第六章气体射流与扩散燃烧

1、第六章 气体射流和扩散燃烧 刘雪玲 天津大学热能工程系 射流概念及分类 射流形式：射流形式： 直流射流直流射流 旋转射流旋转射流 工程中常见的射流形式工程中常见的射流形式 圆孔自由射流圆孔自由射流 环状射流环状射流 同轴射流同轴射流 平行射流平行射流 旋转射流旋转射流 交叉射流交叉射流 逆向射流逆向射流受限射流受限射流 2 射流：射流：气体从喷孔、管嘴或条缝向外喷射形成气流，气体从喷孔、管嘴或条缝向外喷射形成气流， 进入燃烧室。进入燃烧室。 燃烧器分类：燃烧器分类： 预混燃烧器预混燃烧器扩散燃烧器（非预混）扩散燃烧器（非预混）部分预混器部分预混器 射流燃烧（扩散燃烧）射流燃烧（扩散燃烧） 扩散

2、燃烧的特点 燃气 空气 发生在燃气、空气的交界面上 燃料 空气 燃烧室混合 临界着 火浓度 燃烧 火焰形式 射流形式 决定 扩散火焰 比预混火焰更长、更光亮 一次空气系数对射流燃烧的影响 11： 动力火焰动力火焰 011 火焰面外移火焰面外移 1火焰面最稳定火焰面最稳定 (810)d0,无因次参数与x/d0无关 圆形自由射流速度和流量的变化 M-射流的极点射流的极点 X小，截面小，小，截面小，u分布陡峭分布陡峭 X大，截面大，大，截面大，u分布平缓分布平缓 X，u平均值平均值 u/umr/r0.5 u/um x=0.6m x=0.8m x=1.0m x=1.2m x=1.6m 圆形自由射流速度

3、的变化 圆形自由射流无因次速度函数圆形自由射流无因次速度函数 x r f R r f u u m 平面自由射流无因次速度函数平面自由射流无因次速度函数 x y f b y f u u m 圆形和平面自由射流无因次速度圆形和平面自由射流无因次速度 b y or R r u u m 无关 0 d x 圆形自由射流圆形自由射流无因次关系无因次关系 圆形自由射流速度和流量的变化 rxf R r f u u uu uu mm , rxf R r f CC CC m , rxf R r f TT TT m , yxf b y f CC CC m , yxf b y f TT TT m , 平面射流的无因次

4、关系平面射流的无因次关系 圆形射流的守恒方程组及通解（1） 基本守恒方程基本守恒方程 连续方程连续方程 0 r rv x ru 动量守恒方程动量守恒方程 质量组分守恒方程质量组分守恒方程 能量守恒方程能量守恒方程 r u r rr u rv x u ru T )( r C r r DD r C rv x C ru i T ii )( r TT r r aa r TT rv x TT ru T )( )( )()( 圆形射流的守恒方程组及通解（2） 定常自由射流的通用守恒方程：定常自由射流的通用守恒方程： r r rrrX 1 2 2 通用无因次参量通用无因次参量和通用扩散系数和通用扩散系数的含

5、义的含义 u rxf u u uu uu T , 00 在速度场在速度场 在温度场在温度场 在浓度场在浓度场 u aa rxf TT TT T , 0 u DD C CC C C CC CC T OX OXOX OF F , , , ,0 圆形射流的守恒方程组及通解（3） 0 , OXOXF CCCTTu 0 )()( , r CC r C r TT r u OXOXF 在射流轴心线上（在射流轴心线上（r=0, 0 xr=0, 0 x） , , OXmOXOXOXFmFmm CCCCCCTTTTuu 0 )()( , r CC r C r TT r u OXOX F 在喷口的端面上在喷口的端面

6、上( (x=0,0rdx=0,0rd0 0/2)/2) ,00 , OXOXOXOFF CCCCCTTTTuu 在外边界限以外（在外边界限以外（rRrR，0 x0 x） 边界条件和物理条件边界条件和物理条件 圆形射流的守恒方程组及通解（4） 在远离喷口的截面上在远离喷口的截面上 0 , OXOXF CCCTTu 0 )()( , r CC r C r TT r u OXOX F 无因次参数的相似解无因次参数的相似解 rxf C CC C C TT TT u u OX OXOX OF F , , , ,00 边界条件和物理条件边界条件和物理条件 圆形射流的守恒方程组及通解 对湍流圆形自由射流对湍

7、流圆形自由射流 00 1 0 1254. 018165. 011254. 01 d x d r d x 对层流圆形自由射流对层流圆形自由射流 1 000 1 00 Re 8 121 Re 8 1 d x d r d x 无关与Re, 0 d x f 有关与 ， 0 0 0 Re ,Re d x f 圆形射流的守恒方程组及通解 湍流圆形自由射流的速度、温度和浓度分布无因次湍流圆形自由射流的速度、温度和浓度分布无因次 参数参数 OF F C C TT TT u u ,00 r=0 ，轴心线上的关系轴心线上的关系 1 00,00 1254. 01 d x d x f C C TT TT u u OF

