《消防燃烧学》第7章射流混合过程课件

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,*,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,*,回顾,第一篇：燃料,介绍了燃料的基本性质、分类，以及成分表示方法，不同的成分表示方法的换算,第二篇：燃烧计算,燃料燃烧时的空气需要量，产物生成量的计算方法（化学反应方程式的质量比、系数比）,燃烧温度，发热温度的近似求解过程（内插值近似法）,气体分析方程、空气消耗系数和热损失的产物成分计算方法,以燃烧的结果作为研究对象，没有考虑燃烧是如何进行的,1,回顾第一篇：燃料以燃烧的结果作为研究对象，没有考虑燃烧是如何,第三篇 燃烧基本原理,2,第三篇 燃烧基本原理2,第三篇 燃烧基本原理,一、燃烧的定义,工程燃烧学-第七章,燃烧过程：从混合（扩散）到燃烧反应完成的整个过程,所谓燃烧，通常伴有放热、火焰、发光和（或）发烟现象,是可燃物与氧化剂作用发生的氧化反应。,燃烧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、扩散、混合等物理现象，又有氧化还原反应，并放出光和热的化学现象。,燃烧是一种复杂的物理化学过程三传一反：,动量传递（流动）热量传递,质量传递（扩散）化学反应,3,第三篇 燃烧基本原理一、燃烧的定义工程燃烧学-第七,第三篇 燃烧基本原理,工程燃烧学-第七章,混,-表示混合所需要的时间,热,-表示混合后的的可燃物到达开始燃烧反应的温度所需要的时间,化,-表示完成化学反应所需要的时间,燃烧过程的进行主要是受化学动力学影响，还是受扩散因素的影响。,4,第三篇 燃烧基本原理工程燃烧学-第七章混-表,第三篇 燃烧基本原理,（一）基本分类,二、燃烧的分类,工程燃烧学-第七章,（1）,动力燃烧,（动力学因素控制，预混燃烧、爆 炸）：,混,热,+,t,化,（3）,中间燃烧,：介乎两者之间,5,第三篇 燃烧基本原理（一）基本分类二、燃烧的分类工程燃,第三篇 燃烧基本原理,燃烧状态,燃烧分类,与时间的关系,稳态和非稳态,与空间的关系,一维、二维和三维,初始反应物的混合状态,预混燃烧和非预混燃烧,气体流动状态,层流、紊流 和过渡燃烧,按反应物物态,均相和异相燃烧,燃烧波的速度,缓燃（亚音速波）、爆震（超音速波）,按燃料,气体、液体和固体燃料燃烧,工程燃烧学-第七章,（二）其他分类,6,第三篇 燃烧基本原理燃烧状态燃烧分类与时间的关系稳态和非,主要内容,射流混合过程,燃烧反应速度和反应机理,着火过程,燃烧传播过程,异相燃烧,火焰的结构及其稳定,7,主要内容射流混合过程7,第七章 射流混合过程,实际意义,物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用；例如有焰燃烧。,射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：除固体燃料有时以块状进行燃烧外，其它燃料和氧化剂都是以射流形式送入燃烧空间的。,工程燃烧学-第七章,8,第七章 射流混合过程实际意义工程燃烧学-第七章8,第七章 射流混合过程,工程燃烧学-第七章,分类：,根据射流喷嘴：,平面射流,与,圆形射流,根据射流结构：,直流射流,与,旋转射流,平行射流,与,相交射流,环形射流,与,同轴射流,根据射流环境：,自由射流,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：,各种射流的定义，射流的形成条件与一般特征。,9,第七章 射流混合过程工程燃烧学-第七章分类：根据射流,第一节 静止气体中的自由射流,第七章 射流混合过程,工程燃烧学-第七章,第二节 同向平行流中的自由射流,第三节 交叉射流,第四节 环状射流和同心射流,第五节 旋转射流,10,第一节 静止气体中的自由射流第七章 射流混合过程工程燃烧,7.1 静止气体中的自由射流,一、,自由射流的定义,流体由喷嘴流出到一个足够大的空间后，,不再受固体边界限制,而继续扩散的一种流动。