第六章气体射流与扩散燃烧
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第6章 空气射流及燃料燃烧时的热质交换原理与设备 热质交换原理与设备 教学课件
成。 油喷嘴：机械雾化油喷嘴、气流雾化油喷嘴、联合雾化油喷
嘴。 配风器：旋流式配风器、直流式配风器。
第四节 气体燃烧器
1）.扩散式燃烧器 按照扩散式燃烧方法设计制作，一次空气系数=0。 分为自然引风式扩散燃烧（多为民用）、强制鼓风式扩散燃烧（多
用于工业）。 2）.大气式燃烧器 按照部分预混式燃烧方法设计制作，一次空气系
侧送风口 散流器 孔板送风口 喷射式送风口 旋转送风口
双百叶风口
单百叶风口
散流器
球形风口
地板送风口
旋流风口
高效送风口
回风口空气流动规律和回风口形式 ➢ 回风口处流线向回风口集中形成点汇。 ➢ 回风口的构造比较简单，类型不多。 ➢ 回风口的形状和位置根据气流要求而定。
回风口
2、液体燃料的燃烧方法 ➢ 液面燃烧 ➢ 灯芯燃烧 ➢ 蒸发燃烧 ➢ 喷雾燃烧 雾化过程是喷雾燃烧的最初的重要阶段。通常采用的雾化方法有： ➢ 使液体燃料从喷嘴高速喷出 ➢ 使燃料做回转运动，然后从孔口以液膜状态喷出 ➢ 以空气或蒸汽等气体为喷雾的媒介将液体燃烧雾化 ➢ 从旋转的圆板或杯子的外围以离心力将液体燃料甩出和分散
第二节 燃料燃烧时的热质交换
燃料的种类通常分为气体、液体和固体。 燃料的燃烧包括固体燃料、液体燃料和气体燃料的燃烧。 1、气体燃料的燃烧方法 ➢ 容器内燃烧 ➢ 燃烧器燃烧 根Байду номын сангаас一次燃烧系数的不同，气体燃烧可分为三种： ➢ 扩散式燃烧 ➢ 部分预混式燃烧 ➢ 完全预混式燃烧
燃烧强化的几种途径： ➢ 改善气流相遇条件 ➢ 加强紊动 ➢ 预热燃气和空气 ➢ 烟气再循环 ➢ 应用旋转汽化
数介于0-1，又称引射式预混燃烧器。由头部和引射器组成。 按火孔数量分：单火孔、多火孔 按头部形状分：环形燃烧器、棒形燃烧器、星形燃烧器和管排燃烧
嘴。 配风器：旋流式配风器、直流式配风器。
第四节 气体燃烧器
1）.扩散式燃烧器 按照扩散式燃烧方法设计制作，一次空气系数=0。 分为自然引风式扩散燃烧（多为民用）、强制鼓风式扩散燃烧（多
用于工业）。 2）.大气式燃烧器 按照部分预混式燃烧方法设计制作，一次空气系
侧送风口 散流器 孔板送风口 喷射式送风口 旋转送风口
双百叶风口
单百叶风口
散流器
球形风口
地板送风口
旋流风口
高效送风口
回风口空气流动规律和回风口形式 ➢ 回风口处流线向回风口集中形成点汇。 ➢ 回风口的构造比较简单，类型不多。 ➢ 回风口的形状和位置根据气流要求而定。
回风口
2、液体燃料的燃烧方法 ➢ 液面燃烧 ➢ 灯芯燃烧 ➢ 蒸发燃烧 ➢ 喷雾燃烧 雾化过程是喷雾燃烧的最初的重要阶段。通常采用的雾化方法有： ➢ 使液体燃料从喷嘴高速喷出 ➢ 使燃料做回转运动，然后从孔口以液膜状态喷出 ➢ 以空气或蒸汽等气体为喷雾的媒介将液体燃烧雾化 ➢ 从旋转的圆板或杯子的外围以离心力将液体燃料甩出和分散
第二节 燃料燃烧时的热质交换
燃料的种类通常分为气体、液体和固体。 燃料的燃烧包括固体燃料、液体燃料和气体燃料的燃烧。 1、气体燃料的燃烧方法 ➢ 容器内燃烧 ➢ 燃烧器燃烧 根Байду номын сангаас一次燃烧系数的不同，气体燃烧可分为三种： ➢ 扩散式燃烧 ➢ 部分预混式燃烧 ➢ 完全预混式燃烧
燃烧强化的几种途径： ➢ 改善气流相遇条件 ➢ 加强紊动 ➢ 预热燃气和空气 ➢ 烟气再循环 ➢ 应用旋转汽化
数介于0-1，又称引射式预混燃烧器。由头部和引射器组成。 按火孔数量分：单火孔、多火孔 按头部形状分：环形燃烧器、棒形燃烧器、星形燃烧器和管排燃烧
《流体力学》第六章气体射流ppt课件
1
6.8
as r0
11.56
as r0 as r0
2
1 0 .4 3 a s
v1 v0
1
b0 2 .4 4 a s
b0
段
质量平均 v 2
流速
v2 v0
10.76as r0
1
2
1.32
as r0
v2 v0
1
1 0.43 as
b0
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27
段名 参数名称 符号 圆断面射流
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14
Bn和Cn值
n
1
1.5
2
2.5
3
