燃气燃烧的气流混合过程.docx

1、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

2、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

3、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 331 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

4、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 322，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 3-3-13-3-1 等温层流自由射流流场结构示意图等温

5、层流自由射流流场结构示意图图图 3-3-23-3-2 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 333。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

6、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 334 所示。由于紊流扩散与分子扩散之间的相似性，所以紊流自