其燃烧装置称为大气烧嘴，例如家用煤气灶。,二、,自由射流的特点,射流气体离开喷口以后，因与外围流体之间有速度差，且有粘性，故产生紊流漩涡层，与外围流体进行动量和质量交换，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,自模段（充分发展段）,工程燃烧学-第七章,11,7.1 静止气体中的自由射流一、自由射流的定义工程燃烧学,初始段：,红色部分为势流核心；,核心区内速度、浓度等与出口处相同，长度约4-5,d,0,。,7.1 静止气体中的自由射流,工程燃烧学-第七章,=,1/2,m,y,y,自模段：,轴向流速都呈正态相似分布；,x,/,d,0,8-10,过渡段：,射流截面上轴向速度分布不断变化直至成为正态相似分布,12,初始段：7.1 静止气体中的自由射流工程燃烧学-第七,7.1 静止气体中的自由射流,根据普朗特混合长度理论，自由射流半宽(y)：,轴向u,m,的沿程衰减规律：,轴心C,m,的沿程衰减规律:,自模段特性,工程燃烧学-第七章,u的分布规律：,C的分布规律:,=,1/2,m,y,y,轴向流速和浓度的径向分布都具有相似性：,13,7.1 静止气体中的自由射流 根据普朗特混合长度理论，自由,自由射流对周围气体的卷吸能力可用,卷吸率,表示：,7.1 静止气体中的自由射流,工程燃烧学-第七章,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，与周围介质产生动量交换，带动周围介质运动，使,射流的质量沿流向逐渐增加,，这种现象称为射流的,卷吸,或,引射,。,有射流必有引射,。,其中,m,e,-为卷吸量；,m,x,-,为,x,截面处射流的总质量流量；,m,0,-,为射流的初始质量流量。,14,自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：7.1 静止气,随着与喷口距离x的增加，卷吸率是增大、减小还是保持不变？,15,随着与喷口距离x的增加，卷吸率是增大、减小还是保持不变？15,7.1 静止气体中的自由射流,（1）时,射流流量,：，与实验条件有关。,卷吸率,：,（2）时,Thring提出用,当量直径,d,e,代替喷口直径d,0,，即认为喷出的气体密度为,s,，速度和动量保持恒定（为u,0,和G,0,）,工程燃烧学-第七章,非等温射流卷吸率,：,16,7.1 静止气体中的自由射流 （1）,第一节 静止气体中的自由射流,第七章 射流混合过程,工程燃烧学-第七章,第二节 同向平行流中的自由射流,第三节 交叉射流,第四节 环状射流和同心射流,第五节 旋转射流,17,第一节 静止气体中的自由射流第七章 射流混合过程工程燃烧,7.2 同向平行流中的自由射流,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速度梯度有关。,工程燃烧学-第七章,射流与外流间的速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合减缓，射流张角、速度及浓度沿轴向的变化率随之减小，势核长度越大，当二者相等时，势核贯穿整个流场。,二、单股射流的特点,一、定义,18,7.2 同向平行流中的自由射流 喷入同向平行气流,7.2 同向平行流中的自由射流,Squire和Trouncer从理论上分析了平行流中自由射流的有关特性，提出射流出口附近混合区中轴向速度的分布公式：,其中：r,1,和r,2,混合区的内、外半径，,u,0,和u,s,射流初速度和外围流的速度,工程燃烧学-第七章,三、速度分布,19,7.2 同向平行流中的自由射流 Squire和Tro,根据轴向速度分布式和Alpinieri的实验数据(1)绘出了平行流中射流轴向速度衰减图，图中=u,s,/u,0,由图可看出，当由0或2.13趋向1时，射流核越来越大，轴心速度衰减变慢,射流特性的影响因素,7.2 同向平行流中的自由射流,工程燃烧学-第七章,（1）,流速比,20,根据轴向速度分布式和Alpinieri的实验数据(1)绘,7.2 同向平行流中的自由射流,射流的半速线（表示射流的扩散情况）随流速比的变化情况。