Bn 0.0985 0.064 0.0464 0.0359 0.0286
Cn 0.3845 0.3065 0.2585 0.2256 0.2015
Bn
1
(
v
)nd
0 vm
Cn
1
(
v
)n d
0 vm
rR02vvm 0 22B220.0464
v 3.28 r m
ppt精选版
17
射流参数的计算
段 名
参数名称
符号
圆断面射流
平面射流
主 扩散角 α tg3.4a tg2.44a
体
段 射流直径 或半高度
D b
D d0
6.8
as d0
0.147
b b0
2.44
as b0
0.41
ppt精选版
18
段名 参数名称 轴心速度
主
流量
体 断面平均 流速
段 质量平均 流速
符号
vm
Q
圆断面射流
热动燃烧学第06章 扩散火焰
7
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
• 层流射流扩散火焰任意横断面的火焰结构（即 断面速度\浓度\温度分布）
– 射流轴线上燃料浓度最大，沿径向逐渐下降，至火 焰前沿面处燃料浓度为0 – 环境处氧化剂浓度最大沿着轴向逐渐下降，至火焰 前沿处氧化剂浓度为0 – 火焰前沿是反应中心，温度最高，为燃料的理论燃 烧温度
u
YF
T
YOX
d0
8
• 实际射流扩散火焰：
3 2 2 u0 d 0 2
(17)
(18)
umb 2 x 12
• 层流的运动粘性系数 可以忽略不计
• 根据普朗特混合长度理论，湍流运动粘度为： T =l2u/r • 这里u/r = - um /b，假定混合长度l与射流宽度2b成正 比，则： T = c um b （19） • 对于圆柱形射流有c=0.0128 1 8 u u d • (17)(18)之间消去b得： x • 将上式积分，利用初始条件，x =0, um =u0, 整理后得到 1 轴向最大速度为： u m 3 x
燃料侧不存在氧气，在氧气侧不存在燃料
d0
– 火焰前沿表面对燃料和氧化剂都是不可渗透的，在
5
u
T YF
YOX
u
YF
T
YOX
d0
d0
自由射流
自由射流扩散火焰
6
• 层流扩散火焰前沿位臵必定在化学当量比处：
• 理想情况下，火焰面上不可能有过剩空气，也不可能
有过剩燃料，否则火焰前沿位臵将不可能稳定
– 假定在火焰前沿有过剩燃料：
15
f
1.0
(TT )/(T mT ) u/um YF/YFm
e
0.5 0
第六章 气体射流要点
(1) 夏天向热车间吹送冷空气以降温；冬天向工作 区吹送热空气以取暖等属于温差射流的例子。
(2) 向含尘浓度高的车间吹送清洁空气以改善工作
环境；向高温火焰炉内喷吹燃料和助燃空气等属于浓 差射流的例子。
温差或浓差射流分析，主要 是研究温差或浓差场的分布规律， 同时讨论由温差或浓差引起的射 流弯曲的轴心轨迹。
第六章
气体射流
气体自孔口﹑管嘴或条缝向外喷射所形成的 流动，称为气体淹没射流，简称气体射流。当出
口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射
流。 射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和 喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。
第六章
气体射流
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流
主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。 后者仅讨论出口断面的流速和流量。 出流空间大小，对射流的流动影响很大。出
流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，
为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间 射流
射流的分类方法：
1.按射流流体的流动状态不同，可分为层流射流 和紊流射流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷诺 数大于30以后即为紊流射流。 2.按射流流体的流动速度大小不同，可分为亚音 速射流和超音速射流。
3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动
