃气密度 g 1 25kg m3 燃气向空气中喷燃 试计算其火焰长度 解 根据燃烧计算经验公式 由 hl 12770kj m3可汁算理 论空气量 v0 3 07m3 m3 由式 3 3 求得 所以 s 0 33m 实际火焰长度当然要比计算值大 理论证明 不管喷出速 度如何 紊流射流的火焰长度与喷嘴直径成正比 第二节第二节 平行气流平行气流 在燃烧技术中 射流往往不是喷人静止的介质而是喷入运 动的气流 如燃气喷入低速运动的空气流中 射流喷入到与它同向平行流动的主气流中时 就形成平行 气流 见图 3 3 5 平行气流中的自由射流 与静止气流中的 自由射流相比 增加了一个过渡段 在过渡段等速核心已消失 但轴心速度衰减很慢 变化仍不显著 直至过渡段终了 射流 截面速度分布才稳定下来 其后为射流基本段 此时轴心速度 衰减就较明显 平行气流中的自由射流边界仍然是直线 但基本段的边界 线不同于起始段及过渡段 其极点到射流出口的距离为 x0 在平行气流中 射流的扩散混合 射流的扩展 轴心速度 的衰减 射流核心区的长度等 都与射流和主气流间的速度差 有关 当射流和主气流之间存在着速度差和密度差时 射流与主 气流混合的强度取决于两者动压头的比值 这里 s vs为主气流密度和平均速度 2 v2为射流密度 和平均速度 混合强度也正比于射流本身动压头绝对值的大小 2v22 当 vs很接近 v2时 射流与主气流的混合非常微弱 当 vs v2时 因 速度差引起的分子微团间的湍流扩散就不再进行 射流与主气 流混合过程的动力来源 是射流所具有的初始湍流程度 如射流与主气流之间只存在速度差的情况下 则射流与主 气流的混合强度和射流的特性 就取决于主气流速度 vs与射流 初速 v0之间的速度差 图图 3 3 5 平行气流中的自由射流平行气流中的自由射流 图图 3 3 6 平行气流轴心速度的衰减平行气流轴心速度的衰减 定义主气流速度与射流出口流速之比 为速度比 vs v0 以 来表示气流混合的程度 当速度比 不断增大时 射流与主气流混合强度亦增大 射流的扩展率以及速度和浓度 的衰减率也不断增大 而射流核心区长度则逐渐减小 反之则 反 当两者速度差等于零 即 vs v0 1 时 混合最弱 射流 核心区则贯穿了整个流场 根据实验 射流轴心速度 vm 随速度比 变化的规律如图 3 3 6 所示 其表明 当 0 或 2 13 时 轴心速度衰减最 快 混合强烈 当 接近 1 或 l 时 则射流核心区最小 速度 衰减最慢 射流核心长度最长 第三节第三节 相交气流相交气流 当射流以一定的角度与运动着的主气流相交时 形成相交 气流 如别流与主气流相交的角度为如 90 时 就称之为横向射 流 横向射流常用于燃气工业炉的锅炉中 又如强化扰动和燃 烧的炉内二次空气 也是采用横向则流 图 3 3 7 为一圆孔 射流横穿主气流时的相交气流 设燃烧室壁上有直径为 d 的圆形喷孔 喷孔中心线与壁面 交叉角为 90 射流 一般为燃气 或者二次空气 的初始速度 v2 密度 2 体积流量 qv 在燃烧室中有速度 v1的主气流沿 x 方向流动 图图 3 3 7 圆孔射流横穿主气流时的射流图形圆孔射流横穿主气流时的射流图形 横穿主气流的射流 在迎风面上受到主气流动压 1 2 1v21 的冲击 背风面则受到尾流中降压漩涡的卷刷 射流喷入燃烧 室后 其前冲速度本来已经降低 再加上侧面受到主流的冲刷 剪切 因而发生变形 结果 射流逐渐向主流下游弯曲 射流 剖面被挤扁卷曲变成肾形 见图 3 3 7 中 a a 剖面 肾形凹 面后出现一对反转漩涡 顺流发展扩大 到下游很远才衰变散 裂 弯曲变形射流与主流之间因紊流涡团的揉搓摩擦作用 射 流出现周向速度分量 增添了侧面切应力 故卷吸掺混作用特 别强烈 自圆孔中心起 弯曲射流大致可分三段 即第 1 段是 射流核 ob 它比自由射流的势能核显著缩短并向下游歪斜 第 段是显著弯曲段 射流剖面迅速变形 第 段是漩涡扩展段 射流转到主流方向 为了计算相交气流混合过程的各参数 必须确定混合过程 与喷嘴结构系数 孔口形状 孔口尺寸等 及流体动力参数间的关 系 流体动力参数 q21 等于射流在孔口处的动压与主气流动 压之比 式中 1 v1 主气流 通常为空气 的密度和速度 2 v2 射流 通常为燃气 的密度和速度 相交气流的混合特征 主要有穿透深度和射流射程 当射 流轴线变得与主气流方向一致时 喷嘴出口平面到射流轴线之 间的法向距离 h 定义为绝对穿透深度 绝对穿透深度 a 与喷 嘴直径 d 之比 定义为相对穿透深度 在射流轴线上定出一点 使该点的轴速度在 x 方向上的分 速度 va为出口速度 v2的 5