消防燃燒學第7章射流混合過程

回顧篇：燃料介紹了燃料的基本性質(zhì)、分類，以及成分表示方法，不同的成分表示方法的換算第二篇：燃燒計算燃料燃燒時的空氣需要量，產(chǎn)物生成量的計算方法（化學反應方程式的質(zhì)量比、系數(shù)比）燃燒溫度，發(fā)熱溫度的近似求解過程（內(nèi)插值近似法）氣體分析方程、空氣消耗系數(shù)和熱損失的產(chǎn)物成分計算方法以燃燒的結(jié)果作為研究對象，沒有考慮燃燒是如何進行的1消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!第三篇燃燒基本原理2消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!第三篇燃燒基本原理一、燃燒的定義《工程燃燒學》--第七章燃燒過程：從混合（擴散）到燃燒反應完成的整個過程所謂燃燒，通常伴有放熱、火焰、發(fā)光和（或）發(fā)煙現(xiàn)象,是可燃物與氧化劑作用發(fā)生的氧化反應。燃燒過程是一種復雜的物理過程和化學過程的綜合，它既有流動、擴散、混合等物理現(xiàn)象，又有氧化還原反應，并放出光和熱的化學現(xiàn)象。燃燒是一種復雜的物理化學過程——三傳一反：動量傳遞（流動）熱量傳遞質(zhì)量傳遞（擴散）化學反應3消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!第三篇燃燒基本原理《工程燃燒學》--第七章τ混---表示混合所需要的時間τ熱---表示混合后的的可燃物到達開始燃燒反應的溫度所需要的時間τ化---表示完成化學反應所需要的時間燃燒過程的進行主要是受化學動力學影響，還是受擴散因素的影響。4消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!第三篇燃燒基本原理燃燒狀態(tài)燃燒分類與時間的關(guān)系穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)與空間的關(guān)系一維、二維和三維初始反應物的混合狀態(tài)預混燃燒和非預混燃燒氣體流動狀態(tài)層流、紊流和過渡燃燒按反應物物態(tài)均相和異相燃燒燃燒波的速度緩燃（亞音速波）、爆震（超音速波）按燃料氣體、液體和固體燃料燃燒《工程燃燒學》--第七章（二）其他分類5消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!第七章射流混合過程實際意義①物理因素在整個燃燒過程起著更為重要的作用；例如有焰燃燒。②射流是大多數(shù)工程燃燒混合的主要方式：除固體燃料有時以塊狀進行燃燒外，其它燃料和氧化劑都是以射流形式送入燃燒空間的?！豆こ倘紵龑W》--第七章6消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流7消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!初始段：

紅色部分為勢流核心；核心區(qū)內(nèi)速度、濃度等與出口處相同，長度約4--5d0?！?.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學》--第七章μ=1/2μmyy自模段：軸向流速都呈正態(tài)相似分布；x/d0＞8-10過渡段：射流截面上軸向速度分布不斷變化直至成為正態(tài)相似分布8消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!自由射流對周圍氣體的卷吸能力可用卷吸率表示：§7.1靜止氣體中的自由射流《工程燃燒學》--第七章三、射流的卷吸及卷吸量的計算射流向前運動時，由于橫向的速度脈動及粘性，與周圍介質(zhì)產(chǎn)生動量交換，帶動周圍介質(zhì)運動，使射流的質(zhì)量沿流向逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為射流的卷吸或引射。有射流必有引射。其中me--為卷吸量；

mx--為x截面處射流的總質(zhì)量流量；

m0--為射流的初始質(zhì)量流量。9消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!§7.1靜止氣體中的自由射流