—湍流系数，由实验决定，是表示射流 流动结构的特征系数。 湍流系数与喷口断面的湍流强度 和速度分 布均匀性有关。
a
（三） 射流边界层的运动特征
图6-2 主体段速度分布图
图6-3 起始段速度分布
y 1 m R
1.5 2
1
(三)、射流轴线的弯曲
温差射流或浓差射流的密度与周围流体介质的密度不同， 致使作用于射流质点上的重力与浮力不平衡，造成整个射流 向上或向下弯曲，如图9-6所示。但这时整个射流仍可看作是 对称于轴线的，因此，只要了解射流轴线的弯曲情况，便可知 道整个射流的弯曲情况。一般热射流和含轻密度物质的射流 向上弯曲；而冷射流和含重密度物质的射流向下弯曲。
(2) 向含尘浓度高的车间吹送清洁空气以改善工作
环境；向高温火焰炉内喷吹燃料和助燃空气等属于浓 差射流的例子。
温差或浓差射流分析，主要 是研究温差或浓差场的分布规律， 同时讨论由温差或浓差引起的射 流弯曲的轴心轨迹。
第六章
气体射流
气体自孔口﹑管嘴或条缝向外喷射所形成的 流动，称为气体淹没射流，简称气体射流。当出
口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射
流。 射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和 喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。
第六章
气体射流
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流
主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。 后者仅讨论出口断面的流速和流量。 出流空间大小，对射流的流动影响很大。出
流到无限大空间中，流动不受固体边壁的限制，
为无限空间射流，又自由射流。反之为有限空间 射流
射流的分类方法：
1.按射流流体的流动状态不同，可分为层流射流 和紊流射流。一般按喷口直径和出口流速计算的雷诺 数大于30以后即为紊流射流。 2.按射流流体的流动速度大小不同，可分为亚音 速射流和超音速射流。
3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动
—湍流系数，由实验决定，是表示射流 流动结构的特征系数。 湍流系数与喷口断面的湍流强度 和速度分 布均匀性有关。
a
（三） 射流边界层的运动特征
图6-2 主体段速度分布图
图6-3 起始段速度分布
y 1 m R
1.5 2
1
(三)、射流轴线的弯曲
温差射流或浓差射流的密度与周围流体介质的密度不同， 致使作用于射流质点上的重力与浮力不平衡，造成整个射流 向上或向下弯曲，如图9-6所示。但这时整个射流仍可看作是 对称于轴线的，因此，只要了解射流轴线的弯曲情况，便可知 道整个射流的弯曲情况。一般热射流和含轻密度物质的射流 向上弯曲；而冷射流和含重密度物质的射流向下弯曲。
第六章 气体射流PPT课件
概述
横向动量交换，旋 涡的出现，使之质量交换， 热量交换，浓度交换。而 在这些交换中，由于热量 扩散比动量扩散要快些， 因此温度边界层比速度边 界层发展要快些厚些，如 图 6 一 6a 所示。实线 为速度边界层，虚线为温 度边界层的内外界线。
研究内容
浓度扩散与温度相似。在实 际应用中，为了简化起见，可以 认为，温度、浓度内外的边界与 速度内外的边界相同。于是参数 R 、 Q 、 vm 、 v1、 v2等可 使用前两节所述公式，仅对轴心 温差 △ Tm ，平均温差等沿射程 的变化规律进行讨论。
r0
r0
2、运动特征
轴心速度 最大，从轴心 向边界层边缘， 速度逐渐减小 至零。
距喷嘴距 离越远边界层 厚度越大，而 轴心速度则越 小，也就是速 度分布曲线不 断地扁平化了。
各参数定义
射流各截面上速度分布的 相似性。
3、动力特征
射流中任意点上的静压强均等于 周围气体的压强，即p=0。
各面上所受静压强均相等，x 轴 向外力之和为零。
为②边界层。 显然，射流边界层一方面不断地
向外扩散，带动周围介质进人边界层， 另一方面向射流中心扩展。
只有轴心点上速度为 u0的射流断
面 称为③ 过渡断面或转折断面。
以过渡断面分界，出口断面至 过渡断面称为射流④ 起始段。过 渡断面以后称为射流⑤ 主体段。
起始段射流轴心上速度都为
u0 ，而主体段轴心速度沿 x 方
三、紊流射流的特征
1、几何特征
射流半径和从极点起算的距离成正比， 即 BO =Kx。
