消防燃烧学-第7章射流混合过程ppt课件

1、1回想回想p第一篇：燃料p引见了燃料的根本性质、分类，以及成分表示方法，不同的成分表示方法的换算p第二篇：熄灭计算p燃料熄灭时的空气需求量，产物生成量的计算方法化学反响方程式的质量比、系数比p熄灭温度，发热温度的近似求解过程内插值近似法p气体分析方程、空气耗费系数和热损失的产物成分计算方法以熄灭的结果作为研讨对象，没有思索熄灭是如何进展的2第三篇第三篇 熄灭根本原理熄灭根本原理3第三篇第三篇 熄灭根本原理熄灭根本原理一、熄灭的定义一、熄灭的定义 -第七章第七章熄灭过程：从混合分散到熄灭反响完成的整个过程熄灭过程：从混合分散到熄灭反响完成的整个过程 所谓熄灭，通常伴有放热、火焰、发光和或发烟景象

2、所谓熄灭，通常伴有放热、火焰、发光和或发烟景象, ,是可燃物与氧化剂作用发生的氧化反响。是可燃物与氧化剂作用发生的氧化反响。熄灭过程是一种复杂的物理过程和化学过程的综合，它既有熄灭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、分散、混合等物理景象，又有氧化复原反响，并放出流动、分散、混合等物理景象，又有氧化复原反响，并放出光和热的化学景象。光和热的化学景象。熄灭是一种复杂的物理化学过程熄灭是一种复杂的物理化学过程三传一反：三传一反： 动量传送流动动量传送流动 热量传送热量传送 质量传送分散质量传送分散 化学反响化学反响4第三篇第三篇 熄灭根本原理熄灭根本原理 -第七章第七章混混-表示混

3、合所需求的时间表示混合所需求的时间热热-表示混合后的的可燃物到达开场熄灭反响的温度所表示混合后的的可燃物到达开场熄灭反响的温度所需求的时间需求的时间化化-表示完成化学反响所需求的时间表示完成化学反响所需求的时间混热化熄灭过程的进展主要是受化学动力学影响，还是受分散要熄灭过程的进展主要是受化学动力学影响，还是受分散要素的影响。素的影响。5第三篇第三篇 熄灭根本原理熄灭根本原理一一根本分类根本分类二、熄灭的分类二、熄灭的分类 -第七章第七章 1动力熄灭动力熄灭动力学要素控制，预混熄灭、爆动力学要素控制，预混熄灭、爆 炸炸： 混混 热热+t化化 3中间熄灭：介乎两者之间中间熄灭：介乎两者之间6第三篇

4、第三篇 熄灭根本原理熄灭根本原理燃烧状态燃烧状态燃烧分类燃烧分类与时间的关系与时间的关系稳态和非稳态稳态和非稳态与空间的关系与空间的关系一维、二维和三维一维、二维和三维初始反应物的混合状态初始反应物的混合状态预混燃烧和非预混燃烧预混燃烧和非预混燃烧气体流动状态气体流动状态层流、紊流层流、紊流 和过渡燃烧和过渡燃烧按反应物物态按反应物物态均相和异相燃烧均相和异相燃烧燃烧波的速度燃烧波的速度缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）按燃料按燃料气体、液体和固体燃料燃烧气体、液体和固体燃料燃烧 -第七章第七章二二其他分类其他分类7主要内容p射流混合过程p熄灭反响速度和反响机

5、理p着火过程p熄灭传播过程p异相熄灭p火焰的构造及其稳定8第七章第七章 射流混合过程射流混合过程实践意义实践意义 物理要素在整个熄灭过程起着更为重要物理要素在整个熄灭过程起着更为重要的作用；例如有焰熄灭。的作用；例如有焰熄灭。 射流是大多数工程熄灭混合的主要方式：射流是大多数工程熄灭混合的主要方式：除固体燃料有时以块状进展熄灭外，其它除固体燃料有时以块状进展熄灭外，其它燃料和氧化剂都是以射流方式送入熄灭空燃料和氧化剂都是以射流方式送入熄灭空间的。间的。 -第七章第七章9第七章第七章 射流混合过程射流混合过程 -第七章第七章分类：分类：根据射流喷嘴：平面射流与圆形射流根据射流构造：直流射流与旋转

