【清华大学 燃烧学】燃烧理论_9-层流扩散火焰

2020/11/21 Saturday
12
假设
1、射流和周围流体的摩尔质量相等。有了这个假设， 加上理想气体性质，并设流场内压力和温度都是常 数，那么整个流场内流体的密度也就是常数。Q-2？
2、物质之间的扩散为遵从费克定律的简单二元扩散。 3、动量和组分的扩散率都是常数，且相等，即施密特
数（Sc =γ/D）等于1。 4、只考虑物质的径向动量扩散，忽略轴向扩散。
• 在整个流场里面，初始的射流动量是守恒的。当燃 料流向周围的空气时，它的一部分动量就传给了空 气，因此燃料的速度减小；同时在流场中越往下游， 进入射流区域里的空气量就越多。这可以用动量守 恒的积分表达式来表示：
2020/11/21 Saturday
Momentum flow of the jet at any x, J
2020/11/21 Saturday
17
vx (r R,0) ve , vx (r R,0) 0, YF (r R,0) YF,e 1, YF (r R,0) 0.
• 物理描述: 燃料射入氧化剂中 • 可通过其了解基本的流动和混合过程 • 图 9.1 显示了燃料射流的基本特征
Note: vx,0-x, nth order
中Байду номын сангаас线
2020/11/21 Saturday
8
• 火焰势核(potential core)：速度和燃料的质量分数不 变且处处相等。从该核到射流边界，速度与燃料浓度 均单调递减到0。在势核(隐核)之外，(x>xc)，粘性剪 切力和质量扩散在整个射流区域内都起作用。
因此，下面得出的结论只在距离喷嘴出口下游一定 距离的地方，也就是隐核以外的地方才适用，因为 隐核内部轴向扩散起着较大的作用，不能忽略。
2020/11/21 Saturday
13
守恒定律方程
• 边界层方程：(第七章) • 质量守恒
vx 1 (vrr) 0. • 轴向动量守恒 x r r
vx
vx x
Jet flame Candle flame
2020/11/21 Saturday
Bunsen outer flame
5
预混火焰和非预混燃烧的区别
预混火焰 m[T
]TT
Tb Tu
k cp
[ dT dx
]dT dT
d 0 d 0
hc cp
mFdx
Q-1
非预混火焰
The structure of nonpremixed flame consists of three zones, with a reaction zone separating a fuel-rich zone and oxidizer-rich zone. C. K. Law, Combustion physics, 2006
Momentum flow issuing from the nozzle, Je
or
•
2
其中
0
e(r和,x)vve 2x分(别r,为x)喷rd管r口燃料ev的e2密R度2 ,和速度。
2020/11/21 Saturday
10
• 影响流场的是动量的对流和扩散，而影响燃料浓 度场的则是物质的对流和扩散，这两者具有一定 的类似性，因此燃料的质量分数Yf(r, x)和无量纲 速度vx(r, x) / ve也应该具有类似的分布规律。
Robert H. Goddard——现代火箭之父
B.S. Worcester Polytechnic Institute,1908
Ph.D, M.A., Clark University ,1912
1926年，在马萨诸塞州冰雪覆盖的草原上，戈达德 发射了人类历史上第一枚液体火箭(液氧和汽油)。火 箭长约3.4米，发射时重量为4.6公斤。飞行延续了约 2.5秒，最大高度为12.5米，飞行距离为56米。
燃烧理论
九 层流非预混扩散火焰 Nonpremixed Diffusonal
第一讲
2020/11/21 Saturday
3
"It has often proved true that the dream of yesterday is the hope of today, and the reality of tomorrow."
2020/11/21 Saturday
6
内容
• 未燃常密度层流射流 • 射流火焰的物理描述 • Burke-Schumann简化理论描述 • 圆口和狭缝烧嘴的火焰长度 • Soot 形成及氧化分解 • 对吹火焰的介绍
2020/11/21 Saturday
7
1.未反应常密度层流射流 Nonreacting Jet
vr
vx r
v1 r
r
(r vx ). r
2020/11/21 Saturday
14
• 组分守恒: 针对燃料射流
• 由于v组x 分只Yx有F 燃料v和r 氧化Yr剂F 两种D，所1r以两r者(的r质量Yr分F 数).相加应 该为1。
YOX 1 YF
2020/11/21 Saturday
15
边界条件
普林斯顿大学 R. H. Goddard讲座教授
R. H. Goddard
中国也2201有20/这11类/ Scientist——陆家羲！！！
Saturday
F. A. Williams
C. K. Law
4
背景(Backgrounds)
• 燃料的射流火焰； • 蜡烛的火焰； • 本生灯的外焰； • 碳烟(Soot)的形成； • NO2 和 CO 的形成； • 控制火焰尺寸和形状的工业设施。
• 为了求解未知的 vx(r,x), vr(r,x), YF(r,x)
• 在轴线上：(r=0)
vr (0, x) 0 vx (0, x) 0 r YF (0, x) 0 r
2020/11/21 Saturday
r=0
r=
16
• 在径向无穷远处(r )，流体速度为0，且没有燃料：
• 在射流出口，(x=0)，v假x 设(喷,嘴x内) 部（0r ≤ R）的轴向速度和燃料质 量分数都相等，而在Y喷F嘴(外部, x其)值均0为零，即：
• 和初始射流动量类似，从喷嘴流入的燃料质量也 是守恒的，即：
2 (r, x)vx (r, x)YF (r, x)rdr eveR2YF,e ,
0
Q-1：有反应存在的时候，还守恒吗？
想想混合物分数物理意义？
2020/11/21 Saturday
11
• 现在需要确定的就是速度场和燃料质量分数场的具体分布。