哈尔滨工业大学燃烧工程的研究所PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,哈尔滨工业大学燃烧工程研究所,燃 烧 学,哈尔滨工业大学,燃烧工程研究所,邱朋华,第4章,燃烧物理学基础,4.1引言,燃烧物理学涉及的内容,输运定律,多组分气体基本参数的定义,射流理论,直流自由射流,旋转射流,气固多相流理论,4.2多组气体基本参量,一、密度,质量密度,如果气体中共有N种组分，每一种组分用来表示，那么P点处组分的质量密度为：,一、密度,组分的质量相对浓度，或称为质量百分比浓度,一、密度,多组分气体中组分的摩尔相对浓度，或者说是摩尔百分比浓度,一、密度,还可以得到,一、密度,如果多组分气体各组的分子量相差不多或者其中一组分的浓度大大大于其他所有组分的浓度,二、扩散定律,假定有一种静止的等温度流体B，从它的一边渗入另一种流体A，而在另一边将流体A渗出。,在B中不同的层上，A的浓度不同。由于浓度差存在，将产生扩散。在单位时间内、单位面积上流体A扩散造成的物质流与在B中流体A的浓度梯度成正比，即：,图 费克扩散定律示意图,二、扩散定律,在考虑两种组分以上的多组分混合物的扩散问题时，常常把考虑的组分当作一种组分，而把组分以外的所有组分作为另一种组分，这样近似地处理为双组分扩散问题，那么扩散方程可以写为：,二、扩散定律,假定把混合物看作理想气体，还可以把扩散方程表示成分压力梯度或质量百分数的形式，即：,二、扩散定律,也可以把扩散方程表示为马克斯韦尔-斯蒂芬（Maxwell-Stefan）的形式,二、扩散定律,在多组分混合物中，通过一个微元表面，各组分扩散的物质流之和为零,二、扩散定律,多组分气体的导热问题不同于单组分气体的导热定律所描述的那样，它除了由于温度梯度所造成的热流之外，还应当有扩散的物质流所携带的焓值。即对普通的傅立叶导热定律应进行修正，而成为修正的傅立叶导热定律,其中：,包括显焓和生成焓（即化学焓）两部分,三、三个重要的无量纲数,普朗特数,斯密特数,刘易斯数,四、扩散方程,组分的守恒关系,由于多组分气体宏观流动从微元体带走的组分的量，加上由于扩散运动组分扩散出去的量，再加上由于化学反应消耗掉的组分的量，应该等于同一时间内，微元体内组分物质质量的减少。,图4-3 微元体各面上应力分析,四、扩散方程,x,方向上由于流动造成的组分从微元体的净流出量,x,方向上由于流动造成的组分从微元体的净流出量,?,为什么是负号？,四、扩散方程,在方向和方向由于流动和扩散而造成的净物质流量,四、扩散方程,在同一时间内，微元体内由于化学反应使得,s,组分的生成或消耗为,w,，,同一时间内微元体内,s,组分的质量随时间的变化,四、扩散方程,四、扩散方程,应用连续性方程,四、扩散方程,对于定常情况,4.4射流特性,一、什么是射流？,燃料燃烧过程中，燃料、氧及燃烧生成物通常以较高的速度进行流动，这些物质存在速度梯度，温度梯度和浓度梯度。于是在流动过程中进行化学反应，同时进行动量交换、能量交换和质量交换,二、射流的定义及分类,高速喷出的流体为射流,在研究燃烧问题时，不可回避射流问题,射流研究建立在流体力学和传热、传质学基础上,射流分类,均匀非均匀 