（1）時

射流流量：，與實驗條件有關(guān)。

卷吸率：（2）時Thring提出用當量直徑de代替噴口直徑d0，即認為噴出的氣體密度為ρs，速度和動量保持恒定（為u0和G0）

《工程燃燒學》--第七章

非等溫射流卷吸率：10消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!§7.2同向平行流中的自由射流噴入同向平行氣流中的射流，分單股平行射流和多股平行射流。射流的擴展、軸心速度的衰減和射流核的長度主要與射流流體和環(huán)境流體之間的速度梯度有關(guān)。《工程燃燒學》--第七章射流與外流間的速度梯度越大，混合速度就快；相反，混合減緩，射流張角、速度及濃度沿軸向的變化率隨之減小，勢核長度越大，當二者相等時，勢核貫穿整個流場。二、單股射流的特點一、定義11消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!根據(jù)軸向速度分布式和Alpinieri的實驗數(shù)據(jù)(λ>1)繪出了平行流中射流軸向速度衰減圖，圖中λ=us/u0由圖可看出，當λ由0或2.13趨向1時，射流核越來越大，軸心速度衰減變慢射流特性的影響因素§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學》--第七章（1）流速比12消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!§7.2同向平行流中的自由射流《工程燃燒學》--第七章軸線濃度衰減圖，射流特征量應當是比值ρsus/ρ0u0的函數(shù)（2）密度（ρ0≠ρs

）

Alpinieri在研究λ>1的情形時，得到一個重要結(jié)論：射流特性不僅與速度比有關(guān)，而且與密度比有關(guān)，當兩者的密度比相差較大時，密度差引起軸線上的濃度有顯著衰減，以致于對速度比的變化不甚敏感。標準狀況下，H2、CO2和空氣的密度分別為：0.0899g/L、1.79g/L，為1.29g/L。13消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!§7.3交叉射流一、定義及應用情況以某一角度與主流相交的射流。工業(yè)燃燒裝置中，經(jīng)常采用交叉射流，以實現(xiàn)以下功能：強化燃燒或降溫，例如向火焰中噴射二次助燃空氣。二、流場結(jié)構(gòu)正交射流噴孔中心線與壁面交叉角為90℃，主流沿x方向流動。

《工程燃燒學》--第七章14消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!§7.3交叉射流絕對穿透深度：橫穿主流的射流彎曲到和主流方向接近平行時，彎曲軸線離開噴射口的垂直距離。相對穿透深度：絕對穿透深度與噴嘴直徑d0之比稱為相對穿透深度。穿透深度（y/d）與λ呈反比，歸納為下列穿透深度的經(jīng)驗公式：《工程燃燒學》--第七章正交射流的穿透深度15消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流16消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!二、外圍環(huán)狀射流與中心射流的相互影響§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學》--第七章圖為中心射流的勢流核心和軸心速度隨流速比(λ=ua/uc)的變化情況。從圖中可以看出，當環(huán)狀射流的速度很小，例如λ=0.08時，一直到4d0距離內(nèi)，中心射流的軸心速度都保持常量，也就是說，勢核長度約為中心噴嘴直徑d0的4倍。隨著λ的增大，勢核長度越來越小，中心射流速度衰減變快。當λ=2.35時，中心射流很快被環(huán)流所吸收。環(huán)狀射流對中心射流的影響17消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流18消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學》--第七章實線vx

虛線v在軸心處vx<0，回流區(qū)邊界上vx=0，回流區(qū)邊界(vx=0)與射流邊界之間vx有一最大值vmax，x，vmax，vx分布趨于平坦均勻，回流區(qū)變小直到消失。19消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!(4)射流中心有很強的卷吸力§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學》--第七章射流軸線上的靜壓力低于大氣壓力(負壓)，說明旋轉(zhuǎn)射流中心有很強的卷吸作用，x，靜壓力大氣壓力，卷吸作用。20消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!四、旋流的幾個相關(guān)概念

