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1、会计学1燃烧学义燃烧学义(xu y)燃烧物理基础燃烧物理基础第一页，共85页。24.1 4.1 传质传质(chun zh)(chun zh)学基础学基础 物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质，也称为质量传递。传质的两种基本(jbn)方式：分子扩散传质和对流传质。第1页/共85页第二页，共85页。3扩散扩散(kusn)的基本定律的基本定律 传质(chun zh)的推动力是组分的浓度梯度。组分i的浓度通常用质量浓度i kg/m3或摩尔浓度Ci kmol/m3来表示。对于混合气体，可见在等温系统中，组分的摩尔浓度与分压成正比。第2页/共85页第三页，共85页。4费克（费克（Fick）第一）第一
2、(dy)定律定律 质量基准 总质量浓度为常数 摩尔基准 总摩尔浓度C为常数 对于(duy)一维扩散 第3页/共85页第四页，共85页。5费克（费克（Fick）第二）第二(d r)定律定律 质量基准 对于一维扩散(kusn)摩尔基准 对于一维扩散(kusn)第4页/共85页第五页，共85页。6质扩散质扩散(kusn)率率 费克中出现的质扩散率费克中出现的质扩散率 D D，表征物质扩散能力的大小，是个物性参数。，表征物质扩散能力的大小，是个物性参数。它的数值取决于扩散时的温度、压力及混合物系统的性质，主要依靠实它的数值取决于扩散时的温度、压力及混合物系统的性质，主要依靠实验来确定。验来确定。一般一
3、般(ybn)(ybn)只用到二元混合物的质扩散率，有半经验的计算公式，在已只用到二元混合物的质扩散率，有半经验的计算公式，在已知知p0,T0p0,T0条件下的条件下的D0D0时，推算时，推算p,Tp,T条件下的条件下的DD第5页/共85页第六页，共85页。7对流传质对流传质(chun zh)及传质及传质(chun zh)系数系数 流体流过壁面或液体界面时，如果主流与界面之间有浓度差，就引起传质。这种传质称之为对流传质。流体与界面间传质通量可如下(rxi)定义 与传热中的牛顿冷却公式形式相同。第6页/共85页第七页，共85页。8浓度浓度(nngd)边界层边界层 在对流传质中，在界面上也象热边界层
4、一样会形成(xngchng)浓度边界层。扩散介质的浓度变化主要发生在浓度边界层之内。第7页/共85页第八页，共85页。9重要重要(zhngyo)的准则数的准则数 普朗特准则(zhnz)数 施密特准则(zhnz)数 对流传热的努谢尔特数 对流传质的舍伍德数第8页/共85页第九页，共85页。10 管内强制对流湍流换热的公式(gngsh)管内强制对流传质的公式(gngsh)第9页/共85页第十页，共85页。114.2 湍流物理模型湍流物理模型(mxng)及计算及计算湍流湍流(tunli)(tunli)的物理本质的物理本质脉动脉动18831883年年，雷雷诺诺（ReynoldsReynolds）首首先
5、先发发现现了了粘粘性性流流体体存存在在着着两两种不同的流动状态种不同的流动状态层流和湍流层流和湍流(tunli)(tunli)当当Re=wd/Re=wd/ReljRelj时时，由由定定常常的的层层流流流流动动非非定定常常的的紊紊流流流动流动湍流湍流(tunli)(tunli)。湍湍流流(tunli)(tunli)的的特特征征：流流体体质质点点的的速速度度w w大大小小、方方向向和和压压力力p p都都随随时时间间 不不断断地地变变化化，有有时时流流体体微微团团还还会会绕绕其其瞬瞬时时轴轴无无规规则则、且且经经常常受受扰扰动动的的有有旋旋运运动动，所所以以在在流流体体中中明明显显出出现现很很多多集
6、集中中的的漩漩涡涡，不不断断地地产产生生消消灭灭再产生再产生再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。实实验验还还发发现现湍湍流流(tunli)(tunli)状状态态下下，速速度度w w、压压力力p p、某某组组分分物物质质的的量量mm及及流流体体的的温温度度T T总总是是在在一一个个平平均均值值上上下下不断的脉动。不断的脉动。第10页/共85页第十一页，共85页。12 是瞬时真实速度是瞬时真实速度w w（或者压力（或者压力p p）对时间）对时间(shjin)(shjin)的积分中值：的积分中值：即即 及及 及及 第11页/共85页第十二页，共85页。13脉动脉动