扩散角α为一定值，其正切值
式中 K ― 试验系数，对圆断面射流 K=3.4a。
a ― 紊流系数，由实验决定，是表 示射流流动结构的特征系数。
流体力学课件6气体射流
状态方程
总结词
描述气体在不同状态下的物理属性。
详细描述
状态方程是描述气体在不同压力、温度和密 度下的物理属性的关系式。在气体射流中， 状态方程可以用于计算气体的密度、压力和 温度等物理量，进而用于求解其他方程。
04
气体射流的数值模拟方法
有限差分法
有限差分法是一种基于离散化的数值方法，通过将连续的 物理量离散化为有限个离散点上的数值，并建立差分方程 来求解物理量的变化规律。
特性
气体射流具有方向性、扩散性和扰动 性等特性，这些特性决定了气体射流 的运动规律和作用效果。
分类与形式
分类
根据不同的分类标准，气体射流可以分为多种类型，如按流 动形态可分为自由射流、受限射流和冲击射流等；按气体性 质可分为可压缩气体射流和不可压缩气体射流等。
形式
气体射流的形式多样，常见的有喷嘴射流、燃烧室射流、透 平射流等，这些形式的应用范围和作用效果各不相同。
随着气体射流远离喷口，压力逐渐减小，这是由于气体流动过程中能量损失导致 的。
温度分布与变化
温度分布
气体射流中的温度分布与压力分布类 似，中心区域温度较高，边缘区域温 度较低。
温度变化
射流过程中，由于气体与周围介质之 间的热量交换，温度会发生变化。通 常情况下，射流会逐渐冷却。
密度分布与变化
密度分布
射流的基本方程
01
02
03
连续性方程
描述了气体射流中质量守 恒的规律，即流入和流出 射流区域的质量流量相等 。
动量方程
描述了气体射流中动量守 恒的规律，即流入和流出 射流区域的动量流量相等 。
能量方程
描述了气体射流中能量守 恒的规律，即流入和流出 射流区域的能量流量相等 。
燃烧理论第六讲燃烧方法知识讲解
显然，当燃烧过程在动力区进行时，燃烧速度将受化学动 力学因素的控制，例如反应物的活化能、温度和压力等。 若燃烧过程在扩散区进行，则燃烧速度将取决于流体动力 学的一些因素，例如气流速度和气体流动过程中所遇到的 物体的尺寸、形状等。
在中间区，τph≈τch。情况较为复杂。
为此，将燃烧分为扩散燃烧和预混（部分预混和全预混） 燃烧。
本生燃烧器示意图
层流时，沿管道横截面上气体的速 度按抛物线分布。截面上任一点的 气流法向分速度均等于法向火焰传 播速度，故火焰能稳定在该点。另 一方面，该点还有一个切向分速度， 在焰面上不断进行着下面质点对上 面质点的点火。
在火焰根部，靠近壁面处气流速度 逐渐减小，火焰传播速度因管壁散 热也减小了。可以肯定，必定存在
为了增加燃气火焰的辐射能力，曾有人试验过在气体燃料 中加入一些液体燃料的燃烧方法。图示为国际火焰基金会 的研究结果。
加入重油对辐射率的影响
A—重油100% B—重油40% C—重油20% D—重油10% E—重油0%
三、部分预混层流火焰
1855年本生创造出一种燃烧器，燃烧 前预先混入一部分燃烧所需空气，火 焰变得清洁，燃烧得以强化。习惯上 又称大气式燃烧。
层流扩散火焰结构
1—外侧混合区；2—内侧混合区；Cg—燃气 浓度；Ccp—燃烧产物浓度；CO2—氧气浓度
层流扩散火焰的相似
利用相似关系来讨论层流扩散火焰的基本规律
管l和管2两个相似的扩散燃烧装置 ，燃气和空气之间的扩 散率(即单位时间从空气中扩散到燃气中去的氧气量)应当 与浓度梯度成正比：
碳粒燃烧经历吸附——反应——解析的过程xC ຫໍສະໝຸດ 1 2yO2
CxOy
CxOy mCO+nCO2
在中间区，τph≈τch。情况较为复杂。
为此，将燃烧分为扩散燃烧和预混（部分预混和全预混） 燃烧。
本生燃烧器示意图
层流时，沿管道横截面上气体的速 度按抛物线分布。截面上任一点的 气流法向分速度均等于法向火焰传 播速度，故火焰能稳定在该点。另 一方面，该点还有一个切向分速度， 在焰面上不断进行着下面质点对上 面质点的点火。
在火焰根部，靠近壁面处气流速度 逐渐减小，火焰传播速度因管壁散 热也减小了。可以肯定，必定存在
为了增加燃气火焰的辐射能力，曾有人试验过在气体燃料 中加入一些液体燃料的燃烧方法。图示为国际火焰基金会 的研究结果。
加入重油对辐射率的影响
A—重油100% B—重油40% C—重油20% D—重油10% E—重油0%
三、部分预混层流火焰
1855年本生创造出一种燃烧器，燃烧 前预先混入一部分燃烧所需空气，火 焰变得清洁，燃烧得以强化。习惯上 又称大气式燃烧。
层流扩散火焰结构