自由旋渦：靠流體內(nèi)部的位能變化（靜壓或水位差）而運動，所以叫“位流旋渦”。這種旋渦的回旋運動并非由外加扭矩所引起，若忽略摩擦損耗，則不同半徑上流體微團的動量矩應當守恒，故又叫“自由旋渦”?！?.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學》--第七章特點：（1）切線速度v0與半徑成反比，即越靠近渦心，切線速度越快；（2）自由旋渦是一種“無旋”圓周運動。21消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流強度、旋流數(shù)旋轉(zhuǎn)射流的規(guī)模和強度在控制火焰長度、提高燃燒強度及改善火焰穩(wěn)定性方面起著重要的作用。在旋轉(zhuǎn)自由射流中，由于外力矩等于零，軸向動量Gx及角動量Gφ都保持守恒。即《工程燃燒學》--第七章22消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流旋流數(shù)的計算計算旋流數(shù)時，需要知道旋轉(zhuǎn)射流中切向速度vθ、軸向速度vx及靜壓p沿半徑r的分布規(guī)律，這對計算人員來說往往有一定困難，為了避免靜壓積分運算的困難，將其忽略不計。旋流數(shù)具體的計算方法還應視各種旋流裝置的結(jié)構(gòu)特點有所不同?！豆こ倘紵龑W》--第七章23消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流可以看出，當s≤0.416時，速度成呈高斯分布；當s>0.6后，最大軸向速度開始偏離軸線，出現(xiàn)雙峰式速度分布。《工程燃燒學》--第七章24消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流擴展角：弱旋流的擴展角隨著旋流數(shù)S的增加而加大，但并不是一直隨之增大而增大，而是只能增大到約10％的極限值。此增大值可用下式表示；卷吸量：與旋流強度成正比《工程燃燒學》--第七章25消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流vx0、vθ0、vr0分別為射流出口截面處相應分速度的最大值?？梢?，軸向和徑向分速的衰減約與x-1成正比，切向速度的衰減約與x-2成正比。《工程燃燒學》--第七章圖7-1826消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!第三篇燃燒基本原理（一）基本分類二、燃燒的分類《工程燃燒學》--第七章（1）動力燃燒（動力學因素控制，預混燃燒、爆炸）：混<<

熱+t化

（2）擴散燃燒（受流動、擴散和物理混合因素控制，液體燃料滴/蠟燭/碳粒的燃燒）：混

>>

熱+t化

（3）中間燃燒：介乎兩者之間27消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!主要內(nèi)容射流混合過程燃燒反應速度和反應機理著火過程燃燒傳播過程異相燃燒火焰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定28消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!第七章射流混合過程《工程燃燒學》--第七章分類：根據(jù)射流噴嘴：平面射流與圓形射流根據(jù)射流結(jié)構(gòu)：直流射流與旋轉(zhuǎn)射流平行射流與相交射流環(huán)形射流與同軸射流根據(jù)射流環(huán)境：自由射流與受限射流層流射流與湍流射流根據(jù)射流流動：主要學習內(nèi)容：各種射流的定義，射流的形成條件與一般特征。29消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!§7.1靜止氣體中的自由射流一、自由射流的定義流體由噴嘴流出到一個足夠大的空間后，不再受固體邊界限制而繼續(xù)擴散的一種流動。其燃燒裝置稱為大氣燒嘴，例如家用煤氣灶。二、自由射流的特點

射流氣體離開噴口以后，因與外圍流體之間有速度差，且有粘性，故產(chǎn)生紊流漩渦層，與外圍流體進行動量和質(zhì)量交換，導致各流動截面上的速度、濃度分布特征發(fā)生變化。根據(jù)這些特征，沿射流的前進方向，可將射流分為初始段，過渡段和自模段（充分發(fā)展段）《工程燃燒學》--第七章30消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!§7.1靜止氣體中的自由射流

根據(jù)普朗特混合長度理論，自由射流半寬(y)：軸向um的沿程衰減規(guī)律：軸心Cm的沿程衰減規(guī)律:

自模段特性《工程燃燒學》--第七章u的分布規(guī)律：C的分布規(guī)律:μ=1/2μmyy軸向流速和濃度的徑向分布都具有相似性：31消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!隨著與噴口距離x的增加，卷吸率是增大、減小還是保持不變？32消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流33消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!§7.2同向平行流中的自由射流Squire和Trouncer從理論上分析了平行流中自由射流的有關(guān)特性，提出射流出口附近混合區(qū)中軸向速度的分布公式：其中：r1和r2——混合區(qū)的內(nèi)、外半徑，u0和us——射流初速度和外圍流的速度《工程燃燒學》--第七章三、速度分布34消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!§7.2同向平行流中的自由射流射流的半速線（表示射流的擴散情況）隨流速比的變化情況。從圖中可以看出，當λ<1時，射流張角和射流擴展率隨λ增大而減小。《工程燃燒學》--第七章射流的半速線隨流速比的變化35消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!節(jié)靜止氣體中的自由射流第七章射流混合過程《工程燃燒學》--第七章第二節(jié)同向平行流中的自由射流第三節(jié)交叉射流第四節(jié)環(huán)狀射流和同心射流第五節(jié)旋轉(zhuǎn)射流36消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!§7.3交叉射流彎曲射流大致可分為三段：Ⅰ為射流核OB，比自由射流顯著縮短，且向下游歪斜；Ⅱ為顯著彎曲段射流剖面迅速變形；Ⅲ旋渦擴展段，射流轉(zhuǎn)到主流方向。Os為um聯(lián)結(jié)線，Oc為幾何中心線《工程燃燒學》--第七章圓孔射流橫穿主流時的彎曲變形37消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!§7.3交叉射流斜交射流

