燃烧学射流混合过程

燃烧学射流混合过程第一页，共六十二页，2022年，8月28日燃料氧化剂浓度温度混合扩散燃烧化学过程物理过程动量传递(流动)质量传递(扩散)热量传递化学反应第二页，共六十二页，2022年，8月28日燃烧空间时间动力燃烧扩散燃烧中间燃烧第三页，共六十二页，2022年，8月28日燃烧层流燃烧紊流燃烧过渡态燃烧气体流动形式燃烧气体燃料液体燃料固体燃料燃料第四页，共六十二页，2022年，8月28日燃烧均相燃烧异相燃烧燃料物质形态燃烧层状燃烧(固定床)固体床层沸腾床燃烧(流化床)粉煤燃烧(气流床)第五页，共六十二页，2022年，8月28日射流混合过程煤气与空气混合程度长度宽度温度分布气流的喷出速度空气与煤气的相对速度气流的交角旋流速度紊流射流自由射流同轴射流交叉射流旋转射流有焰燃烧:煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧第六页，共六十二页，2022年，8月28日射流的初始条件喷口尺寸d0流量m0动量G0温度T0压力p0密度ρ0浓度C0速度u0＋边界条件外围流体流速us压力Ps温度Ts浓度Cs物理参数等压比热cp紊流导热系数紊流粘性系数紊流扩散系数DT射流流场的速度分布、温度分布、浓度分布、卷吸气量比mc/m0、射流扩展率dy/dx，射流张角α或θ第七页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流气流由喷口射入充满静止空气且不受约束空间时的流动速度差、粘性紊流旋涡层紊流旋涡跨流扩散侵蚀主流楔形射流核(势流核心)u0、C0、T0初始段外边界流速为0射流极点扩展角αXp第八页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流射流的射程是射流的重要流动参数，其反映了射流对周围流体的穿透能力，而且还与卷吸周围介质、燃料着火和燃烧密切相关射流射程速度衰减初始段约为喷口直径的4~5倍第九页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流内外边界紊流边界层卷吸作用外围气体跨流扩散与主流混合势流核心缩小消失相似速度分布过渡段剪切层掺混层过渡段的长度约为喷口直径的10倍第十页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流过渡段射流沿程各断面上轴向流速u呈正态分布射流充分发展自模段(充分发展段)第十一页，共六十二页，2022年，8月28日初始段基本段过渡截面核心区外边界极点轴心速度x0h0流量动量压力静止气体中的自由射流截面上轴向速度衰减至射程扩展角αXp第十二页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流射流的扩展角α射流速度变化规律、核心区(势流核心)的形状以及速度分布的规律都是相似的x0射流极点至喷口的距离，mR0喷口半径，ma湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布均匀性有关的经验常数，对于圆形喷口，a＝0.07~0.076，a约为28o，初始段长度约为R0的8.8~9.6倍圆形喷口：第十三页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流射流核心火焰黑根长度xp喷口形状喷口速度分布紊流强度实验决定第十四页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流Prandtl紊流理论：湍流切应力的数值是由流体微团速度脉动引起动量横向转移来直接确定的，又称动量转移理论自由射流半宽y与该截面上的轴向距离x成正比自由射流轴向速度um分布规律自由射流轴向浓度Cm分布规律圆形喷口：自由射流轴向速度的径向分布规律自由射流轴向浓度的径向分布规律第十五页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性。自由射流轴向速度的径向分布规律：自由射流轴向浓度的径向分布规律：Ku=82~92KC=54~57圆形喷口：第十六页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流自由射流轴向速度um分布规律：自由射流轴向浓度Cm分布规律：圆形喷口：第十七页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流该喷口的特征尺寸直径为矩形的短边长度2b0扁矩形喷口：射流的扩展角α较小，各项参数沿轴向变化较慢x0射流极点至喷口的距离，mb0喷口短边长度，mxch初始段长度，ma湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布均匀性有关的经验常数，对于扁矩形喷口，a＝0.1~0.12第十八页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流扁矩形喷口：自由射流轴向速度um分布规律自由射流轴向速度的径向分布规律自由射流轴向浓度的径向分布规律自由射流轴向浓度Cm分布规律第十九页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流扁矩形喷口：自由射流轴向速度um分布规律：自由射流轴向速度的径向分布规律：第二十页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流扁矩形喷口：自由射流轴向浓度的径向分布规律：自由射流轴向浓度Cm分布规律：第二十一页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：me卷吸量mxx截面处射流的总质量流量m0射流的初始质量流量第二十二页，共六十二页，2022年，8月28日静止气体中的自由射流当量直径de从直径d0喷出的密度为ρ0的气体的动量G0和速度u0从当量直径de喷出的密度为ρs的气体的动量Gs和速度usG0=Gsu0=usm0G0非等温过程第二十三页，共六十二页，2022年，8月28日同向平行流中的自由射流射流的扩展单股射流射入与其同向平行流动的主气流中轴线上流体轴向速度的衰减核心区长度射流与周围气流之间的速度梯度第二十四页，共六十二页，2022年，8月28日同向平行流中的自由射流us逐渐变大混合速度减慢u0=us混合速度很慢u0>usu0<us混合速度变快射流与外流间的速度梯度减小，混合减缓，射流张角、速度及浓度沿轴向的变化率随之减小。第二十五页，共六十二页，2022年，8月28日射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：同向平行流中的自由射流r1与r2分别为混合区的内半径与外半径u0射流出口速度us外围流体速度第二十六页，共六十二页，2022年，8月28日同向平行流中的自由射流势核长度xp：射流充分发展区轴心速度uc的衰减规律:表示射流的扩散情况射流张角及射流扩展率随λ的增大而减小第二十七页，共六十二页，2022年，8月28日多股平行射流初始段基本段初始段过渡段过渡段的大小和平行射流组中相邻喷口之间的距离有关当多股平行射流存在时，由于每股射流彼此之间的相互影响，射流之间形成较为强烈的漩涡区，使得多股射流的湍流脉动比自由射流大。所以多股射流与单股射流相比，具有如下的特点：多股平行射流初始段长度比单股射流流程短，约小30%左右；由于边界层的增厚主要与横向脉动速度成正比，所以混合区厚度比单股大多股平行射流基本段中速度场仍服从自由射流的速度分布规律第二十八页，共六十二页，2022年，8月28日交叉射流以某一角度与主流相交的射流为交叉射流射流在主流中的穿透深度射流和主流的混合情况第二十九页，共六十二页，2022年，8月28日交叉射流或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流强化混合在两股交叉射流汇合前存在回流区，其大小和强度由a0和θ0决定交叉射流汇合点xj第三十页，共六十二页，2022年，8月28日交叉射流或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流交叉射流主流方向上速度衰减规律：汇合点之前，射流速度逐渐降低汇合点附近，射流速度有所增大，汇合点位置xj与喷口间距a0和角度θ0有关汇合点后不远处，射流速度开始衰减，其衰减规律类似于自由射流第三十一页，共六十二页，2022年，8月28日u0