6、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：自在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：主要学习内容： 各种射流的定义，射流的构成条件与普通特各种射流的定义，射流的构成条件与普通特征。征。10第七章第七章 射流混合过程射流混合过程 -第七章第七章117.1 7.1 静止气体中的自在射流静止气体中的自在射流一、自在射流的定义一、自在射流的定义 流体由喷嘴流出到一个足够大的空间后，流体由喷嘴流出到一个足够大的空间后，不再受固体边境限制而继续分散的一种流不再受固体边境限制而继续分散的一种流动。其熄灭安装称为大气烧嘴，例如家用动。其熄灭安装称为大气烧嘴，例如家用煤气灶。煤

7、气灶。二、自在射流的特点二、自在射流的特点 射流气体分开喷口以后，因与外围流体之射流气体分开喷口以后，因与外围流体之间有速度差，且有粘性，故产生紊流漩涡间有速度差，且有粘性，故产生紊流漩涡层，与外围流体进展动量和质量交换，导层，与外围流体进展动量和质量交换，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，过渡段和自模向，可将射流分为初始段，过渡段和自模段段充分开展段充分开展段 -第七章第七章12初始段： 红色部分为势流中心；中心区内速度、浓度等与出口处一样，长度约4-5d0

8、。7.1 7.1 静止气体中的自在射流静止气体中的自在射流 -第七章第七章= 1/2myy 自模段：轴向流速都呈正态类似分布；x/d08-10 过渡段：射流截面上轴向速度分布不断变化直至成为正态类似分布137.1 7.1 静止气体中的自在射流静止气体中的自在射流 根据普朗特混合长度实际，自在射流半宽根据普朗特混合长度实际，自在射流半宽(y)(y)： 轴向轴向umum的沿程衰减规律：的沿程衰减规律： 轴心轴心CmCm的沿程衰减规律的沿程衰减规律: : yconst x00/0.16 (/)1.5muuxd00/0.22 (/)1.5mCCxd2expumuyKux8292uK 2expcmCyK

9、Cx5457cK -第七章第七章u u的分布规律：的分布规律：C C的分布规律的分布规律: := 1/2myy轴向流速和浓度的径向分布都具有类似性：轴向流速和浓度的径向分布都具有类似性：14自在射流对周围气体的卷吸才干可用卷吸率表示：自在射流对周围气体的卷吸才干可用卷吸率表示：000exmmmmm7.1 7.1 静止气体中的自在射流静止气体中的自在射流 -第七章第七章三、射流的卷吸及卷吸量的计算三、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，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，使射与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使

10、射流的质量沿流向逐渐添加，这种景象称为射流的卷吸流的质量沿流向逐渐添加，这种景象称为射流的卷吸或引射。有射流必有引射。或引射。有射流必有引射。 其中其中me-me-为卷吸量；为卷吸量； mx-mx-为为x x截面处射流的总质量流量；截面处射流的总质量流量； m0-m0-为射流的初始质量流量。为射流的初始质量流量。15 随着与喷口间隔x的添加，卷吸率是增大、减小还是坚持不变？167.1 7.1 静止气体中的自在射流静止气体中的自在射流 0s00 xemxKmd0.250.45eK 001eemxKmd2 时时 Thring提出用当量直径提出用当量直径de替代喷口直径替代喷口直径d0，即以为喷出的

11、气体，即以为喷出的气体密度为密度为s，速度和动量坚持恒定为，速度和动量坚持恒定为u0和和G0 0s00ssuuGG1220200000011()44sssseesmmAAdddd10200()1eesmxKmd -第七章第七章 非等温射流卷吸率：17第七章第七章 射流混合过程射流混合过程 -第七章第七章187.2 7.2 同向平行流中的自在射流同向平行流中的自在射流 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

12、速度梯度有关。流流体和环境流体之间的速度梯度有关。 -第七章第七章 射流与外流间的速射流与外流间的速度梯度越大，混合速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合度就快；相反，混合减缓，射流张角、速减缓，射流张角、速度及浓度沿轴向的变度及浓度沿轴向的变化率随之减小，势核化率随之减小，势核长度越大，当二者相长度越大，当二者相等时，势核贯穿整个等时，势核贯穿整个流场。流场。二、单股射流的特点二、单股射流的特点一、定义一、定义197.2 7.2 同向平行流中的自在射流同向平行流中的自在射流 Squire和和Trouncer从实际上分析了平行流中自在射流从实际上分析了平行流中自在射流的有关特性，提出射流出口附

