《熱動(dòng)燃燒學(xué)第6章燃燒與燃燒設(shè)備課件.ppt》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《熱動(dòng)燃燒學(xué)第6章燃燒與燃燒設(shè)備課件.ppt（98頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)趨R文網(wǎng)上搜索。

1、第第6章章 燃燒與燃燒設(shè)備燃燒與燃燒設(shè)備 6.1氣體燃料的燃燒氣體燃料的燃燒 引言引言o擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)擴(kuò)散火焰的特點(diǎn):n燃燒之前燃料和氧化劑是分開(kāi)的n一邊混合、一邊燃燒，燃燒過(guò)程主要受擴(kuò)散過(guò)程控制o工程中的應(yīng)用：n工業(yè)爐窯鍋爐燃?xì)廨啓C(jī)柴油機(jī)本生燈o日常生活中的應(yīng)用：n蠟燭火焰煤爐o研究擴(kuò)散燃燒的目的n提高燃燒設(shè)備的熱強(qiáng)度n擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行的范圍n提高燃燒效率n合理控制燃燒產(chǎn)物的成分o射流擴(kuò)散火焰：n從管口噴出的氣體燃料的火炬火焰燃燒n天然氣管道泄露引起的災(zāi)害性火焰燃燒n開(kāi)口油池表面燃燒n發(fā)動(dòng)機(jī)中的射流燃燒o氣體燃料射流擴(kuò)散燃燒過(guò)程:n氣體燃料與氧化劑的混合n混合物的加熱著火n混合物的燃燒1、射流擴(kuò)

2、散火焰、射流擴(kuò)散火焰o氣體燃料射流擴(kuò)散燃燒的分類(lèi)氣體燃料射流擴(kuò)散燃燒的分類(lèi):o射向空間情況射向空間情況n自由射流火焰 受限射流火焰o噴嘴氣流結(jié)構(gòu)噴嘴氣流結(jié)構(gòu)n直噴射流火焰 旋轉(zhuǎn)射流火焰o噴嘴之間的幾何關(guān)系噴嘴之間的幾何關(guān)系n平行射流火焰 相交射流火焰n環(huán)形射流火焰 同軸射流火焰o按照噴嘴幾何形狀按照噴嘴幾何形狀n平面射流火焰 圓柱射流火焰o按照流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)按照流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)n層流射流火焰 湍流射流火焰o自由射流和自由射流擴(kuò)散燃燒的特征自由射流和自由射流擴(kuò)散燃燒的特征o自由射流（如圖所示）n速度溫度燃料組分氧氣組分質(zhì)量份數(shù)分布曲線(xiàn)o自由射流火焰結(jié)構(gòu)（如圖所示）n任意橫斷面的速度溫度組分分布n擴(kuò)散火

3、焰呈圓錐形n由于DI數(shù)很大，可以把火焰前沿厚度視為0n火焰前沿表面對(duì)燃料和氧化劑都是不可滲透的，在燃料側(cè)不存在氧氣，在氧氣側(cè)不存在燃料uTYFYOXd0uTYFYOXd0自由射流 自由射流擴(kuò)散火焰uTYFYOXd0uTYFYOXd0o層流擴(kuò)散火焰前沿位置必定在化學(xué)當(dāng)量比處：層流擴(kuò)散火焰前沿位置必定在化學(xué)當(dāng)量比處：o理想情況下，火焰面上不可能有過(guò)?？諝?，也不可能有過(guò)剩燃料，否則火焰前沿位置將不可能穩(wěn)定n假定在火焰前沿有過(guò)剩燃料：o過(guò)剩燃料將擴(kuò)散到火焰前沿外側(cè)，遇到氧化劑將繼續(xù)燃燒，消耗掉擴(kuò)散進(jìn)來(lái)的氧化劑，使火焰前沿面的氧化劑減少o火焰前沿面上的燃料則更加過(guò)剩，火焰前沿位置勢(shì)必不可能穩(wěn)定，而要向外

