燃烧学射流混合过程
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燃烧学第二章
湍流脉动相关性
图2-3 相关系数的实Hale Waihona Puke 结果a) Re的关系 b)
y的关系
3.湍流混合与热、质传递中的基本动力学特性参数
(1)动量传递中的特征参数 (2)热、质传递中的特征参数
二、湍流的数学描写——雷诺方程组
1.粘性不可压缩流体运动的基本方程 2.时均运动方程组——雷诺方程组
1.粘性不可压缩流体运动的基本方程
2)湍流能量的不断产生和耗散是流体湍流运动的两个最基 本的特征过程。
图2-2 湍流脉动相关性示意图
2.速度脉动w′的特性
(1)速度脉动w′的时均值(即w′对时间的平均值)为0 (2)速度脉动的时均方根不等于0 (3)湍流脉动相关性 在湍流流场中，任意两点的脉动 量之间存在着统计意义上的相关关系。
(1)射流极点 射流外边界线的汇合点称为射流极点。
图2-7 湍流自由射流结构尺寸和速度分布示意图
(4)混合边界层厚度R［或b，用R(b)表示，以下同］
1)对射流基本段，有 ① 收缩良好是指喷口处速度分布均匀，即最大速度w max与平均速度w1的比为1。 ② 普通直喷口是指喷口出口速度分布均匀性差，即 最大速度wmax与平均速度w1的比为1.25。 2)射流初始段的射流核心区存在如下几何关系，即
表2-2 动量、热量、质量传递的比拟关系
二、热量交换和质量交换的比拟
1.对流传质的努塞尔数准则方程 2.颗粒在静止空间中对流传质的特性
1.对流传质的努塞尔数准则方程
0205.TIF
1.对流传质的努塞尔数准则方程
表2-3 受迫对流传质公式中的实验系数c和n
2.颗粒在静止空间中对流传质的特性
0206.TIF
1.不等温伴随流射流的动量差积分守恒条件 2.小温差不等温伴随流射流焓差及浓度差积分守恒条件 3.等温伴随流射流的积分守恒条件
燃烧与燃烧(第三篇 第七章)
0 v 0 sin
2 2
• 微元段弯曲流动产生的离心力为 （kg） • 式中，Cn为气体阻力系数，R为微元段轴线的曲率 半径
R
0 S n ds
U
2
• 微元段沿R方向的受力平衡关系式为：
C n zds 1 2
0 v sin 0 S n ds
2 0 2
U R
2
参考左图得：
Gc
和
Ga
——分别为中心和环状射流的动量流率。
旋转射流
• 从流场特征看，旋转射流兼有旋转紊流运动、自由射流及 尾流的特点，是三种运动的组合。
• 一、旋涡现象，自由涡和固体涡
• 自由旋涡的特点是：1）切线速度与半径成反比，即越靠 近涡心，切线速度越快；2）流线虽然是同心圆，但各流 体微团并没有绕其自身轴线的自转运动，也就是说，自由 旋涡是一种“无旋”圆周运动。（证明）
mf m0 (0 .3 2 0 .8 s ) x d
烧嘴喷头的几何形状也对 旋转射流的流场结构有一定影 响。
左图是同样旋流强度下， 收缩形和扩张形喷头对速度分 布及回流区位置的影响。从图 中可以看出，扩张形喷头能使 回流区显著增大。实验发现， 扩张管的最佳半角约为35 °， 长度L=(1~2)d，其中d为烧嘴喷 头的喉部直径。
• 射流的扩展，轴心速度的衰减，势核的长度等，都和射流 与外围气流之间的速度梯度有关。
• 外围气流速度us由0逐渐变大时，射流与外围气流之间的 速度差越来越小，混合速度逐渐减慢；
• 当外围气流的流速超过射流速度时，速度梯度又开始增大 ，因而混合速度也随之变快。 • 速度梯度越小，射流扩展及轴心速度衰减就越慢，势核的 长度也越大。当外围流与射流本身流速相等时，势流核心 将贯穿整个流场。 • 射流出口附近混合区中轴向速度分布公式为：
燃气燃烧的气流混合过程.doc
燃气燃烧的气流混合过程在燃烧技术中，燃气燃烧过程是一个复杂的物理、化学过程。
就其过程进展条件不同，可分为动力燃烧和扩散燃烧，前者为燃气和空气预先充分、均匀混合，然后送入燃烧室进行燃烧；后者为燃气和空气分别送入燃烧装置，在燃烧室内一边混合，一边进行燃烧，由于燃烧速度较慢，一般有明显的火焰，也称为有焰燃烧。
对于有焰燃烧，燃气和空气混合的物理过程，是决定燃烧特性的重要因素。
如，火焰长度、宽度及它的温度分布等等。
所以，研究燃烧过程，必须讨论与燃烧化学反应密切相关的物理过程。
从燃烧器喷嘴喷出的燃气流或然气、空气混合流，都是一股射出流体，简称为射流。
射流分为各种类型。
按射流方式可分为直流射流、旋转射流；按出流方向可分为平行射流、环状同心射流、相交射流；按流动状态可分为层流射流、紊流射流等等。
本章属燃烧空气动力学内容，介绍气流混合的基本概念和自由射流、相交气流。
第一节静止气流中的自由射流当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止或速度非常小介质的无限空间时，所形成的气流，称为自由射流。