13、近混合区中轴向速度的分布的有关特性，提出射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：公式：其中：其中：r1r1和和r2r2混合区的内、外半径，混合区的内、外半径， u0 u0和和usus射流初速度和外围流的速度射流初速度和外围流的速度021(1 cos)2suurrurr -第七章第七章三、速度分布三、速度分布20根据轴向速度分布式和根据轴向速度分布式和Alpinieri的实验数据的实验数据(1)绘出了平行流中射流轴向绘出了平行流中射流轴向速度衰减图，图中速度衰减图，图中=us/u0由图可看出，当由图可看出，当由由0或或2.13趋向趋向1时，射流核越来时，射流核越来越大，轴心速度衰减变慢越大，轴心

14、速度衰减变慢射流特性的影响要素射流特性的影响要素7.2 同向平行流中的自在射流同向平行流中的自在射流 -第七章第七章1 1流速比流速比0suu217.2 7.2 同向平行流中的自在射流同向平行流中的自在射流射 流 的 半 速 线射 流 的 半 速 线表示射流的分表示射流的分散情况散情况随流速随流速比的变化情况。比的变化情况。从图中可以看出，从图中可以看出，当当1时，射流时，射流张角和射流扩展张角和射流扩展率随率随增大而减增大而减小。小。 -第七章第七章射流的半速线随流速比的变化射流的半速线随流速比的变化227.2 7.2 同向平行流中的自在射流同向平行流中的自在射流 -第七章第七章轴线浓度衰减

15、轴线浓度衰减图，射流特征图，射流特征量该当是比值量该当是比值sus/0u0的函的函数数2密度密度 0s Alpinieri在研讨在研讨1的情形时，得到一个重要结论：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。规范情况下，著衰减，以致于对速度比的变化不甚敏感。规范情况下，H2、 CO2和空气的密度分别为：和空气的密度分别为：0.0899g/L、1.79g/L，为为1.29g/L。23第

16、七章第七章 射流混合过程射流混合过程 -第七章第七章247.3 7.3 交叉射流交叉射流一、定义及运用情况一、定义及运用情况 以某一角度与主流相交的射流。以某一角度与主流相交的射流。 工业熄灭安装中，经常采用交叉射流，以实现工业熄灭安装中，经常采用交叉射流，以实现以下功能：强化熄灭或降温，例如向火焰中放以下功能：强化熄灭或降温，例如向火焰中放射二次助燃空气。射二次助燃空气。二、流场构造二、流场构造正交射流正交射流 喷孔中心线与壁面交叉角为喷孔中心线与壁面交叉角为90，主流沿，主流沿x方方向流动。向流动。 -第七章第七章257.3 7.3 交叉射流交叉射流弯曲射流大致可弯曲射流大致可分为三段：分

17、为三段：为为射流核射流核OB，比，比自在射流显著缩自在射流显著缩短，且向下游歪短，且向下游歪斜；斜；为显著弯为显著弯曲段射流剖面迅曲段射流剖面迅速变形；速变形；旋涡旋涡扩展段，射流转扩展段，射流转到主流方向。到主流方向。Os为为um结合线，结合线，Oc为几何中心线为几何中心线 -第七章第七章圆孔射流横穿主流时的弯曲变形圆孔射流横穿主流时的弯曲变形267.3 7.3 交叉射流交叉射流绝对穿透深度：横穿主流的射流弯绝对穿透深度：横穿主流的射流弯曲到和主流方向接近平行时，弯曲曲到和主流方向接近平行时，弯曲轴线分开放射口的垂直间隔。轴线分开放射口的垂直间隔。相对穿透深度：绝对穿透深度与喷相对穿透深度：

18、绝对穿透深度与喷嘴直径嘴直径d0d0之比称为相对穿透深度。之比称为相对穿透深度。穿透深度穿透深度y/d与与呈反比，归呈反比，归纳为以下穿透深度的阅历公式：纳为以下穿透深度的阅历公式： -第七章第七章正交射流的穿透深度正交射流的穿透深度277.3 7.3 交叉射流交叉射流斜交射流斜交射流 为了助燃或降温，有时需求二次空气斜穿过主流，为了助燃或降温，有时需求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即喷孔中心线与壁面交叉角大于或小于9090。 弯曲变形规律：弯曲变形规律： 穿透深度随流速比穿透深度随流速比(=u0/v0)(=u0/v0)的增大而增大的增大而增大 -第七章第七章射流轴线随

19、交角和流速比的变化射流轴线随交角和流速比的变化28第七章第七章 射流混合过程射流混合过程 -第七章第七章297.4 7.4 环状射流和同心射流环状射流和同心射流一、流场构造：一、流场构造：1 1充分开展区充分开展区流动情况与轴对称圆形射流流动情况与轴对称圆形射流类似；类似；2 2但在喷嘴附近但在喷嘴附近 环状射流中心构成低压回环状射流中心构成低压回流区；在同心射流交界面流区；在同心射流交界面上，由于中央喷管有一定上，由于中央喷管有一定壁厚，也会构成回流区。壁厚，也会构成回流区。 因此，对环状射流和因此，对环状射流和同心射流来说，喷嘴的几同心射流来说，喷嘴的几何外形，对临近喷嘴的射何外形，对临近