1—外侧混合区；2—内侧混合区；Cg—燃气 浓度；Ccp—燃烧产物浓度；CO2—氧气浓度
层流扩散火焰的相似
利用相似关系来讨论层流扩散火焰的基本规律
管l和管2两个相似的扩散燃烧装置 ，燃气和空气之间的扩 散率(即单位时间从空气中扩散到燃气中去的氧气量)应当 与浓度梯度成正比：
碳粒燃烧经历吸附——反应——解析的过程xC ຫໍສະໝຸດ 1 2yO2
CxOy
CxOy mCO+nCO2
6章 传热及气体射流基本知识
射流与周围介质的湍流动量交换， 射流与周围介质的湍流动量交换， 周围空气不断地被入， 周围空气不断地被卷入， 射流断面不断扩大， 射流断面不断扩大， 因而射流速度场向边界、 因而射流速度场向边界、沿射程不断衰减 流量沿程增加，射流直径加大， 流量沿程增加，射流直径加大， 但各断面的总动量保持不变。 但各断面的总动量保持不变。 将射流轴心速度保持不变的一段长度称为起始段， 将射流轴心速度保持不变的一段长度称为起始段， 起始段 其后称为主体段 空调工程中常用的射流段为主体段。 主体段， 其后称为主体段，空调工程中常用的射流段为主体段。
T 2 T 2 q = C 1 − 2 12 100 100
W 2 /m
是相当辐射系数。一般在0 5.67之间。 是相当辐射系数。一般在0-5.67之间。 之间
C 12
§6.2 传热过程 工程中，当辐射换热不是主要因素时，一般都 工程中，当辐射换热不是主要因素时， 把辐射换热量折算成对流换热量， 把辐射换热量折算成对流换热量，相应地加大 换热系数来考虑辐射的因素。称为总换热系数。 换热系数来考虑辐射的因素。称为总换热系数。 传热量： 传热量：
固体和液体可以认为: 固体和液体可以认为:
τ = 0, α + ρ = 1
能全部吸收辐射能的物体称为黑体。 能全部吸收辐射能的物体称为黑体。 黑体表面的辐射能力为： 黑体表面的辐射能力为：
E0 =C T4 0 C =5.67×108 W 2 ⋅ K4 /m 0
上式称为斯蒂芬-波尔兹曼定律，又称四次方定律。 上式称为斯蒂芬-波尔兹曼定律，又称四次方定律。 一般物体表面的辐射能力： 一般物体表面的辐射能力：
T E =C 100
4
T E =εC =εE0 0 100
第六章-气体射流要点上课讲义
3.按射流流体在充满静止流体的空间内扩散流动 的过程中，是否受到某固体边界的约束，可分为自由 射流、半限制射流和限制射流。
4.按射流流体在扩散流动过程中是否旋转，可分 为旋转射流和非旋转射流。
5.按射流管嘴出口截面形状不同，可分为圆形射 流(又称轴对称射流)、矩形射流、条缝射流(可按平 面射流处理)、环状射流和同心射流等。
第六章 气体射流
气体自孔口﹑管嘴或条缝向外喷射所形成的 流动，称为气体淹没射流，简称气体射流。当出 口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射 流。
射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和 喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。
第六章 气体射流
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流 主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。 后者仅讨论出口断面的流速和流量。
由于工程上常见的射流一般都是紊流射流，所以 本章主要讨论紊流射流的特征和机理。
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征 §6.2 圆断面射流的运动分析 §6.3 平面射流 §6.4 温差射流与浓差射流 §6.6 有限空间射流
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同 ，射流主要研究的是出流后的流速场、 温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面 的流速和流量。
（一）射流场的形成与结构
--极角或扩散角
速度为u0的 部分称为核 心区；其余 部分称为边 界层。
过度断面：只 有轴心速度为 u0的断面。
图6-1 自由射流的流场结构特征
起始段
主体段
y
射流 极点
转折截面
喷管 出口
v0
r0
射流核 心区
x0
Sn
