高等燃烧学讲义第13章(郑洪涛4学时).pptxVIP

高等燃烧学 第十三章 湍流非预混火焰 主讲人：郑洪涛;第十三章 湍流非预混火焰;湍流非预混火焰易于控制，广泛应用，但污染物排放大。 非预混燃烧应用场合多样，出现了各种类型的非预混火焰。图13. 1 显示了一种辐射管燃烧器，它采用的是带部分旋转的非预混受限射流火焰。 图13.2 展示的是一种非预混或者部分预混的纯氧火焰，通过控制各个气流的大小来控制火焰的特性。 燃烧设备设计中重要的是：火焰形状和尺寸、火焰维持与稳定、传热、污染物排放。;湍流非预混射流火焰与预混火焰相似，都可见不光滑或模糊的边界。碳烟的存在，非预混火焰比预混火焰明亮。 图13.3是乙烯在空气中燃烧的照片。右侧第一张火焰照片曝光时间4s。这张照片与真正的视觉效果类似。其他三张都是瞬时照片，可见，火焰的瞬时可视长度有很大的变化。;甲烷-空气火焰光谱辐射测量发??，虽然可以从火焰中看到碳烟发出的亮光，但碳烟辐射对于总的辐射损失没有太多的影响，而对于更易生成碳烟的燃料来说，碳烟辐射则可能是总辐射热损失的主要形式。;图13.5是氢气-空气射流火焰中OH基的瞬时平面图像，清楚地显示了富含OH基的高温区的旋卷形褶皱特征。;图13.6显示了剪切层由火焰底部喷嘴处旋转上升的图像，显示出的火焰结构对污染物的排放有着非常重要的影响。 我们要概括介绍的第二部分是初始射流直径和燃料流率对火焰尺寸的影响。图13. 7清楚地展现了非预混火焰的一些重要特征。 首先，当流率比较低时，即火焰为层流时，火焰高度与初始射流直径无关，而只与流率有关。 当流率增加时，湍流逐渐开始影响火焰高度，出现图13.7中所示的过渡区。;在过渡区的最后，随着流速的增加，湍流程度也不断增加，最后在曲线的极小值点形成比初始的层流火焰要短得多的完全湍流火焰。 当流速进一步增加时，火焰高度可能维持不变(管径小于0.133in)，也可能不断增加，但曲线斜率越来越小(管径大于等于0.152in)。;在足够低的流速下，火焰根部与燃烧器管子的出口非常接近(只有几个毫米)，我们定义为附着火焰。 当燃料流率增加时，在火焰底部开始形成孔隙，当进一步增大??率时，会形成越来越多的孔隙，直到燃烧器喷口上;尽量避免推举火焰的产生，使得火焰较贴近燃烧器出口且火焰位置不受流率的影响。这样，就可以用火花或者小火焰进行准确的点火并保证火焰位置。 出于安全考虑，应当避免接近吹熄极限的操作。 在接近极限的情况下向大炉膛充入空燃混合物是非常危险的，一旦无法及时点燃，混合物在炉内淤积，很可能达到爆炸极限而突然爆炸。;为湍流火焰建立数学模型是一项非常艰巨的任务。研究等温湍流本身就是一项挑战，若再引入燃烧过程，则密度的变化和各种化学反应都要有所考虑。 这里只引入一个非常简单的射流火焰燃烧的数学模型，来展示其物理本质。 1. 与冷态射流的对比 前面对恒密度湍流射流建立了简单混合长度模型，发现以下三个重要特性： ①当所有的速度都以出口速度为基准时，空间坐标x和r都以喷嘴半径R为基准时，速度场方程是普适的； ②射流扩展角是常数，与射流出口速度和直径无关; ③所谓的旋涡粘度ε与流场位置无关，并且正比于喷嘴出口速度ve和直径d j。此模型计算结果与实验数据较吻合。;假设湍流质量扩散系数与动量传递的相同，则燃料质量分数分布应等于无量纲速度分布，即YF(x, r)=v(r, x)/ve= f (x/dj)。 但这种关系只有当没有燃烧时才成立，因为有火焰的情况下YF在火焰边界外为0，但是速度并没有减到0。 如第9 章所述，混合物分数可以代替燃料的质量分数，并与无量纲的速度场有相似的性质。 这样，当给定燃料类型后，火焰的高度将与射流速度ve无关，而与喷嘴直径成比例，而且射流扩展角与射流速度ve和喷嘴直径dj均无关。 图13. 7 中的实验结果证明，对于小口径的喷管，火焰长度确实与ve无关，而且火焰长度大致与喷嘴直径dj成比例。 另外，浮力将破坏射流火焰与绝热射流之间的近似，正好可以解释对于更大直径的喷管，湍流火焰长度将不恒定。;2. 守恒标量回顾 在射流火焰的简化分析中，我们希望能用混合物分数代替燃料、氧化剂和产物分别的守恒关系来描述任意位置火焰组分的变化。在足够小的控制体内，定义了混合物分数 f 这个参数有两个特别重要的特性。首先，它可以用来定义火焰边界，且它的值只与当量比有关，即 定义Φ=1处为火焰边界，则该处的f 就有了一个固定的值 fs： 混合物分数第二个重要的性质是，由于根据“无源项”控制方程的定义，它在整个流场中保持守恒。正因这一性质，才能用它代替各组分单独的守恒关系，简化数学模型。;3. 假设 构造非预混湍流射流火焰的简单数学模型的假设如下： (1)稳态、轴对称的时均流场，燃料由半径为R 的圆管射出，在静止、无限大的空气中燃烧。 (2)与湍流输运相比，动量、组分和能量