為了助燃或降溫，有時需要二次空氣斜穿過主流，即噴孔中心線與壁面交叉角大于或小于90℃。彎曲變形規(guī)律：穿透深度隨流速比(α=u0/v0)的增大而增大《工程燃燒學》--第七章射流軸線隨交角和流速比的變化38消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!§7.4環(huán)狀射流和同心射流一、流場結(jié)構(gòu)：（1）充分發(fā)展區(qū)流動情況與軸對稱圓形射流相似；（2）但在噴嘴附近環(huán)狀射流中心形成低壓回流區(qū)；在同心射流交界面上，由于中央噴管有一定壁厚，也會形成回流區(qū)。

因此，對環(huán)狀射流和同心射流來說，噴嘴的幾何形狀，對鄰近噴嘴的射流狀態(tài)有較大影響?；亓鲄^(qū)一般用于改善火焰的穩(wěn)定性?！豆こ倘紵龑W》--第七章39消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!§7.4環(huán)狀射流和同心射流《工程燃燒學》--第七章對于外圍環(huán)狀射流來說，用環(huán)縫寬度1/2(D2-D1)作為特性尺寸，環(huán)縫出口速度ua0作為特性速度時，中心射流對外圍射流的影響如圖所示。從圖中可以看出，隨著中心流速的增大（λ減?。?，環(huán)形射流勢核逐漸減小，速度衰減變快。直到λ=0.08時，經(jīng)過相當距離后（D2-D1），環(huán)形射流被中心射流完全吸收。中心射流對外圍環(huán)形射流的影響40消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流一、定義

射流在離開噴嘴前先強迫流體作旋轉(zhuǎn)運動，它從噴嘴噴出后便會一邊旋轉(zhuǎn)一邊向前運動，這就是旋轉(zhuǎn)射流，簡稱旋流?！豆こ倘紵龑W》--第七章（1）存在軸向分速度vx、徑向分速度

vr和切向分速度v二、特點（2）旋轉(zhuǎn)強烈到一定程度時，噴嘴附近可形成回流區(qū)41消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流《工程燃燒學》--第七章（3）速度沿程衰減快；當x/d>5以后，v、vr

基本上消失，只有vx存在。旋轉(zhuǎn)射流沿程無因次速度42消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流

燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流是強化燃燒和組織火焰的一個有效措施，它能有效地提高火焰穩(wěn)定性和燃燒強度。

三、旋流的作用《工程燃燒學》--第七章43消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流固體旋渦：流體繞中心按固體旋轉(zhuǎn)規(guī)律旋轉(zhuǎn)的旋渦，又叫強制旋渦。表達式為：旋風或旋流是由外圍的自由旋渦和渦核的強制旋渦組成，二者整體叫做圓周旋渦《工程燃燒學》--第七章44消防燃燒學》第7章射流混合過程共49頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!§7.5旋轉(zhuǎn)射流（1）旋流數(shù)軸向動量Gx及角動量Gφ都是旋轉(zhuǎn)射流的動力特性參數(shù)，由它們組成的無量綱數(shù)s來反應旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)強度，叫做旋流數(shù)。S的表達式為：意義：旋流數(shù)S，不僅可以用來反映射流的旋轉(zhuǎn)強度，而且，對于幾何相似的旋流裝置來說，它也是一個非常適用的表示射流動力相似的相似準數(shù)?！豆こ倘紵龑W》--第七章45