7、(midng)的特性：的特性：(1)(1)速度脉动速度脉动ww（或（或pp）对时间的平均值（时均值）为）对时间的平均值（时均值）为0 0。即即(2)(2)速度脉动速度脉动ww的时均根值的时均根值 (3)(3)流场中任意一点上的两个不同方向流场中任意一点上的两个不同方向(fngxing)(fngxing)上的速度脉动如上的速度脉动如wxwx、wywy的乘积的时间平均值的乘积的时间平均值 只有当只有当 （非湍流）（非湍流）或或第12页/共85页第十三页，共85页。14 流场中，任意相距流场中，任意相距y y的两点的两点1 1和和2 2上，其相关性用上，其相关性用e12e12表示表示(bi(bi o
8、sh)osh)当当y=0y=0时时 ，；当当yy 时时 令令e12=0e12=0，说明点，说明点1 1与点与点2 2湍流湍流无关。无关。第13页/共85页第十四页，共85页。15速度脉动速度脉动速度脉动速度脉动wxwx决定决定决定决定(judng)(judng)湍流中的湍流中的湍流中的湍流中的“三传三传三传三传”过程过程过程过程 湍流切应力湍流切应力 湍流正应力湍流正应力 动量传递动量传递 湍动度湍动度 湍流热通量湍流热通量 热量传递热量传递 湍流传质通量湍流传质通量 质量传递质量传递其中：其中：w*w*某一特征速度某一特征速度 c c 比热比热 m m流体流体(lit(lit)某一组分某一组
9、分 物质量的物质量的脉动量脉动量另外两个(lin)主要量：湍流动能 湍流耗散第14页/共85页第十五页，共85页。16湍流的数学湍流的数学湍流的数学湍流的数学(shxu)(shxu)描写描写描写描写雷诺方程式雷诺方程式雷诺方程式雷诺方程式粘性不可压缩流体连续性方程和运动微分方程粘性不可压缩流体连续性方程和运动微分方程Navier-StokesNavier-Stokes方程方程按牛顿第二定律按牛顿第二定律(dngl(dngl)：惯性力：惯性力=重力（体积力重力（体积力)+)+压力压力（表面力）（表面力）+粘性力粘性力连续方程：连续方程：运动方程运动方程:X X方向：方向：Y Y方向：方向：Z Z
10、方向：方向：第15页/共85页第十六页，共85页。17时均化处理时均化处理(chl):考虑在湍流状态下，流体(lit)质点的不定常湍动，因此必须对各参数进行时均化处理。按上述方程式从左向右进行时均化。惯性力第16页/共85页第十七页，共85页。18时均化处理时均化处理(chl):第一项第一项 第二项第二项 同理：第三项时均化后：同理：第三项时均化后：第四项时均化后：第四项时均化后：（时均值(jn zh)不随时间变化）第17页/共85页第十八页，共85页。19时均化处理时均化处理(chl):重力(zhngl)项 压力项 粘性力项 第18页/共85页第十九页，共85页。20时均化处理时均化处理(c
11、hl):连续方程连续方程(fngchng)(fngchng)时均化后为：时均化后为：X X方向方向可以(ky)合并由湍流脉动引起的附加应力第19页/共85页第二十页，共85页。21附加附加附加附加(fji)(fji)应力与粘性力合并后得应力与粘性力合并后得应力与粘性力合并后得应力与粘性力合并后得 ：雷诺方程组雷诺方程组雷诺方程组雷诺方程组 连续(linx)方程 X方向 Y方向 Z方向第20页/共85页第二十一页，共85页。22结论结论(jiln):加上连续方程，方程数为3+1=4，而未知数为10个 10个未知数 3个时均速度(sd)1个时均压力 3个湍流正应力 3个湍流切应力 要能求解运动方程
12、(fngchng)及连续方程(fngchng)必须补充六个方程(fngchng)湍流附加应力方程(fngchng)第21页/共85页第二十二页，共85页。23湍流附加应力湍流附加应力(yngl)的假设的假设 普朗特混合长度理论（0方程模型）动量转移(zhuny)理论 等效湍流粘性力假设（0方程模型）第22页/共85页第二十三页，共85页。24普朗特假定普朗特假定(jidng)湍流切应力的大小湍流切应力的大小(dxi(dxi o)o)是由流体微团速度脉动是由流体微团速度脉动wywy引引起的在起的在 l l 范围内横向动量转移来确定的。范围内横向动量转移来确定的。认为：在混合长度范围内认为：在混合