20、喷嘴的射流形状有较大影响。回流流形状有较大影响。回流区普通用于改善火焰的稳区普通用于改善火焰的稳定性。定性。 -第七章第七章30二、外围环状射流与中心射流的相互影响二、外围环状射流与中心射流的相互影响7.4 7.4 环状射流和同心射流环状射流和同心射流 -第七章第七章 图为中心射流的势流中心图为中心射流的势流中心和轴心速度随流速比和轴心速度随流速比(=ua/uc)的变化情况。从图中可以看出，的变化情况。从图中可以看出，当环状射流的速度很小，例如当环状射流的速度很小，例如=0.08时，不断到时，不断到4d0间隔内，间隔内，中心射流的轴心速度都坚持常中心射流的轴心速度都坚持常量，也就是说，势核长度

21、约为量，也就是说，势核长度约为中心喷嘴直径中心喷嘴直径d0的的4倍。随着倍。随着的增大，势核长度越来越小，的增大，势核长度越来越小，中心射流速度衰减变快。当中心射流速度衰减变快。当=2.35时，中心射流很快被环时，中心射流很快被环流所吸收。流所吸收。环状射流对中心射流的影响环状射流对中心射流的影响317.4 7.4 环状射流和同心射流环状射流和同心射流 -第七章第七章对于外围环状射流来说，用对于外围环状射流来说，用环缝宽度环缝宽度1/2(D2-D1)作为特作为特性尺寸，环缝出口速度性尺寸，环缝出口速度ua0作作为特性速度时，中心射流对为特性速度时，中心射流对外围射流的影响如下图。从外围射流的影

22、响如下图。从图中可以看出，随着中心流图中可以看出，随着中心流速的增大速的增大减小减小，环形射，环形射流势核逐渐减小，速度衰减流势核逐渐减小，速度衰减变快。直到变快。直到=0.08时，经过时，经过相当间隔后相当间隔后D2-D1，环，环形射流被中心射流完全吸收。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中心射流对外围环形射流的影响32第七章第七章 射流混合过程射流混合过程 -第七章第七章337.5 7.5 旋转射流旋转射流一、定义一、定义 射流在分开喷嘴前先强迫流射流在分开喷嘴前先强迫流体作旋转运动，它从喷嘴喷出后体作旋转运动，它从喷嘴喷出后便会一边旋转一边向前运动，这便会一边旋转一边

23、向前运动，这就是旋转射流，简称旋流。就是旋转射流，简称旋流。 -第七章第七章1 1存在轴向分速度存在轴向分速度vx vx 、径向分速度、径向分速度 vrvr和切向分速度和切向分速度v v二、特点二、特点2 2旋转剧烈到一定程度时，喷嘴附近旋转剧烈到一定程度时，喷嘴附近可构成回流区可构成回流区347.5 7.5 旋转射流旋转射流 -第七章第七章 实线实线 vx 虚线虚线 v在轴心处在轴心处vx0vx0，回流区边境上，回流区边境上vx = 0vx = 0，回流区边境，回流区边境(vx = (vx = 0)0)与射流边境之间与射流边境之间vxvx有一最大值有一最大值vmaxvmax，x x，vmax

24、vmax，vxvx分布趋于平坦均匀，回流区变小直到消逝。分布趋于平坦均匀，回流区变小直到消逝。357.5 7.5 旋转射流旋转射流 -第七章第七章 3 3速度沿程衰减快；速度沿程衰减快； 当当x/d5以后，以后，v、vr 根本上消逝，只需根本上消逝，只需vx存在。存在。旋转射流沿程无因次速度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 7.5 旋转射流旋转射流 -第七章第七章 射流轴线上的静压力低于大气射流轴线上的静压力低于大气压力压力( (负压负压) )，阐明旋转射流中心，阐明旋转射流中心有很强的卷吸作用，有很强的卷吸作用，x x，静压力，静压力大气压力，卷吸作用大气压力

