第六章气体射流与扩散燃烧

1 1 r 8 x 1 2 1 d 0 Re 0 d 0
f d ，Re 0 , 0
与Re 0有关
x

圆形射流的守恒方程组及通解
• 湍流圆形自由射流的速度、温度和浓度分布无因次 参数ψ
u T T CF u0 T0 T CF ,O
预混燃烧器
射流燃烧（扩散燃烧）
•扩散燃烧的特点
燃料 空气 燃烧室混合
临界着 火浓度
燃烧 燃气
发生在燃气、空气的交界面上 扩散火焰 比预混火焰更长、更光亮 决定 射流形式 火焰形式
空气
一次空气系数对射流燃烧的影响
• α1>1： 动力火焰
1 1, Wmax、Tmax、u L,max、火焰长度最短
x r r r
能量守恒方程
(T T ) (T T ) (T T ) ru rv (a aT ) r x r r r
圆形射流的守恒方程组及通解（3）
边界条件和物理条件
•在外边界限以外（r≥R，0≤x≤∞）
u T T CF COX COX , 0
射流核心:射流核心内为燃 料气体，核心内速度、浓 度与出口相同 外边界:外边界外为空气， 燃料浓度为0 内、外边界之间:具有一定浓度的燃料气
扩散火焰的结构（浓度分布）
A-A截面
CO2: 外边界以外最大, 火焰面最小 Cp : 火焰面最大, 核心区为0
CF: 内边界最大, 火焰面最小 CN2: 外边界以外最大, 内边界面最小
• 0<α1<1： 内层动力火焰，外层扩散火焰 • α1＝0： 扩散火焰
燃烧速度最慢、 焰长度最长
扩散燃烧分析模型
模型：稳态、绝热流动模型
初始燃料浓度C0，温度T0 火焰面α＝1，浓度C＝0， 燃烧室平均燃料浓度Ck
T0、C0
T、Ck
C＝ 0
燃料停留时间τ1
燃料向火焰面扩散时间τ3
扩散燃烧室模型
T、 Ck
S mA m mS m0 0.32 1 mF m0 m0 d0 0
当量直径修正
1 2
0 d 0e d 0
1 2
湍流射流的扩散火焰长度
• 扩散火焰面稳定在α＝1的位置，CF＝CFmst
lL 1 0 L Re 0 d0 8 1 0 l L L Re 0 d 0 8
A 0 lT 11 1 V d0 F
lT 6 1 L0 d0
• 在喷口的端面上(x=0,0≤r≤d0/2)
u u0 , T T T0 T , CF CF ,O , COX COX , COX ,
圆形射流的守恒方程组及通解（4）
边界条件和物理条件
• 在远离喷口的截面上
u T T CF COX COX , 0
u,T,C在喷口处最大 X↑ u,T,C↓
1
圆形射流的守恒方程组及通解
• 层流圆形自由射流的速度、温度和浓度无因次参数ψ
u T T CF u0 T0 T CF ,O
8 x 1 Re d 0 0
1
1 r 8 x 1 2 1 d 0 Re 0 d 0
第六章 气体射流和扩散燃烧
刘雪玲
天津大学热能工程系
射流概念及分类
• 射流：气体从喷孔、管嘴或条缝向外喷射形成气流，
进入燃烧室。
• 射流形式： 直流射流
旋转射流
• 工程中常见的射流形式
圆孔自由射流 同轴射流 交叉射流 环状射流 受限射流
2
平行射流 旋转射流
逆向射流 扩散燃烧器（非预混） 部分预混器
• 燃烧器分类：
u (T T ) CF (COX COX , ) 0 r r r r
• 无因次参数的相似解
COX COX , u T T CF f x, r u0 T0 T CF ,O COX ,
圆形射流的守恒方程组及通解
1 2
lT 仅取决于燃料的性质 d0
层流射流的扩散火焰长度经验公式
层流自由射流扩散火焰长度
um Cm C 8 x 1 u0 C0 C Re 0 d 0
1
lL 1 0 L Re 0 d0 8 1 0 l L L Re 0 d 0 8
ms s 0.32 m0 d0
纯燃料质量 S面上的流体的 — 流量m (m ) 质量流量mS F 0 ＝ S面上净卷吸的 质量流量mA
湍流射流的扩散火焰长度
等温，常密度和湍流条件下，卷吸质量：
mA m ms m0 s 0.32 1 m0 m0 m0 d0
不等温条件下卷吸质量：
mA 0 （理论空气量） 令 L m F 湍流火焰长度lT mA s lT 0.32 1 C 1 L0 m0 d0 d0



0
1 2
非等温引射过程
S mA 0.32 1 mF d 0 0
• 对湍流圆形自由射流
1
x f d , 与Re无关 0
x r x 1 0.1254d 1 0.8165d 1 0.1254d 0 0 0
• 对层流圆形自由射流
8 x 1 Re d 0 0
气体燃料
1 2
lT C 1 L0 d0