v0 内边界面
S
x
射流边界层
4.按射流流体在扩散流动过程中是否旋转，可分 为旋转射流和非旋转射流。
5.按射流管嘴出口截面形状不同，可分为圆形射 流(又称轴对称射流)、矩形射流、条缝射流(可按平 面射流处理)、环状射流和同心射流等。
第六章 气体射流
气体自孔口﹑管嘴或条缝向外喷射所形成的 流动，称为气体淹没射流，简称气体射流。当出 口速度较大，流动呈现紊流状态时，叫做紊流射 流。
射流在水泵、蒸汽泵、通风机、化工设备和 喷气式飞机等许多技术领域得到广泛应用。
第六章 气体射流
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同，射流 主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度场。 后者仅讨论出口断面的流速和流量。
由于工程上常见的射流一般都是紊流射流，所以 本章主要讨论紊流射流的特征和机理。
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征 §6.2 圆断面射流的运动分析 §6.3 平面射流 §6.4 温差射流与浓差射流 §6.6 有限空间射流
§6.1 无限空间淹没紊流射流的特征
射流与孔口管嘴出流的研究对象不同 ，射流主要研究的是出流后的流速场、 温度场和浓度场。后者仅讨论出口断面 的流速和流量。
（一）射流场的形成与结构
--极角或扩散角
速度为u0的 部分称为核 心区；其余 部分称为边 界层。
过度断面：只 有轴心速度为 u0的断面。
图6-1 自由射流的流场结构特征
起始段
主体段
y
射流 极点
转折截面
喷管 出口
v0
r0
射流核 心区
x0
Sn
v0 内边界面
S
x
射流边界层
燃烧学讲义-第6章气体燃料的燃烧
w'
uce
ut A = 1+ t uce a
ut a+ A a t … … uce ∝ … … = ∴ uce a τrj
At：湍动输运所引起的折算热扩散率
A t a时，有 ut = uce
A t （一般情况下 A t a
当
a）
A ut t ∝ Re = Re 若流体为管内流动， 若流体为管内流动，一般认为 uce a
uce
ut uce
18
一、湍流传播的理论 一、湍流传播的理论
表面燃烧理论（舍谢尔金）
火焰面是层流型的， 火焰面是层流型的 ， 湍流脉动在一定空间内使燃烧 面弯曲、皱折，乃至破裂， 小岛”状的封闭小块， 面弯曲、 皱折 ，乃至破裂， 成“小岛”状的封闭小块， 这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。 这样增大了燃烧面积，从而增大了燃烧速度。
2Qwm RT 2 a 2Q a lr uce = wmdT = ∴ T −T0 λ ∫ ρCp (Tlr −T0 )2 E lr B
10
燃尽时间：τrj =
ρCp (Tlr −T0 )
wmQ
uce ∝
a
τrj
火焰锋面厚度δ及可燃混合物升温预热区厚度 火焰锋面厚度 及可燃混合物升温预热区厚度S
RT 2 S定义为 T = Tlr − lr 点做 T = 定义为在 定义为 E
2
火焰传播的形式
缓燃（ 正常传播） 缓燃 （ 正常传播 ） ：火焰锋面以导热和 对流的方式传热给可燃混合物引起的火 焰传播， 也可能有辐射（ 煤粉） 焰传播 ， 也可能有辐射 （ 煤粉 ） 。 传播 速度较低（ 速度较低（1~3m/s），传播过程稳定。 m/s） 传播过程稳定。 爆燃：绝热压缩引起的火焰传播 ， 爆燃 ：绝热压缩引起的火焰传播， 是依 靠激波的压缩作用使未燃混合气的温度 升高而引起化学反应， 升高而引起化学反应 ， 从而使燃烧波不 断向未燃气推进，传播速度大于 1000m/s。 1000m/s。
第6章气体射流正式
48
6· 4
温差或浓差射流
一、概述
2、温差、浓差射流的特点： 速度边界层
温度边界层
49
6· 4
温差或浓差射流
一、概述
3、符号的约定（以下标e表示周围气体的符号）：
50
6· 4
温差或浓差射流
一、概述
4、实验得出温差、浓差、速度分布关系
温差分布线
同绘在一个无因次坐标 上，无因次温差分布线， 在无因次速度分布线的 外部
22
送、回风的形式与特点（一）上送
23
送、回风的形式与特点（一）上送
24
送、回风的形式与特点（一）上送
25
送、回风的形式与特点（二）中送
26
风口
（二）类型
27
风口
（二）类型
百叶风口
28