13、长度范围内wxwywzwxwywz是同一个数量级，是同一个数量级，则则第23页/共85页第二十四页，共85页。25普朗特假定普朗特假定(jidng)湍流切应力湍流切应力 混合长度混合长度l l的物理意义为：的物理意义为：因因速速度度脉脉动动，引引起起流流体体任任两两层层之之间间的的纵纵向向速速度度差差ww正正好等于纵向速度脉动好等于纵向速度脉动wxwx时，该距离称混合长度时，该距离称混合长度l l 混混合合长长度度l l需需要要通通过过实实验验测测量量，对对管管内内(u u n n ni)ni)流流动动，在在层流底层，层流底层，l l很小，而在充分湍流的中心区域，很小，而在充分湍流的中心区域，
14、l l很大。很大。第24页/共85页第二十五页，共85页。26归纳归纳(gun)：（1）湍流切应力（2）当的地方，湍流切应力=0（3）除壁面附近的流动外，出现(chxin)湍流切应力最大值的地方，速度梯度也最大。（4）切应力的正负符号与的相同。第25页/共85页第二十六页，共85页。27等效湍流等效湍流(tunli)粘性力假设粘性力假设 Bossinesq假定湍流附加切应力也正比于平均的横向速度梯度，并引进等效湍流粘性系数t和t 与普朗特混合长度理论(lln)比较第26页/共85页第二十七页，共85页。28等效湍流等效湍流(tunli)粘粘性力假设性力假设 把把 代入雷诺方程代入雷诺方程(fn
15、gchng)(fngchng)，其粘，其粘性项是两项之和，即性项是两项之和，即 是流体的物性，一般为常数，虽流体种类和温度T而改变.t 不是流体物性，而是湍流的特性。t=f(Re,x,y,z,粗糙度)一般t通过(tnggu)实验求得。第27页/共85页第二十八页，共85页。29 引入一个实验确定的量l或t，使得方程组变为：连续方程与动量方程，方程数为3+1=4 4个未知量 3个时均速度 1个时均压力 方程组得以封闭(fngb)，可以求解。因为增加了0个方程，所以称为0方程模型。第28页/共85页第二十九页，共85页。30常用常用(chn yn)的两方程模型：的两方程模型：K-模型模型第29页/
16、共85页第三十页，共85页。31 其中，模型(mxng)常数的取值见表 0.091.441.921.01.3第30页/共85页第三十一页，共85页。32其它其它(qt)模型模型 雷诺应力模型 代数应力模型 大涡模型 均需要用数值方法(fngf)进行求解第31页/共85页第三十二页，共85页。334.3“4.3“三传三传三传三传”的比拟的比拟的比拟的比拟(b(b n n)动量热量质量比拟动量热量质量比拟动量热量质量比拟动量热量质量比拟(b(b n n)对照：对照：对照：对照：传热原理动量传递传热量W或J/s传质量mol/s或kg/s傅立叶公式牛顿公式Q=T f源动力速度差温度差浓度差 速度梯度1
17、/s 温度梯度K/mA 传热面积 m2 浓度梯度mol/m4A质量传递的面积m2Q传热量 J/s 放热系数J/m2 sKT温差 Kf 传热面积m2 传质量mol/szl质量交换系数m/sc浓度差mol/m3f 质量交换面积m2第32页/共85页第三十三页，共85页。34分子运动扩散与湍流扩散分子运动扩散与湍流扩散分子运动扩散与湍流扩散分子运动扩散与湍流扩散当当当当ReRelj ReRelj，流体间的相互作用和混合，流体间的相互作用和混合，流体间的相互作用和混合，流体间的相互作用和混合(hnh)(hnh)主要靠主要靠主要靠主要靠分子运动扩散，又称内迁移现象。用运动粘性分子运动扩散，又称内迁移现象
18、。用运动粘性分子运动扩散，又称内迁移现象。用运动粘性分子运动扩散，又称内迁移现象。用运动粘性 ，热扩散率热扩散率热扩散率热扩散率a a（导温系数），质量扩散系数（导温系数），质量扩散系数（导温系数），质量扩散系数（导温系数），质量扩散系数DD来表示，来表示，来表示，来表示，单位都是单位都是单位都是单位都是m2/sm2/s按分子运动论按分子运动论按分子运动论按分子运动论 说明(shumng)分子运动扩散的“三传”引起的速度场、温度场和浓度场分布规律一样第33页/共85页第三十四页，共85页。35 对多原子(yunz)气体：其中，为动力粘性，cv为定容比热，k为绝热指数。代入Pr数中：第34页/共
19、85页第三十五页，共85页。36 当当ReReljReRelj ReRelj：湍流：湍流(tunli)(tunli)运动扩散分子运动扩散，运动扩散分子运动扩散，充分(chngfn)湍流，分子运动扩散可忽略 在湍流情况下，引入湍流t，at，Dt，和Prt，Sct，Let来反映其“三传”。由于湍流的动量(dngling)，热量和质量扩散均源于脉动和漩涡，可近似认为:Dt t at=lw，Prt Sct Let 1第35页/共85页第三十六页，共85页。37实验实验(shyn)发现：发现：（1）与 均小于1，说明：动量交换过程不如热量和质量交换更强烈，温度和浓度混合(hnh)边界层比速度边界层发展得