A 0 lT C 1 V d0 F
湍流射流的扩散火焰长度经验公式
• 谢米金和冈瑟经验公式
A 0 lT 11 1 V d0 F
lT 6 1 L0 d0


0 P
扩散燃烧模型分析
• 燃烧室内燃料的平均扩散速度
浓度位差 Ck－0 W扩＝ ＝ 扩散时间 3
• 燃烧室内燃料的平均燃烧速度
浓度减少量 C0－Ck W燃＝ ＝ 停留时间 1
1 令 ＝ 3
Ck 1 1 C0 1 1 1
3
扩散燃烧分析模型
• 无量纲发热率（燃烧完全系数）
τ↑ q↑ 扩散燃烧室的φ－θ θ φ φ2
φ1

T
扩散燃烧分析
• 提高扩散燃烧稳定工作点的温度水平
燃料性质与初始浓度 一定 加强扩散混合的强度 减少混合扩散时间 关键： 提高完全燃烧 系数 旋转射流燃烧 分区分段燃烧 减小流速 增加燃料停留时间 横截面大的燃烧室 回流区或环流区
层流射流燃烧和湍流射流燃烧
T T r f f x, r Tm T R
• 平面射流的无因次关系
C C y f f x, y Cm C b
T T y f f x, y Tm T b
圆形射流的守恒方程组及通解（1）
射流自模化段 射流过渡段
两个区间的过渡段，无因次参数与x/d0无关
射流主体段： 过渡段＋自模段 射流扩散混合边界层： 初始段的射流核心～射流外边界区域
圆形自由射流速度和流量的变化
• M-射流的极点
• X小，截面小，u分布陡峭 • X↑，u平均值↓
x=0.6m x=0.8m x=1.0m x=1.2m x=1.6m
质量扩散作用 射流燃烧 燃料、空气混合 （扩散燃烧）
• 层流扩散－质量扩散以分子扩散的方式实现 • 湍流扩散－质量扩散不但以分子扩散的方式实 现，也依靠气团的无规则脉动（对流扩散）实 现的。
流出速度(雷诺数)对扩散火焰的影响
层流区 火 焰 的 长 度 过渡区 1 湍流区
2
喷孔流出速度u0
扩散火焰的结构（浓度分布）
CFm＝C化学恰当比，火焰面
• 层流圆形射流在轴心线上的燃料浓度
湍流射流的扩散火焰长度
整个过程动量守恒 m u const, x u
• 喷口流出流量： m0
.

4
d 02 0u0
• 轴向距离s处截面流量： ms


0
u 2rdr
x/d0>6
等温，常密度和湍流条件下 Re0>2.5×104
CFm 1 CF ,O 1 L0
Re 0
VF , O
u0 d 0


4 层流圆形射流： lL=f(L0,d0,Re0)
燃料种类确定： lL=f(VF,O)
d 02u0
wk.baidu.com
1 lL 2
L0 VF ,O
lL=f(L0/v,VF,O)
作业2： 圆形喷口向大气喷射出CO气体射流，喷口 直径d0=65mm，喷射速度u0=1.7m/s， CO 动力粘度为1.748×10-5kg/(m.s)，密度 3 0 1.25kg / m ，估算点燃以后喷口轴心线 上火焰长度为多少米。
1
x r x 1 0 . 1254 1 0 . 8165 1 0 . 1254 d0 d0 d 0
r=0 ，轴心线上的关系 衰减分布规律
x um Tm T C Fm x f 1 0.1254 u0 T0 T C F ,O d d 0 0
扩散火焰的结构
• 浓度分布 扩散火焰的焰形和长度
α＝1 α>1 α<1 火焰面最稳定 火焰面向轴心迁移 火焰面外移
有必要研究射流扩散混合过程的浓度分布规律
圆形自由射流的结构特征
• 三个特征分区
射流初始段
O-C-O射流核心，核心 内速度、浓度与出口相 同xp=(3.2~6.2) xT>(8~10)d0,无因次参数与x/d0无关
(COX COX , ) u (T T ) CF 0 r r r r
• 在射流轴心线上（r=0, 0≤x≤∞）
u um , T T Tm T , CF CFm , COX COX , COX ,m COX ,
u (T T ) CF (COX COX , ) 0 r r r r
u/um
• X大，截面大，u分布平缓
• u/um∝r/r0.5
圆形自由射流速度和流量的变化
• 圆形自由射流无因次关系
u u u r f f x, r u m u u m R
C C r f f x, r Cm C R
r=0，轴心线上的关系
um Tm T C Fm x 8 x f Re 0 , 1 u0 T0 T C F ,O d Re d 0 0 0
1
• 湍流圆形射流在轴心线上的燃料浓度 CF,m=f(x/d0) CF,m=f(x/d0，Re0)
• 基本守恒方程
连续方程
ru rv 0 x r
动量守恒方程
u u u ru rv ( T ) r x r r r
质量组分守恒方程 ru Ci rv Ci ( D D ) r Ci T
C0 Ck Ck 1 1 1 C0 C0 1 1

•无量纲内部换热率φ2
2
C p (T T0 ) qC0

CpE qRC0
0
RT E
无量纲温度
扩散燃烧分析模型
, 1
q , 2
•稳定工况 φ1 ＝φ2＝ φ
q Cp qC0 R T