高等燃烧学讲义第12章(郑洪涛4学时).pptxVIP

高等燃烧学 第十二章 湍流预混火焰 主讲人：郑洪涛;第十二章 湍流预混火焰;湍流预混火焰的理论描述仍是不确定的，充满矛盾和争论。目前还没有公认的、通用的湍流预混火焰的理论 在层流火焰中，其传播速度只与混合物的热力学和化学性质有关；而湍流火焰的传播速度不仅与混合物的性质有关，而且还与气流的流动特性有关。 湍流火焰速度St是未燃气体沿火焰面法线方向进入火焰区的速度。 由于高温反应区的瞬态位置在不断脉动，因此在计算中用其平均值为火焰面位置。 想要直接测量接近湍流火焰的某个点上的未燃气体流速是非常困难的，因此比较实用的方法是通过测量反应物流速来确定火焰速度。;?;?;图12.6(a)是用纹影法在不同时刻记录下的湍流火焰图像，是大温度梯度的卷曲的薄反应区叠加的各瞬时轮廓线。 气体混合物在管子中从下向上流动进入到大气环境中，火焰稳定在管子出口上方。;图12.7是文献中给出的火花点火发动机内二维燃烧火焰的时间序列的照片。由图可见，火焰从火花塞处开始向外传播，并向整个燃烧室传播，直到气体消耗殆尽。 已燃与未燃气体的分界面距离很小，而火焰前沿被两种大小不同的褶皱所扭曲。 在图12. 7 所表明的特定条件下，已燃和未燃气体是简单;湍流可使层流火焰前沿面发生褶皱和扭曲。这一类型的湍流火焰称为褶皱层流火焰模式，是我们所划分的湍流预混火焰的一种极端状态。 另一种极端状态称为分布反应模式。 在这两种状态中间的态称为旋涡小火焰模式。 1. 模式判据 在详细讨论每一个模式之前，引用一些湍流的基本概念，特别是关于在湍流中同时存在不同几何尺度的概念。 柯尔莫哥洛夫微尺度lK代表流体中最小的旋涡尺度。这些小旋涡旋转得很快，且有很高的旋涡强度，使得流体的动能由于摩擦升温而转化为内能。 几何尺度分布的另一个极端称为积分尺度l0，它代表最大的旋涡尺度。 ;湍流火焰的基本结构就由上述两个湍流几何尺度与层流火焰厚度δL的关系决定。 层流火焰厚度表示仅受分子而不受湍流作用下的传热传质控制的反应区。 这三个火焰模式可以定义为 褶皱层流火焰 δL ≤ lK 旋涡小火焰模式 l0 δL lK 分布反应模式 δL l0 当层流火焰厚度δL 比湍流最小尺度lK薄得多时，湍流运动只能使很薄的层流火焰区域发生褶皱变形。 判断褶皱层流火焰存在的判据有时也称为威廉姆斯-克里莫夫( Williams-Klimov) 判据。;另一方面，如果所有的湍流尺度都小于反应区厚度δL，则反应区内的输运现象就不仅受分子运动的控制，而同时受湍流运动的控制，或者至少要受湍流运动的影响。 上述判断分布反应模式区的判据有时也称为丹姆克尔(Damk?hler) 判据。 湍流尺度和层流火焰厚度可以转化为两个无量纲参数：lK/δL和l0/δL。另外引入湍流雷诺数Rel0和丹姆克尔数。这样我们用上述4 个无量纲数来描述湍流火焰结构。 2. 丹姆克尔数 丹姆克尔数Da是燃烧中一个很重要的无量纲参数。在许多燃烧问题的描述中都会用到，对于理解湍流预混火焰则尤为重要。 丹姆克尔数Da 的基本含义是流体的特征时间或混合时间与化学特征时间的比值，即： ; 计算Da 的具体方法与研究的状况相关，这与雷诺数类似。在研究预混火焰时，特别有用的时间尺度是流体中最大旋涡的存在时间(τflow=l0/v’rms)和根据层流火焰定义出的化学特征时间(τchem= δL/SL)。根据上述定义的特征时间，可以得到丹姆克尔数为 当化学反应速度比流体的混合速度快时，即Da 1， 称为快速化学反应模式。 相对地，当化学反应比较慢时，Da 1。 注意特征反应速度与其相应的时间尺度呈反比。 Da的定义还可以表示为几何尺度比l0/δL与相对湍流强度v’rms/SL的倒数的乘积。;这样，如果固定几何尺度比，则丹姆克尔数将随湍流强度的增加而减小。 至此定义了lK/δL、l0/δL、Rel0、Da 和v’rms/SL 共5 个无量纲数。根据其基本定义，这5组数据可以互相关联起来。 图12.8显示了这些关系。如果获得了表示湍流流场的参数，就可以通过图12.8来估计实际设备中火焰所处的模式。 图中纵坐标是丹姆克尔数Da，横坐标是湍流雷诺数Rel0，两条粗实线将图分为三个区域，分别对应三种火焰模式。 在lK/δL=1的粗线上方，反应发生在很薄的片内，即是褶皱层流火焰模式； 在另一l0/δL=1粗线下方，反应发生在一个空间分布相对较厚的区域中； 两条粗线之间就是所谓的旋涡小火焰模式。;第十二章 湍流预混火焰—— 12.2 湍流预混火焰结构——三种火焰模式;例12.2 试计算电站燃气轮机燃烧室中的丹姆克尔数Da 和柯尔莫哥洛夫微尺度与层流火焰厚度之比lK/δL。判断该火焰所处的状态。假设未燃气体温度为650K，已燃气体温度为