20、快。（2）由于Let=a/D1，说明：温度和浓度边界层的发展十分相近，可以用传热过程的基本规律近似描写质量交换。，第36页/共85页第三十七页，共85页。38“三传三传”比拟比拟(bn)举例举例 1 1、从、从 处向处向C C球表面球表面(bi(bi omin)omin)扩散扩散O2O2气，质量扩散是一确气，质量扩散是一确定值定值 第一种物理模型：从远方（）通过分子扩散传递 球面上（r0表面上）第二种物理模型：从远方（）对流扩散到球面上（r0表面上）两种方式传递量相等(xingdng)，传质平衡边界条件：当r=时，C=C当r=r0时，C=C0第37页/共85页第三十八页，共85页。39 第一种
21、模型第一种模型 积分积分 同时，根据同时，根据(gnj)(gnj)第二种模型第二种模型 又等于球表面上的对又等于球表面上的对流质量交换量流质量交换量 可见(kjin)说明颗粒越细，表面质量交换（zl）越强烈第38页/共85页第三十九页，共85页。40有相对运动有相对运动有相对运动有相对运动(xin du yn dn)(xin du yn dn)(xin du yn dn)(xin du yn dn)时的情况时的情况时的情况时的情况 动力工程燃烧(rnsho)中，一般煤粉或油雾与空气的相对速度比较小（也就是Re比较小），可以认为第39页/共85页第四十页，共85页。41例例例例2 2：利用：利用
22、：利用：利用(lyng)(lyng)热交换过程比拟性，用热交换过程比拟性，用热交换过程比拟性，用热交换过程比拟性，用温度场模拟浓度场。温度场模拟浓度场。温度场模拟浓度场。温度场模拟浓度场。如如研研究究两两股股射射流流的的混混合合实实验验，通通过过实实验验混合边界层中任一点浓度混合边界层中任一点浓度C C。C1C1和和C2C2是是被被比比拟拟的的实实际际两两股股气气流流的的浓浓度度 T1T1和和T2T2是是被被比比拟拟的的实实际际两两股股气气流流的的温温度度(wnd)(wnd)m1m1和和m2m2是是被被比比拟拟的的实实际际两两股股气气流流的的在在空间中混合后的质量分数空间中混合后的质量分数第4
23、0页/共85页第四十一页，共85页。42在在在在湍湍湍湍流流流流扩扩扩扩散散散散的的的的流流流流场场场场中中中中，温温温温度度度度场场场场和和和和浓浓浓浓度度度度场场场场可可可可以以以以用用用用相相相相同同同同的的的的方方方方程程程程来来来来描描描描述述述述(mio(mio sh)sh)，所所所所以以以以，可以用温度场模拟浓度场。可以用温度场模拟浓度场。可以用温度场模拟浓度场。可以用温度场模拟浓度场。用不同温度T1T2实验，实测混合点xy处的温度Txy（介于(ji y)T1和T2之间，T1Txy T2）分布与浓度Cxy相似第41页/共85页第四十二页，共85页。43实例实例(shl)：T1=6
24、0T1=60，T2=T2=室温室温(sh wn)20(sh wn)20，实测，实测xyxy点的点的Txy=50Txy=50 实际实际C1=3mol/m3C1=3mol/m3，C2=2mol/m3,C2=2mol/m3,那么那么 Cxy=2.75mol/m3 Cxy=2.75mol/m3 求出所有点的温度场分布求出所有点的温度场分布T(x,y)T(x,y)就代表浓度场的分就代表浓度场的分布布C(x,y)C(x,y)。第42页/共85页第四十三页，共85页。444.4自由自由(zyu)射流中的混合与传射流中的混合与传质质自由射流的形式(xngsh)自由射流的形式(xngsh)：自由射流指流体从喷口
25、射入（1）：无限大静止空间（空间流体速度为0）（2）：不在受固体边壁限制，而淹没在周围流体介质中。流体介质与空间介质相同。第43页/共85页第四十四页，共85页。45根据流体力学的实验研究，有两个基本根据流体力学的实验研究，有两个基本特点：特点：自由射流自由射流(shli)(shli)中任意断面的轴向速中任意断面的轴向速度度wxwx横向速度横向速度wywy。射流。射流(shli)(shli)中的速度中的速度ww轴向速度轴向速度wxwx。自由射流自由射流(shli)(shli)内部压力内部压力p=p=周围介质周围介质压力压力p p。第44页/共85页第四十五页，共85页。46射流中心射流中心射流
