燃气燃烧的气流混合过程实用版Word文档下载推荐.docx

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　　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ρ0、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3—3—1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α1为射流张角；

AD、ED是射流内部边界，为射流核心的边界；

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（α2）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3—2—2，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3-3-1等温层流自由射流流场结构示意图

　　图3-3-2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3—3—3。

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3-3-3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3—3—4所示。

　　由于紊流扩散与分子扩散之间的相似性，所以紊流自由射流和层流自由射流的流场结构图形也十分相似，主要区别仅在于起始段内紊流自由射流截面速度较大，速度分布更趋均匀。

　　在层流自由射流和紊流自由射流中，由于气体分子或分子微团与周围介质间的自由碰撞，造成射流本身的动量损失，但同时也使周围介质获得动量而发生运动。

因此，沿射流轴线方向，整个射流的动量和压力保持不变。

这是自由射流的主要特点。

　　在紊流射流边界层内，可燃混合物在不同位置处的组成比例显然是不同的。

与层流扩散火焰类似，它在着火时，也是在紊流扩散混合区浓度处于化学当量比的表面上形成火焰焰面。

也就是说，紊流射流中燃烧区的位置也是完全由紊流扩散的条件来决定的，燃烧速度则由其扩散混合速度来确定。

　　研究表明，紊流自由射流的起始段长度s0和极点深度h0都与喷嘴出口半径有关：

　　S0=0．67r／a

　　h0=0．29r／a

　　式中a——紊流结构系数，它表示气流紊动和出口速度场的不均匀程度。

　　在Re=20×

103

　　～4×

106

　　的范围内，系数a并不随Re变化，仅随原始速度不均匀程度的加剧而增大。

对完全均匀的速度场（

　　vO——射流出口轴心速度；

　　射流出口截面平均速度），a=0．066；

对自然紊动射流

　　，a=0.08

　　射流轴心速度vm的变化取决于喷嘴尺寸和射流出口速度。

在起始段，轴心速度等于射流出口速度；

其后，轴心速度沿程衰减，如图3—3—4。

　　图3-3-4紊流自由射流

　　根据试验，圆形射流轴心速度的衰减规律如下：

　　式中s——计算截面离喷嘴的距离。

　　圆形射流任一截面上无因次流量（qv表体积流量）与距离的关系为：

　　自由射流中，各截面上的一切特性参数均为该截面上轴心速度的函数，而轴心速度则取决于喷嘴出口截面至该横截面的距离s，因此已知s和v0、r、a即可直接算出各截面上所有的运动参数。