风口
（二）类型
散流器
29
风口
（二）类型
散流器
30
风口
（二）类型
散流器
31
风口
（二）类型：条缝风口
第6章 气体射流
1
射流的应用
• 空调通风和除尘工程中的空气淋浴、空气帷幕、 室内气流组织的设计；工程燃烧及旋流送风， 污水经排污口出流后对水体的污染和处理，烟 尘和废气的扩散和对环境的污染，高速射流在 水力采矿和岩土破碎中的应用和在冶炼工艺中 的应用等。射流的应用是十分广泛。
2
综述
气体自孔口、管嘴或条缝向外喷射所形成的流动，简称 为气体射流。当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊 流射流。在釆暖通风工程上所应用的射流，多为气体紊流射 流。 射流与孔口管嘴出流的研究对象不同。射流讨论的是出 流后的流速场、温度场和浓度场；孔口管嘴仅讨论出口断面 的流速和流量。 出流空间大小，对射流的流动有很大影响。出流到无限 太空间中，流动不受固体边壁的限制，为无限空间射流，又 称自由射流。反之，为有限空间射流，又称受限射流，
第六章 可燃气体扩散燃烧
6.4.2 扩散火焰与动力火焰
图6 - 8 动力火焰逐渐转化为扩散火焰的过程
6.4.2 扩散火焰与动力火焰
表6 - 2 空气中各种火焰的临界雷诺数
6.4.2 扩散火焰与动力火焰
图6 - 9 火焰的形状及高度随射流速度增加时的变化
6.5 湍流扩散火焰
(1)初始射流动量通量与作用在火焰上方的力之比，即火焰的傅鲁特(Froude) 数。 (2)喷管内流体密度与环境气体密度之比。 (3)初始射流直径。 (4)成分组成为化学当量比时，燃料的质量分数。
6.5 湍流扩散火焰
火焰的傅鲁特数定义如下：
（6-67）
6.2.1 层流射流模型
6.2.2 层流射流求解
图6 - 3 层流射流 a)原始轴向速度分布 b)自相似轴向速度分布 c)自相似径向速度分布
6.2.2 层流射流求解
6.2.2 层流射流求解
(6-9) (6-10)
(6-11)
(6-12)
(6-13)
6.2.2 层流射流求解
(6-14) (6-15)
(6-16)
(6-17)
(6-18)
6.2.2 层流射流求解
(6-19) (6-20)
(6-21)
(6-22)
(6-23)
6.2.2 层流射流求解
(6-24) (6-25)
(6-26)
(6-27)
(6-28)
6.2.2 层流射流求解
(6-29) (6-30)
(6-31)
(6-32)
(6-33)
6.2.3 射流参数
1.中心轴线速度 2.扩张率和扩张角 3.卷吸量
1.中心轴线速度
(6-34) (6-35)
(6-36a)
第六章 气体射流(第二次)ppt课件
e Tm
d
m Te
y
A
xtg
x
e 1 Tm 1 Tm Te Tm Tm T0
m
Te
Te
Te T0 Te
y
e g
A
m g
x
22
m 0.48 0 as 0.147
d0
Tm T0
as
0.35 0.147
d0
Tm 0.35 m 0.73m
在实际应用中,为简化起见,可以认为:温度、浓度内外的边界与速度内外的边界相同。
17
试验得出：截面上温度分布、浓度分布与速
度分布关系如下：
T m Tm
截面上任一点温差 T T Te
轴心上温差 Tm Tm Te
y / y0.5vm
T 1 ( y )1.5
穷究于理，成就与工
流体力学
北方民族大学化工学院
1
内容回顾
核心问题1： 射流的分类
当出口速度较大，流动呈紊流状态时，叫做紊流射 流。
在空调通风工程上所应用的射流，多为气体紊流射 流。
射流主要研究的是出流后的流速场、温度场和浓度 场。
射流分无限空间射流（自由射流）和有限空间射流 （受限射流）。
0 Te
0 Te
dt mdt
将m
ds dt
代入，积分，并与实验数据对比后得：
y ' gT0 (0.51 a s3 0.35s2 )
02Te
2r0
记在表6-4上
24
用喷嘴直径除之，得无因次轨迹方程为：
y x tg Ar( x )2(0.51 ax 0.35)
2020燃烧爆炸基础-6-射流扩散火焰
• (20)(21)代入(14)中，得到任意位置的轴向射流速度
vx v0
vx,m v0
1
r b
1 8
3c 2
x d0
1
1
2 3
r d0
1
例如
转炉吹氧 E
D 高炉喷吹
5
• 气体燃料射流扩散燃烧的分类:
• 射向空间情况
– 自由射流火焰 \ 受限射流火焰
• 喷嘴气流结构
– 直喷射流火焰 \ 旋转射流火焰
