热动燃烧学燃烧与燃烧设备.ppt

第6章燃烧与燃烧设备6.1气体燃料的燃烧射流扩散火焰：
从管口喷出的气体燃料的火炬火焰燃烧
天然气管道泄露引起的灾害性火焰燃烧
开口油池表面燃烧
发动机中的射流燃烧
气体燃料射流扩散燃烧过程:
气体燃料与氧化剂的混合
混合物的加热\着火
混合物的燃烧气体燃料射流扩散燃烧的分类:
射向空间情况
自由射流火焰\受限射流火焰
喷嘴气流结构
直喷射流火焰\旋转射流火焰
喷嘴之间的几何关系
平行射流火焰\相交射流火焰
环形射流火焰\同轴射流火焰
按照喷嘴几何形状
平面射流火焰\圆柱射流火焰
按照流动状态分类
层流射流火焰\湍流射流火焰自由射流和自由射流扩散燃烧的特征
自由射流（如图所示）
速度\温度\燃料组分\氧气组分质量份数分布曲线
自由射流火焰结构（如图所示）
任意横断面的速度\温度\组分分布
扩散火焰呈圆锥形
由于DI数很大，可以把火焰前沿厚度视为0
火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料自由射流自由射流扩散火焰层流扩散火焰前沿位置必定在化学当量比处：
理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能有过剩燃料，否则火焰前沿位置将不可能稳定
假定在火焰前沿有过剩燃料：
过剩燃料将扩散到火焰前沿外侧，遇到氧化剂将继续燃烧，消耗掉扩散进来的氧化剂，使火焰前沿面的氧化剂减少
火焰前沿面上的燃料则更加过剩，火焰前沿位置势必不可能稳定，而要向外移动
假定在火焰前沿处有过剩空气：
火焰前沿则要向内移动
层流射流扩散火焰只有在燃料和氧化剂组成化学当量比的位置上才能稳定层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即断面速度\浓度\温度分布）
射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火焰前沿面处燃料浓度为0
环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰前沿处氧化剂浓度为0
火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃烧温度
实际射流扩散火焰：
火焰前沿有一定的厚度，燃料和氧化剂的反应速度不是无限快
在火焰前沿内，燃料和氧化剂浓度分布曲线呈交叉状
反应在有限空间内发生，有散热，燃烧达到的最高温度低于理论燃烧温度
火焰前沿靠近燃料一侧，燃料浓度比氧化剂浓度大很多，在高温缺氧条件下将产生热分解，生成固体碳，在火焰前沿内固体碳呈明亮的淡黄色火焰，有较高的辐射强度
火焰类型随气流速度的变化：
随喷嘴流速的增加，层流射流扩散火焰过渡到湍流射流扩散火焰(下页图)
射流速度比较低,火焰保持层流状态,火焰前沿光滑\稳定\明亮,随射流速度增加,火焰高度增加,直到最大值,此时火焰仍然保持层流
如果再增大射流速度，火焰顶部开始出现颤动\皱折\破裂
由于湍流影响,湍流扩散混合加快,燃烧速度增加,火焰高度缩短
如果继续增加喷射速度,开始颤动\皱折\破裂的点向喷口方向移动,直到破裂点靠近喷口,此时火焰达到完全湍流状态
在湍流射流扩散燃烧的范围内,增加射流速度，开始破裂的位置不变,火焰高度趋于定值,噪音增加
如果过分增加射流速度,火焰会脱离喷口,直至吹熄层流射流扩散火焰:
喷口一定时,增加射流速度,火焰高度几乎呈线性增加
当射流速度一定时,火焰高度随喷口直径的增加而增加
层流射流扩散火焰高度与燃料的容积流量成正比与层流相比，湍流射流扩散火焰的特点:
湍流射流扩散火焰前沿为颤动的\皱折的\破裂的
不易测定火焰高度
目前的数据多不准确
湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽,并处于激烈脉动之中
如果采用时间平均值绘制某横断面的温度\速度\浓度分布,图形与图2类似
湍流射流扩散火焰高度与射流速度无关,仅与喷口直径成正比
设计一个短的燃烧室,只能减小喷嘴直径
如热负荷很大,为了获得短的火焰,只能用若干个小的喷嘴
工业窑炉,为了沿炉长方向能均匀传热,常要求很长的火焰,通常由单个喷嘴送入燃料一股热气体燃料,经喷嘴以自由射流形式喷入静止的冷空气中
假设:
喷嘴是光滑的\无摩擦的\不能渗透的\和绝热的
喷口处：
燃料的初始温度\速度\和质量份数的时间平均值分别为：T0\u0\YF,0
因此在x=0处射流截面上T0\u0\YF,0为均匀分布
静止空间：
氧化剂初温\速度\和质量份数的时间平均值分别为:T\u\YOX,射流分为两个区域：初始段和基本段
初始段：

初始段内轴向速度\温度和组分质量份数保持初始值
初始段长度常常是喷口直径的4~6倍
基本段：
基本段的轴向速度、温度、组分质量份数沿轴向逐渐衰减
射流基本段，速度分布具有相似性
如果用任意轴向速度与距离喷口距离为x处的轴向最大速度之比u/um和r/x作图，其曲线重合，且近似正态分布
浓度与温度分布也与速度分布类似r/x应用于：
燃气轮机/冲压式发动机/锅炉/工业炉的燃烧室
受限射流火焰的分类：
a）横向受限射流火焰
燃料射流射入的方向和空气流的方向相互垂直
b）纵向受限射流火焰
燃料射流射入的方向和空气流的方