从图中可以看出，当1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。标准状况下，H,2、,CO,2,和空气的密度分别为：0.0899g/L、1.79g/L，为1.29g/L。,22,7.2 同向平行流中的自由射流工程燃烧学-第七章轴线,第一节 静止气体中的自由射流,第七章 射流混合过程,工程燃烧学-第七章,第二节 同向平行流中的自由射流,第三节 交叉射流,第四节 环状射流和同心射流,第五节 旋转射流,23,第一节 静止气体中的自由射流第七章 射流混合过程工程燃烧,7.3 交叉射流,一、定义及应用情况,以某一角度与主流相交的射流。,工业燃烧装置中，经常采用交叉射流，以实现以下功能：,强化燃烧或降温,，例如向火焰中喷射二次助燃空气。,二、流场结构,正交射流,喷孔中心线与壁面交叉角为90，主流沿x方向流动。,工程燃烧学-第七章,24,7.3 交叉射流一、定义及应用情况工程燃烧学-第七,7.3 交叉射流,弯曲射流大致可分为三段：为射流核OB，比自由射流显著缩短，且向下游歪斜；为显著弯曲段射流剖面迅速变形；旋涡扩展段，射流转到主流方向。,Os为u,m,联结线，Oc为几何中心线,工程燃烧学-第七章,圆孔射流横穿主流时的弯曲变形,25,7.3 交叉射流弯曲射流大致可分为三段：为射流核OB,7.3 交叉射流,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，弯曲轴线离开喷射口的垂直距离。,相对穿透深度：,绝对穿透深度与喷嘴直径d,0,之比称为相对穿透深度。,穿透深度（y/d）与呈反比，归纳为下列穿透深度的经验公式：,工程燃烧学-第七章,正交射流的穿透深度,26,7.3 交叉射流绝对穿透深度：横穿主流的射流弯曲到和主,7.3 交叉射流,斜交射流,为了助燃或降温，有时需要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90。,弯曲变形规律：,穿透深度随流速比(=u,0,/v,0,)的增大而增大,工程燃烧学-第七章,射流轴线随交角和流速比的变化,27,7.3 交叉射流斜交射流工程燃烧学-第七章射流轴,第一节 静止气体中的自由射流,第七章 射流混合过程,工程燃烧学-第七章,第二节 同向平行流中的自由射流,第三节 交叉射流,第四节 环状射流和同心射流,第五节 旋转射流,28,第一节 静止气体中的自由射流第七章 射流混合过程工程燃烧,7.4 环状射流和同心射流,一、流场结构：,（1）,充分发展区,流动情况与轴对称圆形射流相似；,（2）,但在喷嘴附近,环状射流中心形成低压回流区；在同心射流交界面上，由于中央喷管有一定壁厚，也会形成回流区。,因此，对环状射流和同心射流来说，喷嘴的几何形状，对邻近喷嘴的射流状态有较大影响。回流区一般用于改善火焰的稳定性。,工程燃烧学-第七章,29,7.4 环状射流和同心射流一、流场结构：工程燃烧学-,二、外围环状射流与中心射流的相互影响,7.4 环状射流和同心射流,工程燃烧学-第七章,图为中心射流的势流核心和轴心速度随流速比(=u,a,/u,c,)的变化情况。从图中可以看出，当环状射流的速度很小，例如=0.08时，一直到4d,0,距离内，中心射流的轴心速度都保持常量，也就是说，势核长度约为中心喷嘴直径d,0,的4倍。,随着的增大，势核长度越来越小，中心射流速度衰减变快,。当=2.35时，中心射流很快被环流所吸收。,环状射流对中心射流的影响,30,二、外围环状射流与中心射流的相互影响7.4 环状射流和同心,7.4 环状射流和同心射流,工程燃烧学-第七章,对于外围环状射流来说，用环缝宽度1/2(D,2,-D,1,)作为特性尺寸，环缝出口速度u,a0,作为特性速度时，中心射流对外围射流的影响如图所示。从图中可以看出，,随着中心流速的增大（减小），环形射流势核逐渐减小，速度衰减变快,。直到=0.08时，经过相当距离后（D,2,-D,1,），环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,31,7.4 环状射流和