单股多股,单相多相层流湍流,直流旋流等温不等温,自由受限,三、直流自由射流,有关射流定义,自由射流,：射流不受固体壁限制，喷向无限大空间，而且射流与周围介质具有相同的物理属性，又称自由淹没射流,直流射流,：射流不旋转，切向速度为零,等温射流,：射流温度梯度不变化,三、直流自由射流,直流自由射流特性,等温直流自由射流的速度场,初始段,基本段,过渡截面,核心区,外边界,极点,三、直流自由射流,射流不断与周围进行质量、动量和能量交换，射流越来越宽，速度越来越低,射流初始段,：射流轴线速度仍保持初始速度的区段,射流基本段,：射流初始段以后的射流区段，轴线速度随着射流发展逐渐减小,射流过渡截面,：射流初始段和射流基本段的分界面,射流核心区,：射流速度保持初速度的区域，圆锥形,射流外边界,：射流外侧速度为零点的包络线,射流内边界,：速度等于出口速度与速度小于出口速度的射流的分界面,射流边界层,：射流核心区以外，外边界以内的区域,射流极点,：射流外边界延长线的交点,三、直流自由射流,初始段,基本段,过渡截面,核心区,外边界,极点,轴心速度,x,0,h,0,流量,动量,压力,三、直流自由射流,定义轴向速度,u,sx,，径向速度,u,sy,，研究发现,u,sy,u,sx,因此一般只考虑轴向速度，简写为,u,s,基本段不同截面处(即距离为x),沿宽度y的分布具有相似性,x,1,x,2,x,3,u,s,y,u,s,/u,sm,y/y,0.5,三、直流自由射流,经验表明，不同截面的无因次速度在一条直线上，由此可见，在射流基本段上，各截面上速度分布具有相似性，与Re无关，称为自由射流的自模性,经验公式,射流轴线上速度变化,上式中,三、直流自由射流,式中,u,s,某点处射流轴向速度,u,sm,某点对应的轴线处射流轴向速度,u,s,0,射流核心区轴向速度,y,某点距射流轴线距离,y,b,某点所在截面射流边界半径,h,无量纲距离,a,为经验系数,a,=0.070.076，对轴对称湍流射流,a,=0.10.12，对矩形喷口湍流平面射流,三、直流自由射流,射流基本段浓度分布,对圆形射流,某截面上的浓度分布,f,m,射流中心线上的介质浓度,y,b,射流边界半径,f,0,射流介质浓度初始值y射流某点到轴线距离,f,射流无穷远处介质浓度,R,0,喷口半径,f,某截面上某点处介质射流浓度,四、旋转射流,旋转射流有三个方向分速度,轴向速度,切向速度,径向速度（通常较小，可忽略）,切向速度大，在射流中心区形成反流区（逆流区或回流区）称为强旋流,切向速度小，未在中心形成反流区，称为弱旋流,四、旋转射流,旋转射流特点,强旋流的回流区可提供点火热源，实现稳定燃烧,扩散角大，初期混合强烈，射程短，后期混合弱，射流中心有负压区,回流区,轴向速度分布,切向速度分布,一、颗粒的悬浮速度,颗粒的沉降速度和悬浮速度,mg,F,D,F,B,球体的标准阻力系数,图4-27 球体的标准阻力系数,在牛顿阻力范围,二、粒径,粒径表示每个固体颗粒大小的程度，是判断颗粒粗细程度的一个指标。,如果颗粒是球形或接近于球形，那么可以取其直径作为粒径。,若颗粒的大小和形状不同，要对颗粒进行准确测定并将其表示出来几乎不可能的。,粒径的测量方法,直接测定的当量直径（显微镜直径）,间接测定的有效直径（沉降颗粒直径）,形状系数,试验测定形状系数,三、粒度分布,图4-28 粒度分布（频率分布）,图4-30 粒度分布的代表性曲线 L-对数标准分布；,R-罗逊拉姆勒分布；N-标准分布,图4-29 筛上分布与筛下分布,罗逊拉姆勒（Rosin Rammler）分布,b,和,n,是实验常数。其值可对上式取对数后，再由实验得到的筛余分布求出,平均粒径,平均粒径是颗粒群中大小各不相同的粒径的平均值。,平均粒径可定量地表示颗粒群的大小。,应用得最多的是中径和多数径。,