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燃 烧 学 哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所 邱朋华 第4章 燃烧物理学基础 4.1引言 燃烧物理学涉及的内容 输运定律 多组分气体基本参数的定义 射流理论 直流自由射流 旋转射流 气固多相流理论 4.2多组气体基本参量 一、密度 质量密度 一、密度 一、密度 一、密度 一、密度 二、扩散定律 假定有一种静止的等温度流体B，从它的一边渗入另一种流体A，而在另一边将流体A渗出。 在B中不同的层上，A的浓度不同。由于浓度差存在，将产生扩散。在单位时间内、单位面积上流体A扩散造成的物质流与在B中流体A的浓度梯度成正比，即： 二、扩散定律 在考虑两种组分以上的多组分混合物的扩散问题时，常常把考虑的组分当作一种组分，而把组分以外的所有组分作为另一种组分，这样近似地处理为双组分扩散问题，那么扩散方程可以写为： 二、扩散定律 假定把混合物看作理想气体，还可以把扩散方程表示成分压力梯度或质量百分数的形式，即： 二、扩散定律 也可以把扩散方程表示为马克斯韦尔-斯蒂芬（Maxwell-Stefan）的形式 二、扩散定律 在多组分混合物中，通过一个微元表面，各组分扩散的物质流之和为零 二、扩散定律 多组分气体的导热问题不同于单组分气体的导热定律所描述的那样，它除了由于温度梯度所造成的热流之外，还应当有扩散的物质流所携带的焓值。即对普通的傅立叶导热定律应进行修正，而成为修正的傅立叶导热定律 三、三个重要的无量纲数 四、扩散方程 组分的守恒关系 由于多组分气体宏观流动从微元体带走的组分的量，加上由于扩散运动组分扩散出去的量，再加上由于化学反应消耗掉的组分的量，应该等于同一时间内，微元体内组分物质质量的减少。 四、扩散方程 x方向上由于流动造成的组分从微元体的净流出量 四、扩散方程 在方向和方向由于流动和扩散而造成的净物质流量 四、扩散方程 在同一时间内，微元体内由于化学反应使得s组分的生成或消耗为w， 同一时间内微元体内s组分的质量随时间的变化 四、扩散方程 四、扩散方程 应用连续性方程 四、扩散方程 对于定常情况 4.4射流特性 一、什么是射流？ 燃料燃烧过程中，燃料、氧及燃烧生成物通常以较高的速度进行流动，这些物质存在速度梯度，温度梯度和浓度梯度。于是在流动过程中进行化学反应，同时进行动量交换、能量交换和质量交换 二、射流的定义及分类 高速喷出的流体为射流 在研究燃烧问题时，不可回避射流问题 射流研究建立在流体力学和传热、传质学基础上 射流分类 均匀~非均匀 单股~多股 单相~多相 层流~湍流 直流~旋流 等温~不等温 自由~受限 三、直流自由射流 有关射流定义 自由射流：射流不受固体壁限制，喷向无限大空间，而且射流与周围介质具有相同的物理属性，又称自由淹没射流 直流射流：射流不旋转，切向速度为零 等温射流：射流温度梯度不变化 三、直流自由射流 直流自由射流特性 等温直流自由射流的速度场 三、直流自由射流 射流不断与周围进行质量、动量和能量交换，射流越来越宽，速度越来越低 射流初始段：射流轴线速度仍保持初始速度的区段 射流基本段：射流初始段以后的射流区段，轴线速度随着射流发展逐渐减小 射流过渡截面：射流初始段和射流基本段的分界面 射流核心区：射流速度保持初速度的区域，圆锥形 射流外边界：射流外侧速度为零点的包络线 射流内边界：速度等于出口速度与速度小于出口速度的射流的分界面 射流边界层：射流核心区以外，外边界以内的区域 射流极点：射流外边界延长线的交点 三、直流自由射流 三、直流自由射流 定义轴向速度usx，径向速度usy，研究发现usyusx 因此一般只考虑轴向速度，简写为us 基本段不同截面处(即距离为x),沿宽度y的分布具有相似性 三、直流自由射流 经验表明，不同截面的无因次速度在一条直线上，由此可见，在射流基本段上，各截面上速度分布具有相似性，与Re无关，称为自由射流的自模性 三、直流自由射流 式中 us——某点处射流轴向速度 usm——某点对应的轴线处射流轴向速度 us0——射流核心区轴向速度 y——某点距射流轴线距离 yb——某点所在截面射流边界半径 h——无量纲距离 a为经验系数 a=0.07~0.076，对轴对称湍流射流 a=0.1~0.12，对矩形喷口湍流平面射流 三、直流自由射流 射流基本段浓度分布 四、旋转射流 旋转射流有三个方向分速度 轴向速度 切向速度 径向速度（通常较小，可忽略） 切向速度大，在射流中心区形成反流区（逆流区或回流区）称为强旋流 切向速度小，未在中心形成反流区，称为弱旋流 四、旋转射流 旋转射流特点 强旋流的回流区可提供点火热源，实现稳定燃烧 扩散角大，初期混合强烈，射程短，后期混合弱，射流中心有负压区 一、颗粒的悬浮速度 颗粒的沉降速度