26、中心射流中心(zhngxn)(zhngxn)动量守恒条件动量守恒条件动量守恒条件动量守恒条件研究射研究射研究射研究射 流混合对传质的影响流混合对传质的影响流混合对传质的影响流混合对传质的影响 自自由由射射流流积积分分（动动量量守守恒恒）条条件件：任任意意断断面面上上动动量量（流流率率）是是一一个个常常数数(chngsh)(chngsh)。其其值值恒恒等等于于主主射射流流喷口断面上以喷口断面上以w1w1计算的初始动量（流率）。计算的初始动量（流率）。第45页/共85页第四十六页，共85页。47推论推论(tuln)推论推论1 1：同样按射流相似性原理可以推出伴随流（包括：同样按射流相似性原理可以推
27、出伴随流（包括(boku)(boku)自由射流）热焓差和浓度差守恒条件。自由射流）热焓差和浓度差守恒条件。即即 其中，i2,c2分别为大空间(kngjin)的热焓和浓度；对圆射流k=1，对平面射流，k=0。推论2：对等温伴随流射流：T1=T2=T，1=2=，上述三守恒条件中等式两端的密度 可以约去。推论3：对等温自由射流：T1=T2=T(1=2=)，w2=0。动量守恒条件第46页/共85页第四十七页，共85页。48推论推论(tuln)推论推论4 4：根据湍流射流的特性，描述：根据湍流射流的特性，描述(mio sh)(mio sh)射流中的动量，热量，射流中的动量，热量，质量交换的普遍二元微分方
28、程和连续方程质量交换的普遍二元微分方程和连续方程 t，at，Dt，湍流运动粘性系数(xsh)，导热系数(xsh)和扩散系数(xsh)第47页/共85页第四十八页，共85页。49 边界条件：当 y=0,w=wzs,i=izs,c=czs(轴线上时)当 y=R(b),w=w2,i=i2,c=c2(外边界时）圆形射流k=1，平面射流k=0，以上(yshng)是数值计算的基础。第48页/共85页第四十九页，共85页。50自由射流中的混合自由射流中的混合(hnh)与传质与传质 大大表明与周围介质表明与周围介质(jizh)(jizh)的湍流混合愈强烈。的湍流混合愈强烈。实验归纳：实验归纳：其中其中 决定于
29、射流喷口截面形决定于射流喷口截面形状的系数状的系数 a a决定于喷口速度均匀决定于喷口速度均匀程度的湍流结构系数程度的湍流结构系数(1)射流(shli)扩展角 2第49页/共85页第五十页，共85页。51实验结果实验结果(ji gu)如下如下 喷口截面形状截面形状系数湍流结构系数a扩展角 2圆截面圆截面（轴对称射流）（长宽比352.4b=2.4ax 收缩很好的喷嘴0.1083210平面壁上的锐缘狭缝0.118第50页/共85页第五十一页，共85页。52(2)(2)射流断面上的速度射流断面上的速度射流断面上的速度射流断面上的速度(sd)(sd)分布分布分布分布相似性相似性相似性相似性 测量出测量
30、出R R和和wzswzs，可求出任意断面，可求出任意断面(dun min)(dun min)上任上任一点一点y y的速度的速度w，y任意断面上任一点的速度和坐标位置(wi zhi)wzs，R任意断面上轴心线上的速度和边界层半宽度第51页/共85页第五十二页，共85页。53(3)(3)射流轴心射流轴心射流轴心射流轴心(zhu xn)(zhu xn)线上参数线上参数线上参数线上参数(wzs)(wzs)变化变化变化变化 根据自由根据自由(zyu)(zyu)空间射流动量守恒空间射流动量守恒 f w2df=w21f1 f w2df=w21f1，可，可以推导出自由以推导出自由(zyu)(zyu)射流与周围
31、介质间湍流混合所引射流与周围介质间湍流混合所引起动量、热量和质量交换沿射流轴心线参数变化的规律起动量、热量和质量交换沿射流轴心线参数变化的规律 在射流断面上在射流断面上 wzs=w1,wzs=w1,R/R0=3.3 R/R0=3.3第52页/共85页第五十三页，共85页。54(4)湍流湍流(tunli)射流的卷吸特性射流的卷吸特性 对不等密度射流 其中：qm为卷吸入射流的流体质量(zhling)，qm1为从喷口喷出的质量(zhling)，为被卷吸流体密度，1为喷出流体密度，d0为喷口当量直径，s为距喷口的距离 对等密度卷吸（=1）qv为卷吸后的体积流量,qv1为初始喷射体积流量第53页/共85