4、移動(dòng)n假定在火焰前沿處有過(guò)?？諝猓簅火焰前沿則要向內(nèi)移動(dòng)o層流射流擴(kuò)散火焰只有在燃料和氧化劑組成化學(xué)當(dāng)量比的位置上才能穩(wěn)定o層流射流擴(kuò)散火焰任意橫斷面的火焰結(jié)構(gòu)層流射流擴(kuò)散火焰任意橫斷面的火焰結(jié)構(gòu)（即斷面速度濃度溫度分布）n射流軸線(xiàn)上燃料濃度最大，沿徑向逐漸下降，至火焰前沿面處燃料濃度為0n環(huán)境處氧化劑濃度最大沿著軸向逐漸下降，至火焰前沿處氧化劑濃度為0n火焰前沿是反應(yīng)中心，溫度最高，為燃料的理論燃燒溫度uTYFYOXd0o實(shí)際射流擴(kuò)散火焰：實(shí)際射流擴(kuò)散火焰：n火焰前沿有一定的厚度，燃料和氧化劑的反應(yīng)速度不是無(wú)限快n在火焰前沿內(nèi)，燃料和氧化劑濃度分布曲線(xiàn)呈交叉狀n反應(yīng)在有限空間內(nèi)發(fā)生，有散熱，

5、燃燒達(dá)到的最高溫度低于理論燃燒溫度n火焰前沿靠近燃料一側(cè)，燃料濃度比氧化劑濃度大很多，在高溫缺氧條件下將產(chǎn)生熱分解，生成固體碳，在火焰前沿內(nèi)固體碳呈明亮的淡黃色火焰，有較高的輻射強(qiáng)度o火焰類(lèi)型隨氣流速度的變化：火焰類(lèi)型隨氣流速度的變化：n隨噴嘴流速的增加，層流射流擴(kuò)散火焰過(guò)渡到湍流射流擴(kuò)散隨噴嘴流速的增加，層流射流擴(kuò)散火焰過(guò)渡到湍流射流擴(kuò)散火焰火焰(下頁(yè)圖下頁(yè)圖)o射流速度比較低,火焰保持層流狀態(tài),火焰前沿光滑穩(wěn)定明亮,隨射流速度增加,火焰高度增加,直到最大值,此時(shí)火焰仍然保持層流o如果再增大射流速度，火焰頂部開(kāi)始出現(xiàn)顫動(dòng)皺折破裂o由于湍流影響,湍流擴(kuò)散混合加快,燃燒速度增加,火焰高度縮短o如

6、果繼續(xù)增加噴射速度,開(kāi)始顫動(dòng)皺折破裂的點(diǎn)向噴口方向移動(dòng),直到破裂點(diǎn)靠近噴口,此時(shí)火焰達(dá)到完全湍流狀態(tài)o在湍流射流擴(kuò)散燃燒的范圍內(nèi),增加射流速度，開(kāi)始破裂的位置不變,火焰高度趨于定值,噪音增加o如果過(guò)分增加射流速度,火焰會(huì)脫離噴口,直至吹熄o層流射流擴(kuò)散火焰層流射流擴(kuò)散火焰:o噴口一定時(shí),增加射流速度,火焰高度幾乎呈線(xiàn)性增加o當(dāng)射流速度一定時(shí),火焰高度隨噴口直徑的增加而增加o層流射流擴(kuò)散火焰高度與燃料的容積流量成正比層流火焰 過(guò)度區(qū) 湍流火焰火焰高度火焰的高度包絡(luò)線(xiàn)分裂長(zhǎng)度射流速度圖4-17 火焰的類(lèi)型隨氣流速度的變化吹升曲線(xiàn)o與與層流相比，湍流射流擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)層流相比，湍流射流擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)