25、，卷吸作用。377.5 7.5 旋转射流旋转射流 熄灭技术中，旋转射流是熄灭技术中，旋转射流是强化熄灭和组织火焰的一个有强化熄灭和组织火焰的一个有效措施，它能有效地提高火焰效措施，它能有效地提高火焰稳定性和熄灭强度。稳定性和熄灭强度。 -第七章第七章38四、旋流的几个相关概念四、旋流的几个相关概念自在旋涡：靠流体内部的位能变化静压自在旋涡：靠流体内部的位能变化静压或水位差而运动，所以叫或水位差而运动，所以叫“位流旋涡。位流旋涡。这种旋涡的盘旋运动并非由外加扭矩所引这种旋涡的盘旋运动并非由外加扭矩所引起，假设忽略摩擦损耗，那么不同半径上起，假设忽略摩擦损耗，那么不同半径上流体微团的动量矩该当守恒

26、，故又叫流体微团的动量矩该当守恒，故又叫“自在自在旋涡。旋涡。 7.5 7.5 旋转射流旋转射流 -第七章第七章特点：特点：1 1切线速度切线速度v0v0与半径成反比，即越接近涡与半径成反比，即越接近涡心，切线速度越快；心，切线速度越快；2 2自在旋涡是一种自在旋涡是一种“无旋圆周运动。无旋圆周运动。397.5 7.5 旋转射流旋转射流固体旋涡：流体绕中心按固体旋转规律旋固体旋涡：流体绕中心按固体旋转规律旋转的旋涡，又叫强迫旋涡。表达式为：转的旋涡，又叫强迫旋涡。表达式为：旋风或旋流是由外旋风或旋流是由外围的自在旋涡和涡围的自在旋涡和涡核的强迫旋涡组成，核的强迫旋涡组成，二者整体叫做圆周二者整

27、体叫做圆周旋涡旋涡rwv -第七章第七章407.5 7.5 旋转射流旋转射流旋流强度、旋流数旋流强度、旋流数 旋转射流的规模和强度在控制火焰旋转射流的规模和强度在控制火焰长度、提高熄灭强度及改善火焰稳定性方面长度、提高熄灭强度及改善火焰稳定性方面起着重要的作用。起着重要的作用。 在旋转自在射流中，由于外力矩等在旋转自在射流中，由于外力矩等于零，轴向动量于零，轴向动量GxGx及角动量及角动量GG都坚持守恒。都坚持守恒。即即constrdrprdrvvGRRxxx0022constrdrvrvGRx02 -第七章第七章417.5 7.5 旋转射流旋转射流1 1旋流数旋流数 轴向动量轴向动量GxGx

28、及角动量及角动量GG都是旋转射流的动力特性参都是旋转射流的动力特性参数，由它们组成的无量纲数数，由它们组成的无量纲数s s来反响旋转射流的旋转强来反响旋转射流的旋转强度，叫做旋流数。度，叫做旋流数。S S的表达式为：的表达式为：0200222RxRRxxv rvrdrGsGRvrdrprdr R 意义：旋流数意义：旋流数S S，不仅可以用来反映射流的旋转强度，不仅可以用来反映射流的旋转强度，而且，对于几何类似的旋流安装来说，它也是一个非而且，对于几何类似的旋流安装来说，它也是一个非常适用的表示射流动力类似的类似准数。常适用的表示射流动力类似的类似准数。 -第七章第七章427.5 7.5 旋转射

29、流旋转射流旋流数的计算旋流数的计算 计算旋流数时，需求知道旋转射流中切向速度计算旋流数时，需求知道旋转射流中切向速度vv、轴向速度、轴向速度vxvx及静压及静压p p沿半径沿半径r r的分布规律，这对的分布规律，这对计算人员来说往往有一定困难，为了防止静压积分运计算人员来说往往有一定困难，为了防止静压积分运算的困难，将其忽略不计。算的困难，将其忽略不计。00020022RxRxxv rvrdrGsGRvrdr R 旋流数详细的计算方法还应视各种旋流安装的构造旋流数详细的计算方法还应视各种旋流安装的构造特点有所不同。特点有所不同。 -第七章第七章437.5 7.5 旋转射流旋转射流五、旋转射流的流场构造五、旋转射流的流场构造 流场构造的探测方法流场构造的探测方法 利用五孔球形皮托管或激光多普勒风速仪可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以探测旋转射流的速度分量vx、vr、v及静压及静压p沿沿x和和r方向的分布。方向的分布。弱旋流：当弱旋流：当sss. .时，射流中心的轴向反压梯度逐渐时，射流中心的轴向反压梯度逐渐增大，以致抑制该区轴向速度，并出现中部回流区。增大，以致抑制该区轴向速度，并出现中部回流区。 -