• 喷嘴之间的几何关系
导向
叶片
– 平行射流火焰 \ 相交射流火焰
– 环形射流火焰 \ 同轴射流火焰
• 按照喷嘴几何形状
– 平面射流火焰 \ 圆柱射流火焰
x d0
1
2b d0
=
3 x
6 1 8
c 2
d0
(21)
• (20)(21)代入(15)，得到卷吸速度
(22)
2
1
1
vr,b = b vx.m 4bc
v0 6 x
3
3
3 x
2
1
8
c 2
d0
= 4bc 3
3 2
6d0 2b
1
8
3 x
c 2
d0
3 x
=2c1 8
c 2
d0
。
本生灯扩散火焰 本生灯双层火焰
扩散火焰：关闭空气吸入口的本生灯火焰，燃料流随着 喷流带离喷口至远处，再向外扩散与外界氧化物燃烧反 应，扩散火焰通常形成于对流流动微弱区域，因此，火 焰长度长且易受外在干扰而摇曳摆动
3
• 射流扩散火焰 • 射流扩散火焰：
– 从管口喷出的气体燃料的火炬火焰燃烧 – 天然气管道泄露引起的灾害性火焰燃烧 – 开口油池表面燃烧 – 发动机中的射流燃烧
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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：
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）
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
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
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
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
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：
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）
• 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 ,ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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）
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 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
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
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
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
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
• 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
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
• 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
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
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
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
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
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
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。