7、:n湍流射流擴(kuò)散火焰前沿為顫動(dòng)的皺折的破裂的o不易測(cè)定火焰高度o目前的數(shù)據(jù)多不準(zhǔn)確n湍流射流擴(kuò)散火焰前沿厚度較寬,并處于激烈脈動(dòng)之中o如果采用時(shí)間平均值繪制某橫斷面的溫度速度濃度分布,圖形與圖2類(lèi)似n湍流射流擴(kuò)散火焰高度與射流速度無(wú)關(guān),僅與噴口直徑成正比o設(shè)計(jì)一個(gè)短的燃燒室,只能減小噴嘴直徑o如熱負(fù)荷很大,為了獲得短的火焰,只能用若干個(gè)小的噴嘴o工業(yè)窯爐,為了沿爐長(zhǎng)方向能均勻傳熱,常要求很長(zhǎng)的火焰,通常由單個(gè)噴嘴送入燃料o一股熱氣體燃料,經(jīng)噴嘴以自由射流形式噴入靜止的冷空氣中o假設(shè):n噴嘴是光滑的 無(wú)摩擦的 不能滲透的 和絕熱的o噴口處：n燃料的初始溫度 速度 和質(zhì)量份數(shù)的時(shí)間平均值分別為：T

8、0 u0 YF,0n因此在x=0 處射流截面上 T0 u0 YF,0為均勻分布o(jì)靜止空間：n氧化劑初溫速度和質(zhì)量份數(shù)的時(shí)間平均值分別為:T u YOX,2、湍流自由射流、湍流自由射流o由于射流摩擦阻力,使周?chē)諝饩砦竭\(yùn)動(dòng)的射流中去n由于沿軸向混合，射流速度逐漸減慢，溫度下降，組分質(zhì)量份數(shù)降低，x=時(shí)，射流的影響消失n射流斷面的最大速度溫度和組分質(zhì)量份數(shù)，出現(xiàn)在r=0的軸線(xiàn)上，分別為：Tm um YF,mo射流分為兩個(gè)區(qū)域：初始段和基本段初始段和基本段o初始段：初始段：n初始段內(nèi)軸向速度溫度和組分質(zhì)量份數(shù)保持初始值n初始段長(zhǎng)度常常是噴口直徑的46倍o基本段：基本段：n基本段的軸向速度、溫度、組

9、分質(zhì)量份數(shù)沿軸向逐漸衰減n射流基本段，速度分布具有相似性n如果用任意軸向速度與距離噴口距離為x處的軸向最大速度之比 u/um 和 r/x 作圖，其曲線(xiàn)重合，且近似正態(tài)分布n濃度與溫度分布也與速度分布類(lèi)似r/xu/umYF/YFm(T T )/(T m T )1.00.50u0初始段基本段d0rxabcdef2babcdefru0o應(yīng)用于：n燃?xì)廨啓C(jī)/沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)/鍋爐/工業(yè)爐的燃燒室o受限射流火焰的分類(lèi)：oa）橫向受限射流火焰橫向受限射流火焰n燃料射流射入的方向和空氣流的方向相互垂直ob）縱向受限射流火焰縱向受限射流火焰n燃料射流射入的方向和空氣流的方向相平行o常見(jiàn)的是縱向受限射流火焰，它有兩

10、種可能的流線(xiàn)型式（下頁(yè)圖）：na）在射流的周?chē)嬖诖罅康目梢跃砦目諝猓淞髟跀U(kuò)展到爐壁之前,卷吸量不受阻礙，此時(shí)流線(xiàn)僅稍有偏斜nb）射流周?chē)諝獗壬淞骺赡芤涞牧可伲灾略谏淞飨掠萎a(chǎn)生回流區(qū)。它對(duì)擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定和燃燒長(zhǎng)度均有影響o由于受限射流混合過(guò)程十分復(fù)雜，所以受限射流火焰存在著一系列還沒(méi)有完全弄清的問(wèn)題3、受限射流擴(kuò)散火焰、受限射流擴(kuò)散火焰o縱向受限射流火焰兩種可能的流線(xiàn)型式：na）在射流的周?chē)嬖诖罅靠梢跃砦目諝?，射流擴(kuò)展到爐壁之前，卷吸量不受阻礙，此時(shí)流線(xiàn)僅稍有偏斜(下圖上半部分)nb）射流周?chē)諝獗壬淞骺赡芤涞牧可?，在射流下游產(chǎn)生回流區(qū)。(下圖下半部分)D0d0 xNxCCPN