32、页第五十四页，共85页。555 5）不等温轴对称自由射流）不等温轴对称自由射流）不等温轴对称自由射流）不等温轴对称自由射流煤粉炉一次风、二次风向煤粉炉一次风、二次风向煤粉炉一次风、二次风向煤粉炉一次风、二次风向(fngxing)(fngxing)炉内的喷射炉内的喷射炉内的喷射炉内的喷射 按动量按动量(dngling)(dngling)守恒，热守恒，热焓差守恒条件得焓差守恒条件得 ，无量纲速度、温差、浓度差衰减(shui jin)加快，射程第54页/共85页第五十五页，共85页。56主要主要(zhyo)结论：结论：(1)(1)把热射流（把热射流（T1T1）射入冷空间（）射入冷空间（T2T2）中）
33、中即，无量纲轴心速度即，无量纲轴心速度wzswzs衰减快，且随衰减快，且随有有wzswzs 无量纲轴心温差无量纲轴心温差 TzsTzs衰减快，且随衰减快，且随有有 TzsTzs 无量纲轴心浓度差无量纲轴心浓度差 CzsCzs衰减快，混合衰减快，混合(hnh)(hnh)强烈，且随强烈，且随有有 CzsCzs(2)(2)把冷射流（把冷射流（T1T1）射入热空间（）射入热空间（T2T2）中）中即，三个无量纲量即，三个无量纲量wzswzs，TzsTzs，CzsCzs衰减慢，混合衰减慢，混合(hnh)(hnh)慢，射程长。随慢，射程长。随衰减很慢。衰减很慢。如锅炉中的二次风，从燃烧供O2的角度应用高T1
34、（应可能高）的空气，以加强湍流混合和传质（供O2），有利于燃烧从组织炉内气流(qli)流动工况角度，相反，应用低一些的空气（T1），衰减慢，有足够的扰动范围，保证气流(qli)流动。第55页/共85页第五十六页，共85页。57(5)(5)气、固气、固气、固气、固(液液液液)两相射流两相射流两相射流两相射流(shli)(shli)中的混合与传中的混合与传中的混合与传中的混合与传质质质质颗颗粒粒只只有有几几十十微微米米，或或随随风风流流动动，对对射射流流流流场场不不影影响响，可可视视为为自自由由射射流流，因因此此适适用用积积分分守守恒恒条条件件和和射射流流分分布布相相似似性性规规律律，由由于于射射
35、流流中中有有固固（液液）颗颗粒粒，射射流流轴轴心心线线上上速速度度衰衰减减减减慢慢（即即与与周周围围介介质质混混合合传传质质减减慢慢）。一一次次风风中中燃燃料料浓浓度增加，会使得燃尽更加困难，火焰长度变长。度增加，会使得燃尽更加困难，火焰长度变长。某某断断面面轴轴心心线线上上的的燃燃料料浓浓度度Czs=Czs=化化学学当当量量比比下下的的理理论论燃燃烧烧浓浓度度ClrClr时时，燃燃烧烧才才完完全全。此此时时该该断断面面的的距距离离ax/R0ax/R0称称理理论论燃尽火焰长度）燃尽火焰长度）以以质质量量流流量量(liling)(liling)计计算算，任任一一断断面面上上轴轴心心线线上上浓浓度
36、度CzsCzs是是断断面面平平均均浓浓度度的的1.51.5倍倍。所所以以，空空气气和和燃燃料料的的分分布布是是不不匹匹配配的的，要要使使得得射射流流中中各各处处的的燃燃料料都都有有充充足足氧氧气气，必必须须过过量量空气系数大于空气系数大于1 1。第56页/共85页第五十七页，共85页。584.5 旋转射流旋转射流(shli)中的混合与传质中的混合与传质 旋转射流中的混合与传质(chun zh)的特性 旋转射流中的混合与传质(chun zh)形成：一边旋转一边前进（轴向运动）,便形成了旋转射流第57页/共85页第五十八页，共85页。59速度速度(sd)分布：分布：射流断面射流断面(dun min
37、)(dun min)上分成两部分：上分成两部分：射流内部：有旋运动射流内部：有旋运动 r r0 0，w w0 0 r rr1r1，w w w w 1 1外侧部分外侧部分无旋运动无旋运动 r rr1r1，w w w w 1 1 r r，w w0 0第58页/共85页第五十九页，共85页。60横断面上压力横断面上压力(yl)分布分布 先研究外侧部分先研究外侧部分势位流动区势位流动区 按伯努利方程：按伯努利方程：外边壁外边壁 p p 任意点，任意点，,w ,w r=w r=w 1 r0=1 r0=常数常数(chngsh)(chngsh)把任意点的把任意点的 代入上式代入上式 得任意点的压力得任意点的