θ0Q0

ρ0v0ρ0v0ρ0交叉射流正面受主流动压头的冲击背面受尾流中降压旋涡卷刷Ⅰ射流核OBⅡ显著弯曲段Ⅲ旋涡扩展段射流出现周向速度分量旋涡射流受到侧面切应力作用卷吸掺混强烈射流轴线几何中心线第三十二页，共六十二页，2022年，8月28日交叉射流穿透深度的经验公式：一般来说，要得到二次风与燃烧气流良好的混合，必须保持一定的λ值煤粉炉λ1:6~7第三十三页，共六十二页，2022年，8月28日交叉射流交叉角及流速比的影响：第三十四页，共六十二页，2022年，8月28日环状射流有钝体的直流燃烧器※改善火焰的结构和稳定性低压回流区喷嘴出口8~10d0充分发展区(自模段)，流型类似于自由射流靠近喷嘴出口处射流状态只受喷嘴的几何形状(d/D)的影响回流区大小、回流速度及回流量，影响着火稳定性及气流混合第三十五页，共六十二页，2022年，8月28日同心射流轴向直流燃烧器※改善火焰的结构和稳定性低压回流区喷嘴出口8~10d0充分发展区，流型类似于自由射流靠近喷嘴出口处射流状态受喷嘴的几何形状的影响第三十六页，共六十二页，2022年，8月28日环状射流对中心射流的影响随着的增大，中心射流势核长度越来越小，中心射流速度衰减越来越快第三十七页，共六十二页，2022年，8月28日中心射流对环状射流的影响随着的减小，环状射流势核长度越来越小，环状射流速度衰减越来越快环缝宽度