11、xo與自由射流相比,旋轉(zhuǎn)射流具有如下基本特征:n在旋轉(zhuǎn)射流中，除了具有自由射流中存在的軸向分速度和徑向分速度外，還有切向分速度切向分速度，而且其徑向分速度在噴嘴出口附近比自由射流的徑向分速度大得多n由于旋轉(zhuǎn)的原因，使得在軸向和徑向都建立了壓力梯度，這兩個(gè)壓力梯度又反過(guò)來(lái)影響流場(chǎng).隨著旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱不同，會(huì)產(chǎn)生不同的流n旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角一般都比自由射流的擴(kuò)展角大，而且它也隨旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)弱而變化4、旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰、旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰o一、旋流強(qiáng)度一、旋流強(qiáng)度o通常用旋流強(qiáng)度(又稱(chēng)旋流數(shù))來(lái)表征流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱的程度，用無(wú)量綱數(shù) s 來(lái)表示。旋流強(qiáng)度定義為切向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩M 和軸向動(dòng)量I與特征尺寸 r0 乘積之比

12、，即：o s=M/(I r0)o其中 切向旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩為：o軸向動(dòng)量I 等于:o式中 nu和w為任意橫斷面的軸向速度和切向速度；np為任意橫斷面的靜壓力；nR為噴嘴出口半徑。(78)(79)(80)o由于精確測(cè)量旋轉(zhuǎn)射流斷面速度和靜壓力有一定的困難，在工程上為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，往往用燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)特征來(lái)表示旋流強(qiáng)度，這樣(79)(80)可以寫(xiě)成下面形式：o其中nV為空氣的容積流量;n和分別為旋流器中平均軸向速度和切向速度;nRs為旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)半徑o工程中根據(jù)不同類(lèi)型旋流器的結(jié)構(gòu)，可以計(jì)算出相應(yīng)的 V Rs值，代入(81)(82)和(78)中，求出不同結(jié)構(gòu)旋流器的旋流強(qiáng)度公式o關(guān)于這些計(jì)算，在各國(guó)之間

13、也有一些差別(81)(82)o根據(jù)旋轉(zhuǎn)射流流場(chǎng)的特征，旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰可以分為兩類(lèi)：n弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰n強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰o使氣流旋轉(zhuǎn)的方法主要有三種：n使氣流(或部分氣流)切向進(jìn)入圓柱形通道n在軸向管流中放置導(dǎo)向葉片n用轉(zhuǎn)動(dòng)葉片葉柵等機(jī)械裝置使氣流旋轉(zhuǎn)切向進(jìn)氣切向進(jìn)氣導(dǎo)向葉片導(dǎo)向葉片機(jī)械裝置機(jī)械裝置o二、弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰二、弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰o當(dāng)旋流強(qiáng)度小于一定值時(shí)，軸向速度到處為正值，不會(huì)出現(xiàn)軸向逆流，即不存在回流區(qū)的旋轉(zhuǎn)射流叫做弱旋轉(zhuǎn)射流不存在回流區(qū)的旋轉(zhuǎn)射流叫做弱旋轉(zhuǎn)射流，在這種條件下產(chǎn)生的火焰稱(chēng)為弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰這種條件下產(chǎn)生的火焰稱(chēng)為弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰o弱旋轉(zhuǎn)射流根據(jù)軸向速度