38、压力 显然边界处显然边界处r=r0 r=r0 结论：交界处的压力结论：交界处的压力pr0pr0比大气低比大气低半径压力切向速度任意点的参数rpw分界处的参数r1Pr0w1外边界Rpw=0第59页/共85页第六十页，共85页。61横断面上压力分布(fnb)：轴向压力分布(fnb)：在确定的速度环量 =2Rw下 第60页/共85页第六十一页，共85页。62 在一定的速度环量下，在喷口附近负压(f y)很大，在射流中心有一个回流区 第61页/共85页第六十二页，共85页。63研究中心部分研究中心部分刚体刚体(gngt)运动区运动区 径向压力梯度dp/dr=惯性离心力=积分(jfn)当r=r0时，又
39、积分(jfn)常数 代回，得第62页/共85页第六十三页，共85页。64结论结论(jiln)：核心区，中心(zhngxn)处压力比大气压力p要低于交界处动压头的两倍（）。第63页/共85页第六十四页，共85页。65旋流射流的主要试验旋流射流的主要试验(shyn)结果结果 1、试验(shyn)研究表明：角动量的轴向通量的（旋转动量矩）G和轴向动量矩Gx均遵守守恒条件：第64页/共85页第六十五页，共85页。662、旋流强度S工程上用旋流强度来反映旋流射流的强弱程度 其中R为定性尺寸，各国R取值不一样，S数值有差异 通常为计算方便，常用(chn yn)喷口处平均的w和wx计算。也有人用w/wx来反
40、映旋转强弱。第65页/共85页第六十六页，共85页。67 弱旋转弱旋转弱旋转弱旋转(xunzhu(xunzhu n)n)射流：当射流：当射流：当射流：当S0.5S0.6出现双峰分布。经验公式：第66页/共85页第六十七页，共85页。68 强旋射流强旋射流(shli)：S0.6 最大特征，出现中心回流区最大特征，出现中心回流区 速度和压力都按速度和压力都按1/xk1/xk衰减衰减 即：即：w w 1/xk1/xk；其中；其中w w包括包括(boku)(boku)轴向、切向、径轴向、切向、径向速度；向速度；p p 1/xk1/xk 实验结果：实验结果：轴向径向切向压力pkk124第67页/共85页
41、第六十八页，共85页。69 喷口喷口(pn ku)形状的影响形状的影响 回流量回流区直径半张角长度l/d不带扩口小小00带扩口大大35度12无扩口的喷口(pn ku)有扩口的喷口(pn ku)第68页/共85页第六十九页，共85页。704.6 钝体射流中的混合钝体射流中的混合(hnh)与传质与传质钝体射流的形成钝体即指非流线型物体。钝体射流指流体经过非流线型物体时，在钝体下游的减速扩压流动中，由于反压力梯度的作用，引起边界的脱离而形成负压，造成回流旋涡区。在主流区与回流区进行着强烈(qin li)的动量、热量和质量的交换。第69页/共85页第七十页，共85页。71钝体几何参数对平均流动特性影响
42、的主要钝体几何参数对平均流动特性影响的主要钝体几何参数对平均流动特性影响的主要钝体几何参数对平均流动特性影响的主要(zh(zh yo)yo)试验结果。试验结果。试验结果。试验结果。钝体张角2:对回流区长度L，宽度(即零流线0)H及回流质量流率 R(R回流量qmh/主流量qmo)影响(yngxing)很灵敏 ，回流区宽度H，长度L和回流量R都 阻塞率(b/B)2的影响(yngxing):升高R升高，L/d减小。第70页/共85页第七十一页，共85页。724.7 4.7 平行与相交射流平行与相交射流平行与相交射流平行与相交射流(shli)(shli)的混合与传质的混合与传质的混合与传质的混合与传质
43、平行(pngxng)与相交射流混合与传质的动力学条件 当两个或两个以上射流组，其轴线平行(pngxng)，称为平行(pngxng)射流，轴线成一定角度相交称相交射流，当交角为180度则称反向气流第71页/共85页第七十二页，共85页。73 两股平行射流，平均速度分别为w1和w2，按照普朗特混合长度理论，用 来反映其湍流粘性(zhn xn)其中R为混合边界层厚度。在射流流动中，混合长度l/边界层厚度R=常数。所以湍流切应力 湍流切应力间接表征了湍流中流体微团的混合第72页/共85页第七十三页，共85页。74两股平行射流湍流混合的强弱决定于：两股平行射流湍流混合的强弱决定于：两两者者的的动动压压比
44、比 ，它它是是湍湍流流扩扩散散（三三传传）的的动动力力（能能量量）来来源源，它它的的增增加加会会导导致致流流体体微微团团可可在在更更大大尺尺度度范范围围内内湍湍流流相相关关，且且混混合合边边界界层层愈愈偏偏于于动动压压小小的的一一侧侧。当当动动压压比比趋趋近近于于1 1时时，由由于于动动压压差差引引起起的的湍湍流流扩扩散散已已经经十十分分微微弱，只能靠射流自身原始扰动度来维持弱，只能靠射流自身原始扰动度来维持 决决定定于于射射流流自自身身动动压压 ，它它是是射射流流内内部部进进行行(jnxng)(jnxng)三三传传的的动动力力（能能量量）源源。一一般般自自身身湍动度总是维持射流内部的小尺度湍