第三十八页，共六十二页，2022年，8月28日射流长度为炉膛2/3～3/4卷吸量越大，射程越小卷吸量越小，射程越远由实验确定对于难以燃烧的贫煤和无烟煤来说环状射流速率大，中心射流速率小，衰减快，从而在中心射流喷口处形成了一个较大的回流区，使得无烟煤易于达到它的着火温度，从而易于着火对于易于燃烧的烟煤来说中心射流速率大，环状射流速率小，从而在环状射流喷口处形成回流区，促进混合，并降低了中心射流喷口处的温度，防止烧坏喷嘴第三十九页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---简介径向和轴向压力梯度轴向压力梯度增大流体轴向倒流，形成回流区旋转紊流运动自由射流运动尾流第四十页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---简介I区，自由漩涡II区，固体漩涡第四十一页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---特点①旋转射流具有内回流区和外回流区，扩展角比较大，相对直流射流而言，旋转射流卷吸周围介质的能力强，可以依靠自身的回流区保持稳定着火。②旋转射流出口处速度高，由轴向、径向和切向速度组成，气流的早期混合强烈。③切向速度衰减很迅速，气流旋转效应消失较快，因此后期混合较弱。④旋转射流的轴向速度衰减也较快，因此射流射程较短。第四十二页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---自由漩涡位能旋涡：靠流体内部位能变化(静压或水位差)而形成的旋涡自由旋涡：无外加扭矩作用、理想流体、无摩擦损耗、漩涡不同半径上的动量矩守恒第四十三页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---自由漩涡自由旋涡的特点：切线速度v0与半径成反比流线虽然是同心圆，但是各流体微团并没有绕其自身轴线自转运动(不包括涡心)，而是一种无旋圆周运动，即各流体微团的旋度为零。包括涡心，任何半径r圆周上的环量或涡强Γ都相等，所以自由漩涡又叫做等环量或等涡强流场第四十四页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---固体漩涡固体旋涡---强制旋涡r<R1(R1:平衡半径)漩涡中心有个半径为R1的涡核，涡核内的流体绕中心O按固体旋转规律旋转，即这个涡核即为固体漩涡或者强制漩涡第四十五页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---圆周漩涡涡核—强制旋涡流场圆周旋涡－－栾肯涡外围---自由旋涡流场r<R1vθ=rωr≥R1vθr=Kr=R1固体漩涡的外围为自由涡，固体涡核与外围自由涡的整体为圆周漩涡或者栾肯涡第四十六页，共六十二页，2022年，8月28日r<R1vθ=rωr≥R1vθr=Kr=R1旋转射流---圆周漩涡圆周旋涡vθ的分布规律第四十七页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---圆周漩涡r≥R0R0>r≥R1r=R1R1>r≥0r=0圆周旋涡静压分布规律或者或者第四十八页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---旋流强度及旋流数旋流强度火焰长度燃烧强度火焰稳定性旋流数Gθ

旋转射流的角动量(旋转动量矩)R定性尺寸，旋流半径Gx旋转射流的轴向动量p旋转射流某轴向截面处的静压vθ旋转射流的切向分速度vx旋转射流的轴向分速度扩张角、回流区大小※※※旋流强度仅与旋流器结构尺寸有关第四十九页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---旋流射流流场结构旋转射流的流场结构s<0.6弱旋流，由于旋转射流轴向压力梯度不够大，无内部回流区产生，即轴向速度均为正值，轴向速度的径向速度场呈现高斯分布，旋流只是提高射流对周围气体的卷吸能力和加速射流流速的衰减s>0.6强旋流，沿轴线的反向压力梯度增大，导致其不能被轴向流动的流体动能所克服，产生内部回流区，速度场为双峰式分布S＝0.6，为弱旋转射流的临界旋流强度第五十页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---旋流射流流场结构第五十一页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---弱旋流射流流场特点轴线上的轴向速度衰减与旋流强度s有关，s越大，势能核心被破坏得越强烈，射流喷口处速度下降得越快轴线上轴向速度衰减规律：切向速度衰减规律：切向速度最大值的衰减与旋流强度s无关，其衰减常数等于(a/d)2第五十二页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---强旋流射流流场结构第五十三页，共六十二页，2022年，8月28日旋转射流---强旋流射流流场特点强旋转射流轴向、切向、径向上的速度分量的最大值沿射流长度