　　自由射流对周围气体的卷吸能力，可以用卷吸率来表示。

卷吸率，即卷吸量与射流初始质量的比值，即：

　　式中qen——卷吸质量流量；

　　　qs——离喷嘴出口s距离截面上射流的总质量流量；

　　q0——射流的初始质量流量。

　　实验证明，对于等温自由射流有，

　　式中d0为喷口直径；

比例常数de=0．25～0．45，与实验条件有关。

如de=0．32．射流卷吸率为，

　　对于非等温自由射流，ρ0≠ρa，则用当量直径代替喷口直径，得：

　　式中ρ0——射流出口初始密度；

　　ρa——周围介质（空气）密度。

　　在燃烧过程中，喷出气体是燃气，故必须有一定量的空气被卷吸至射流中，方能进行燃烧。

可用式（3—3）、式（3—4）计算应有多长的射流长度才能从周围获得所需要的空气量。

　　但是，由于燃气和空气在射流截面上的浓度分布是极不均匀的，在射流四周空气大量过剩，在射流中心燃气大量过剩。

为了充分完成混合过程，以便保证完全燃烧，还需要有一段扩散过程。

因此实际火焰长度，要比理论计算出的长度大得多。

　　[例3—3—1]已知喷嘴直径d=30mm，燃气低热值HL=12770kJ／m3

　　，燃气密度ρg=1.25kg／m3

　　，燃气向空气中喷燃，试计算其火焰长度。

　　解：

根据燃烧计算经验公式，由HL=12770kJ／m3

　　可汁算理论空气量V0=3．07m3

　　／m3

　　。

由式（3—3）求得

　　所以s=0．33m

　　实际火焰长度当然要比计算值大。

理论证明，不管喷出速度如何，紊流射流的火焰长度与喷嘴直径成正比。

　　第二节平行气流

　　在燃烧技术中，射流往往不是喷人静止的介质而是喷入运动的气流，如燃气喷入低速运动的空气流中。

　　射流喷入到与它同向平行流动的主气流中时，就形成平行气流。

见图3—3—5。

平行气流中的自由射流，与静止气流中的自由射流相比，增加了一个过渡段。

在过渡段等速核心已消失，但轴心速度衰减很慢，变化仍不显著。

直至过渡段终了，射流截面速度分布才稳定下来。

其后为射流基本段，此时轴心速度衰减就较明显。

　　平行气流中的自由射流边界仍然是直线，但基本段的边界线不同于起始段及过渡段，其极点到射流出口的距离为x0。

　　在平行气流中，射流的扩散混合、射流的扩展、轴心速度的衰减、射流核心区的长度等，都与射流和主气流间的速度差有关。

　　当射流和主气流之间存在着速度差和密度差时，射流与主气流混合的强度取决于两者动压头的比值，

　　这里ρs、vs为主气流密度和平均速度；

ρ2、v2为射流密度和平均速度。

　　混合强度也正比于射流本身动压头绝对值的大小ρ2v²

₂。

当vs很接近v2时，射流与主气流的混合非常微弱；

当vs=v2时，因速度差引起的分子微团间的湍流扩散就不再进行。

射流与主气流混合过程的动力来源，是射流所具有的初始湍流程度。

　　如射流与主气流之间只存在速度差的情况下，则射流与主气流的混合强度和射流的特性，就取决于主气流速度vs与射流初速v0之间的速度差。

图3-3-5平行气流中的自由射流　　图3-3-6平行气流轴心速度的衰减

　　定义主气流速度与射流出口流速之比，为速度比λ=vs／v0，以λ来表示气流混合的程度。

当速度比λ不断增大时，射流与主气流混合强度亦增大，射流的扩展率以及速度和浓度的衰减率也不断增大，而射流核心区长度则逐渐减小；

反之则反。

当两者速度差等于零，即vs=v0、λ=1时，混合最弱，射流核心区则贯穿了整个流场。

　　根据实验，射流轴心速度vm随速度比λ变化的规律如图3—3—6所示。

其表明，当λ=0或λ=2．13时，轴心速度衰减最快，混合强烈；

当λ接近1或λ=l时，则射流核心区最小，速度衰减最慢，射流核心长度最长。

　　第三节相交气流

　　当射流以一定的角度与运动着的主气流相交时，形成相交气流。

如别流与主气流相交的角度为如90°

时，就称之为横向射流。

横向射流常用于燃气工业炉的锅炉中。

又如强化扰动和燃烧的炉内二次空气，也是采用横向则流。

图3—3—7为一圆孔射流横穿主气流时的相交气流。

　　设燃烧室壁上有直径为d的圆形喷孔，喷孔中心线与壁面交叉角为90°

，射流（一般为燃气，或者二次空气）的初始速度v2、密度ρ2、体积流量qv，在燃烧室中有速度v1的主气流沿x方向流动。

　　图3-3-7圆孔射流横穿主气流时的射流图形

　　横穿主气流的射流，在迎风面上受到主气流动压（1／2）ρ1v²

₁的冲击，背风面则受到尾流中降压漩涡的卷刷。

射流喷入燃烧室后，其前冲速度本来已经降低，再加上侧面受到主流的冲刷剪切，因而发生变形。

结果，射流逐渐向主流下游弯曲，射流剖面被挤扁卷曲变成肾形（见图3—3—7中A—A剖面），肾形凹面后出现一对反转漩涡，顺流发展扩大，到下游很远才衰变散裂。

　　弯曲变形射流与主流之间因紊流涡团的揉搓摩擦作用，射流出现周向速度分量，增添了侧面切应力，故卷吸掺混作用特别强烈。

自圆孔中心起，弯曲射流大致可分三段，即第1段是射流核OB，它比自由射流的势能核显著缩短并向下游歪斜；

第Ⅱ段是显著弯曲段，射流剖面迅速变形；

第Ⅲ段是漩涡扩展段，射流转到主流方向。

　　为了计算相交气流混合过程的各参数，必须确定混合过程与喷嘴结构系数（孔口形状、孔口尺寸等）及流体动力参数间的关系。

　　流体动力参数q21，等于射流在孔口处的动压与主气流动压之比：

　　式中ρ1、v1——主气流（通常为空气）的密度和速度；

　　ρ2、v2——射流（通常为燃气）的密度和速度。

　　相交气流的混合特征，主要有穿透深度和射流射程。

当射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离h，定义为绝对穿透深度；

绝对穿透深度A与喷嘴直径d之比，定义为相对穿透深度。

　　在射流轴线上定出一点，使该点的轴速度在x方向上的分速度va为出口速度v2的5％，以喷嘴平面至该点的相对法向距离x1／d，定义为射流射程D。

　　许多学者，尤其是伊万诺夫等人对相交气流进行了较系统的研究，并得出有实用价值的计算公式。

　　如对于单股圆射流与主气流相交时，相对穿透深度，

式中0．132／a通常可取为2．2。

　　可见，要增大相交气流中的穿透深度，则要提高v2／v1值，也就是提高射流的射入速度v2。

当然气流速度差会影响气流密度差，也会影响穿透深度，故综合影响因素为动力参数q21。

　　此外，旋转射流、交叉射流等在燃烧技术中也有广泛应用。

尤其是旋转气流在提高火焰稳定性和燃烧强度方面所起的作用及效果越来越引起入们的重视。