45、动。湍动度总是维持射流内部的小尺度湍动。系系数数k k，决决定定于于射射流流喷喷口口的的结结构构特特征征和和速速度度分分布特征布特征第73页/共85页第七十四页，共85页。75相交相交(xingjio)射流射流 相交射流相交射流(shli)(shli)以一定角度相交，在各自惯性力作用以一定角度相交，在各自惯性力作用下相互碰撞和混合，完成下相互碰撞和混合，完成“三传三传”，这个惯性力比湍流，这个惯性力比湍流切应力要大数百倍。切应力要大数百倍。射流射流(shli)(shli)等值核心区被强烈破坏。等值核心区被强烈破坏。“三传三传”升高。升高。射流射流(shli)(shli)变形，压扁，混合边界层很
46、快波及到射变形，压扁，混合边界层很快波及到射流流(shli)(shli)轴心线区，轴心线区，“三传三传”升高。交角升高。交角 越大压扁越越大压扁越厉害。厉害。两射流两射流(shli)(shli)轴心线相交后，合成一股射流轴心线相交后，合成一股射流(shli)(shli)，同时具有最大的变形后的周边。所以与周围，同时具有最大的变形后的周边。所以与周围介质介质“三传三传”也加强。也加强。结论：相交射流结论：相交射流(shli)(shli)混合传质的动力学条件是两射混合传质的动力学条件是两射流流(shli)(shli)的动量（流率）比的动量（流率）比M=1M=1时混合最强烈。时混合最强烈。第74页/
47、共85页第七十五页，共85页。76 本章总结本章总结 组组织织好好工工程程燃燃烧烧过过程程的的思思路路：化化学学反反应应的的温温度度、物物质质浓浓度度条条件件不不同同，则则化化学学反反应应的的速速度度、反反应应路路线线和和产产物物不不同同。因因此此，需需要要合合理理运运用用控控制制传传热热和和传传质质的的方方法法，精精确确(jngqu)(jngqu)地地设设计计并并控控制制燃燃烧烧过过程程中中的的温温度度分分布布和和物物质质浓浓度度分分布布，从从而而实实现现对对燃燃烧烧速速度度和和产产物物的的控控制制。所所以以，工程燃烧学需要重点关注混合与传质过程。工程燃烧学需要重点关注混合与传质过程。各各种
48、种工工程程燃燃烧烧过过程程的的混混合合与与传传质质的的特特性性各各不不相相同同，需需要要用用实实验验进进行行研研究分析。但是，典型的燃烧组织过程有着共性的规律。究分析。但是，典型的燃烧组织过程有着共性的规律。第75页/共85页第七十六页，共85页。77速度脉动速度脉动速度脉动速度脉动(midng)wx(midng)wx决定湍流中的决定湍流中的决定湍流中的决定湍流中的“三传三传三传三传”过程过程过程过程 湍流切应力湍流切应力 湍流正应力湍流正应力 动量动量(dngling)(dngling)传传递递 湍动度湍动度 湍流热通量湍流热通量 热量传递热量传递 湍流传质通量湍流传质通量 质量传递质量传递
49、其中：其中：w*w*某一特征速度某一特征速度 c c 比热比热 m m流体某一组分流体某一组分 物质量的脉动量物质量的脉动量(dngling)(dngling)另外两个主要量：湍流动能(dngnng)湍流耗散第76页/共85页第七十七页，共85页。78实验发现：湍流的实验发现：湍流的实验发现：湍流的实验发现：湍流的“三传三传三传三传”过程是相似的，过程是相似的，过程是相似的，过程是相似的，但也存在但也存在但也存在但也存在(cnzi)(cnzi)差异差异差异差异 （1）与 均小于1，说明：动量交换过程不如热量和质量交换更强烈(qin li)，温度和浓度混合边界层比速度边界层发展得快。（2）由于L
50、et=a/D1，说明：温度和浓度边界层的发展十分相近，可以用传热过程的基本规律近似描写质量交换。，第77页/共85页第七十八页，共85页。79在没有化学反应的流场中，可以用温度场模拟在没有化学反应的流场中，可以用温度场模拟在没有化学反应的流场中，可以用温度场模拟在没有化学反应的流场中，可以用温度场模拟(mn(mn)浓度场。浓度场。浓度场。浓度场。如如 研研 究究 两两 股股 射射 流流 的的 混混 合合 实实 验验(shyn)(shyn)，通通过过实实验验(shyn)(shyn)混混合边界层中任一点浓度合边界层中任一点浓度C C。C1C1和和C2C2是是被被比比拟拟的的实实际际两两股股气气流流