14、分布有兩種形式：o一種是旋流強(qiáng)度很小一種是旋流強(qiáng)度很小，軸向速度分布與自由射流相仿，呈高斯型，并具有相似性oChigier 和Chervinsky 用切向進(jìn)氣旋流器做的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)：ns值小于0.416時(shí)，速度分布呈高斯型n在x/d0=2時(shí)，速度分布就出現(xiàn)相似性，比自由射流更靠近噴口o原因是旋轉(zhuǎn)射流的勢(shì)核區(qū)(初始段)破壞的更快o旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度分布可用指數(shù)方程表示：nKu為隨旋流強(qiáng)度s而變的分布常數(shù)n由經(jīng)驗(yàn)公式Ku=92/(1+6s)確定na為射流原點(diǎn)跟噴口的距離ao另一種是當(dāng)旋流強(qiáng)度增加到某一值時(shí)另一種是當(dāng)旋流強(qiáng)度增加到某一值時(shí)，軸向速度最大值離開(kāi)射流軸線(xiàn)，而形成雙峰形速度分布o(jì)如果再增加旋流

15、強(qiáng)度，就會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生回流o在速度最大值離開(kāi)射流曲線(xiàn)到重新收斂于軸線(xiàn)為止的這一段徑向距離內(nèi)，軸向速度分布沒(méi)有相似性o如圖所示，當(dāng)s0.5，達(dá)到0.6時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)雙峰，破壞了相似性，但軸向速度始終為正值o當(dāng)x/d0 4時(shí)，其軸線(xiàn)上的軸線(xiàn)上的最大速度沿軸線(xiàn)按照雙曲線(xiàn)規(guī)律衰減：o卷吸量由下式確定:o射流擴(kuò)展角 由 u=um/2的等速線(xiàn)確定，并隨旋流強(qiáng)度而增加o對(duì)弱旋轉(zhuǎn)射流，有：=4.8+14so在 x/d0 2時(shí)，弱旋轉(zhuǎn)射流的切向速度分布是相似的o其分布圖的中央核心區(qū)一部分幾乎是線(xiàn)性的，相當(dāng)于固體旋轉(zhuǎn)，即相當(dāng)于具有角速度 的強(qiáng)迫流動(dòng)o因此旋轉(zhuǎn)射流斷面的切向速度分布可以用下式表示：o rn=常數(shù)o式中n值在

16、-11之間o通過(guò)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究證明：對(duì)弱旋轉(zhuǎn)射流來(lái)說(shuō)，其軸向速度的衰減隨旋流強(qiáng)度的增加而加快o但切向速度的衰減與旋流強(qiáng)度沒(méi)有顯著關(guān)系(87)(86)Chigier 和Chervinsky 用切向進(jìn)氣旋流器所做的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)u/ums=0.234s=0.416s=0.500s=0.640o弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰幾乎在整個(gè)火焰長(zhǎng)度上，均有比較冷的核心區(qū)存在，而反應(yīng)區(qū)處于冷核心區(qū)和環(huán)境空氣流之間的某區(qū)域內(nèi)o冷核心區(qū)溫度沿 x方向逐漸升高，這是由于冷核心區(qū)的氣體和反應(yīng)區(qū)的燃燒產(chǎn)物湍流混合的結(jié)果o弱旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰的應(yīng)用范圍并不廣，因?yàn)樗鼪](méi)有穩(wěn)定火焰的特征o三、三、強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰o當(dāng)旋轉(zhuǎn)射流的旋流強(qiáng)度增加時(shí)，沿軸向的反向壓力梯度大到足以發(fā)生反向流動(dòng)，并建立起內(nèi)部回流區(qū)，這時(shí)的旋轉(zhuǎn)射流叫做強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流o所產(chǎn)生的火焰稱(chēng)為強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流擴(kuò)散火焰o這種具有回流區(qū)的旋轉(zhuǎn)射流在穩(wěn)定火焰方面起著重要作用o在燃燒技術(shù)中應(yīng)用很廣o強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流的流線(xiàn)及速度分布如圖所示（下頁(yè)）（下頁(yè)）o由于環(huán)流旋渦的存在，使射流外邊界迅速膨脹o這種最初的膨脹不同于自由射流o(下頁(yè)下頁(yè))圖中流線(xiàn)對(duì)應(yīng)于s=1.57，它有一個(gè)明