旋转射流空气动力学分析

一、旋转射流的空气动力学特性

旋转射流在工程技术中得到广泛的应用，不仅是因为它有较大的射流扩张角，射程短，能在较窄的炉室深度中完成燃烧反应过程，而且在强旋流射流的内部形成了回流区，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，还从内回流区中卷吸介质，使大量高温烟气回流到火炬根部，保证燃料顺利着火和稳定燃烧。

1.1旋转射流的特征数—旋流数

研究表明，在自由旋转射流的任一截面上，其旋转动量矩M和轴向动量K 都是守恒的，即：

M——旋转射流对轴线的旋转动量矩；

K——轴向动量；

R——射流截面的半径；

——射流介质的密度；

p——射流任意截面上的静压；

Q——射流流量；

w、u——燃烧器内的平均切向速度和轴向速度；

——旋转气流的旋转半径。

这两个特征量反映了旋转射流的空气动力特性，故国内外都推荐采用以这两个量为基础组成的一个无因次准则来表征旋转射流的特性，称为旋转强度或旋流数，用字母表示。

L——燃烧器喷口的特征尺寸。

目前主流的旋流度定义方式有三种。第一种形式：

这种表达式为我国和前苏联所使用。

第二种形式：

第三种形式：

以上两种形式主要为西欧各国所使用。其中D为燃烧器出口直径。

1.2轴流式直叶片旋流器的旋流度计算

1.2.1几何结构旋流度S

关于旋流度的计算，《煤气设计手册》下册提出以下计算方法：当定性尺寸L取时，

（）

S——旋流强度；

R——旋流器叶片外侧圆半径；

R1——旋流器叶片内侧圆半径；

——叶片倾斜角；

n——叶片数；

c——相邻叶片出口处的平均间距；

——叶片厚度。

1.2.2实际旋流度S p

根据燃烧器的几何结构计算的旋流强度和实际的旋流强度是有差别的，一方面燃烧器的流道存在摩擦损失，另一方面由于中心回流区的存在使得出口的气流截面小于燃烧器的实际出口截面，故计算的出口截面速度将小于燃烧器实际出口速度。这样实际的旋流强度S p将小于几何结构参数决定的S值。

实际旋流强度的计算目前还没有成熟的理论依据，对于轴流式叶片旋流器，当旋流角度较小时，一般认为实际的旋流强度略低于几何旋流强度。

1.2.3综合旋流强度

工程中实际采用的燃烧器通常是将空气分为一、二、三次风，由此形成整个燃烧器的空气动力结构，故引入燃烧器的综合旋流强度的概念，即：

式中，下标1,2,…表示一、二、…次风；、表示某一通道的当量直径和当量面积；即

其中，D max和D0为旋流燃烧器最外通道直径和中心通道的直径。

1.2.4扩锥口对旋流强度的影响

由于具有扩锥，气流在扩锥出口处的轴向速度降低，而切向速度却并未降低

多少，即扩锥使切向速度和轴向速度之比增大，扩口对旋流强度起增强作用。用M 1、M 2和K 1和K 2分别表示扩锥前后的动量矩和轴向动量，则：

其中，D 1、D 2为扩锥进口和出口的直径。 由于旋转动量矩M 守恒，而

，整理可得：

即由于扩锥口的作用，扩锥出口的旋流强度大于扩锥前的旋流强度。 在研究喷口几何形状和旋转流的相互作用的过程中，观测到三种基本的流动类型，如图1所示。

图 1带有扩锥的旋转射流的基本形式

第一类：A 型，在旋流强度为零或较低时，环形空气流趋向于在喷管喉部附近从喷管表面分离。这种射流与无旋转的自由射流相似，并在位于燃烧器出口下游的某一位置产生脉动的火焰锋。

第二类：B 型，在中等旋流强度或高旋流强度时，空气流稳定地贴附到扩张型喷管壁面上，并包围着中心回流区，这种流动能够产生高度稳定的火焰，其着火点靠近喷管出口，甚至在扩张段的内部。这种流动形式通常是人们所希望得到的。

第三类：C

型，即径向贴壁射流。较大的扩口角和较短的扩口长度容易产生

附壁燃烧，这种流动的回流区尺寸加大了，适用于要求对巨大的吸热体表面进行高强度而又分布均匀的辐射加热炉。但附壁燃烧容易引起炉壁或喷口的磨损。

在A型和B型这两种流型之间流动的相对稳定性见图2所示。

图 2 A型和B型这两种流型之间的相对稳定性

图中提出的临界旋流度即建立B型流型所要求的最小旋流度，其数值是扩张型喷嘴半张角的函数，如图3所示。

图3临界旋流度作为喷管半张角的函数

二、环状旋流燃烧器的气流结构

与无中心管的自由旋转射流相比，环状旋转射流主要有以下特点。

（1）由于中心管的存在，使回流区更靠近燃烧器的出口。

（2）和无中心管旋转射流相比，环状旋转射流的回流区明显增大，如图4所示。

图4旋转射流回流区长度

（a）无中心管；（b）有中心管

（3）环状旋转射流和无中心管的自由旋转射流最大回流速度的比较如图5所示。

U max/U0

图5旋转射流的最大回流速度

1——自由射流；2——环状射流

对环状旋转射流来说，中心回流区的最大回流量可以近似表示为：

式中K为实验常数，K=0.073。

（4）环状射流的轴向速度衰减更快，具有更大的扩张角，容易产生飞边现象。

三、共轴双旋流燃烧器的空气动力特性

大多数的旋流器都由多层共轴的环状旋转射流共同组成，双旋流燃烧器的流动情况如图6所示。

图6共轴射流流动示意图

1—一次风旋流器；2—二次风旋流器；3—回流区；4—卷吸外界气体；4—轴向速度分布；

6—切向速度分布；7—反向流动区边界；8—回流区边界

在两股强旋转射流的作用下，形成强大的中心回流区和外围回流区两个回流区。这种共轴旋流由不同旋流强度的两股环状旋转射流所组成，它们的旋转方向可以同向，也可以是异向。

根据实验数据回归的共轴旋转射流各参数关系式可供定性分析参考。

流程：

回流区宽度：

回流区长度：

回流量

外边界宽度：