8、 Fmmm 衰减分布规律衰减分布规律 u,T,C在喷口处最大在喷口处最大Xu,T,C 00 1 0 1254. 018165. 011254. 01 d x d r d x 圆形射流的守恒方程组及通解 层流圆形自由射流的速度、温度和浓度无因次参数层流圆形自由射流的速度、温度和浓度无因次参数 OF F C C TT TT u u ,00 r=0，轴心线上的关系轴心线上的关系 1 000 0 ,00 Re 8 1,Re d x d x f C C TT TT u u OF Fmmm 1 000 1 00 Re 8 121 Re 8 1 d x d r d x 湍流圆形射流在轴心线上的燃料浓度湍流圆

9、形射流在轴心线上的燃料浓度 CF ,m=f(x/d0) 层流圆形射流在轴心线上的燃料浓度层流圆形射流在轴心线上的燃料浓度 CF ,m=f(x/d0， ，Re0) CFmC化学恰当比 化学恰当比，火焰面 ，火焰面 湍流射流的扩散火焰长度 喷口流出流量：喷口流出流量： drrums 0 2 轴向距离轴向距离s处截面流量：处截面流量： 00 2 00 4 udm 00 32. 0 d s m ms 等温，常密度和湍流条件下等温，常密度和湍流条件下Re02.5104x/d06 整个过程动量守恒整个过程动量守恒uxconstum, . 纯燃料质量纯燃料质量 流量流量mF (m0) S面上净卷吸的面上净卷

10、吸的 质量流量质量流量mA S面上的流体的面上的流体的 质量流量质量流量mS 湍流射流的扩散火焰长度 132. 0 2 1 000 0 0 d S m mm m m m m S F A 当量直径修正当量直径修正 132. 0 00 0 00 d s m mm m m m m sA 等温，常密度和湍流条件下，卷吸质量：等温，常密度和湍流条件下，卷吸质量： 不等温条件下卷吸质量：不等温条件下卷吸质量： 2 1 0 00 dd e 湍流射流的扩散火焰长度 扩散火焰面稳定在扩散火焰面稳定在1的位置，的位置，CFCFmst 令令 0 L m m F A （理论空气量）（理论空气量） 湍流火焰长度湍流火焰

11、长度lT 非等温引射过程非等温引射过程 气体燃料气体燃料 0 0 1VC d l F AT 0 0 1LC d lT 132. 0 00 d s m mA 2 1 0 0 0 1 LC d lT 132. 0 2 1 00 d S m m F A 湍流射流的扩散火焰长度经验公式 谢米金和冈瑟经验公式谢米金和冈瑟经验公式 0 0 111V d l F AT 2 1 0 0 0 16 P T L d l 仅取决于燃料的性质 0 d lT 层流射流的扩散火焰长度经验公式 1 0000 Re 8 1 d x CC CC u u mm 层流自由射流扩散火焰长度层流自由射流扩散火焰长度 0 , 1 1 L

12、C C OF Fm 00 0 0 0 0 Re 8 1 Re 8 1 dLl L d l L L 00 0 Re du 0 2 0, 4 udV OF OFL V L l , 0 2 1 lL=f(L0,d0,Re0) 层流圆形射流：层流圆形射流： lL=f(L0/v,VF,O) 燃料种类确定：燃料种类确定： lL=f(VF,O) 作业2： 圆形喷口向大气喷射出CO气体射流，喷口 直径d0=65mm，喷射速度u0=1.7m/s， CO 动力粘度为1.74810-5kg/(m.s)，密度 ，估算点燃以后喷口轴心线 上火焰长度为多少米。 3 0 /25. 1mkg 00 0 0 0 0 Re 8

13、1 Re 8 1 dLl L d l L L 0 0 111V d l F AT 2 1 0 0 0 16 P T L d l 湍流扩散火焰长度估算的经验公式 5/12 5/2 * )07. 01 ( 5 .13 rf rf F F L 23 * L 时5 rf F 时5 rf F 浮力起主要作用区，无因次火焰长度经验公式： 动量起主要作用区，无因次火焰长度经验公式： 2/1 0 4/1 0 2/3 0 gd T TT fu F f s rf 火焰弗卢得数（Froude Number）：初始射流动量通 量与作用在火焰上的力的比。 扩散火焰长度估算的经验公式 2/1 0 0 * * 0 * d fL L d fL L sfsf 或： 1)/( 1 s s FA f 2/1 0 0 * 0 dd 恰当比： 当量直径： 无因次火焰长度： 例： 已知：丙烷射流火焰的出口直径为d0=6.17mm， 丙烷的质量流量和射流出口丙烷密度为： 环境压力为1atm，温度为300K，密度为 ，燃烧温度 试估算：射流火焰的长度。 3 0 kg/m854. 1kg/s1066. 3q 3 m KTf2267 3 kg/m 1.1614 作业1： 已知：丙烷射流火焰的出口直径为d0=3.085mm， 丙