自由射流中，气流混合的实质是喷出气体与周围介质进行的动量和质量的交换。
按射出流体与环境介质的温度和密度，可分为等温自由射流和非等温自由射流；按流动状态不同，自由射流又可分为层流自由射流和紊流自由射流等。
一、层流自由射流当喷嘴口径较小，喷出流量也较低，喷出流体的Re数在临界值以下时，形成层流自由射流。
某种燃气从燃烧器喷嘴以质量流量qm、速度v0、温度T0、密度ρ0、浓度C0喷出，其前进方向与x轴方向相同，并且初速度v0在喷嘴出口处呈均匀分布。
在射流进入空间后，因与周围介质有速度差，且有粘性，产生层流混合边界层，引起射流和周围介质的质量、动量交换，使介质分子也跟随射流运动，即被射流卷吸，使射流流量逐渐增加，射流流场不断加宽；而射流断面上的平均速度却逐渐下降。
图3—3—1为等温层流自由射流流场结构示意图。
图中，OB、OC为射流外部边界，是射流与周围静止介质的交界面。
燃气应用第三章
上图这两种混合方式均 得不到理想的、均匀的 燃气-空气混合物
燃气燃烧气流混合原则
在相交气流的混合过程中，主要研究的问题是：
第一、以某一角度射入主气流中的射流轨迹。
第二、射流在主气流中的穿透深度。
第三、沿射流轴线速度和温度的变化以及射流横截面上的速 度场和温度场。
第四、射流与主气流的混合强度。
为了计算相交气流混合过程的各参数，必须确定混合过程 与喷嘴结构系数(孔口形状、孔口尺寸等)及流体动力参数
射夹流角外为部射边流界核的心夹收角缩α角1α称2为。射流张角。射流核心区边界的
通常周围介质的温度和密度与喷出气流不同，这时称为非 等温射流。
图3-1 等温层流自由射流
图3-2 热射流水平射至冷介质时 的射流轨迹
层流自由射流
如果射流垂直向上射出，那么重力 差只是稍微改变射流的张角及核心 收缩角。
旋转气流
(二)旋转射流的无因次特性——旋流数
旋风燃烧器所产生的旋涡流场是靠流 体内部的位能变化(静压差)而运动， 所以叫“位能旋涡”。这种旋涡的回 旋运动并非由外加扭矩所引起，若忽 略摩擦损耗，则不同半径上流体微团 的动量矩应当守恒，故又叫“自由旋 涡”。
画两个同心圆代表自由旋涡的两条流
线，间隔dr，选定两条流线间的流体 微团ABCD沿圆圈运动。
第一、应采用不同孔径的喷嘴，将 燃气喷入空气流中，否则无法形成 均匀的可燃混合物；
第二、孔与孔之间的距离应保证各
股燃气射流互不重叠； 第三、在保证各股射流互不重叠的
图3-5 燃烧装置中燃气与空 气相交流动的情况
前提下，确定燃气喷嘴直径；
(a)周边送燃气；(6)中心送燃气
第四、射流喷出速度应保证射流在 空气流中的穿透深度达到预定数值， 以便在燃烧器截面上形成几个环形 的燃气-空气混合层。
燃气燃烧第三章
•
混合气体爆炸 • 可燃气体或蒸汽与空气按一定比例 均匀混合，而后点燃， 均匀混合，而后点燃，因为气体扩散过 程在燃烧以前已经完成， 程在燃烧以前已经完成，燃烧速率将只 取决于化学反应速率。 取决于化学反应速率。
爆燃
• 可燃气体与空气的混合物由火源点 燃，火焰立即从火源处以不断扩大的同 心球的形式自动扩展到混合物存在的全 部空间， 部空间，这种以热传导方式自动在空间 传播的燃烧现象称为爆燃。 传播的燃烧现象称为爆燃。
动力法 用动力法测量火焰传播速度， 用动力法测量火焰传播速度，是以 部分预混空气燃烧时,火焰内锥中间点的 部分预混空气燃烧时,火焰内锥中间点的 传播速度为基准的， 传播速度为基准的，即把该点的速度作 为整个内焰面的平均火焰传播速度。 为整个内焰面的平均火焰传播速度。
• 表4-1 燃气与空气混合物的最大燃烧速度
• •
第二节
火焰传播速度
燃气作正常燃烧时， 燃气作正常燃烧时，这种静止的可燃气体 焰面的移动过程就是火焰的传播过程， 焰面的移动过程就是火焰的传播过程，也称燃 烧过程；焰面移动的速度叫燃烧速度， 烧过程；焰面移动的速度叫燃烧速度，又称火 焰传播速度。 焰传播速度。垂直于燃烧焰面的火焰传播速度 称为法向火焰传播速度。 称为法向火焰传播速度。
• • •
多股平行射流
由上下并列的几个喷嘴流出的射流是轴 心线相互平行的一组射流。 心线相互平行的一组射流。
由于射流间的相互混合和影响， 由于射流间的相互混合和影响，使射流 组中每股射流与自由射流的规律都有某些不 同之处， 同之处，当射流组两个相邻射流在离喷嘴一 定距离汇合以前是独自发展的， 定距离汇合以前是独自发展的，汇合后由于 各股射流相互混合及动量交换， 各股射流相互混合及动量交换，使速度场起 了很大变化。 了很大变化。
《消防燃烧学》第7章射流混合过程
《消防燃烧学》第7章射 流混合过程
欢迎来到本次主题为射流混合过程的学习。本章节将从介绍、机制、实验方 法和应用等方面，深入探讨射流混合过程。
射流混合的机制
惯性机制
惯性射流碰撞、挤压、剪切 混合。
扩散机制
分子作用力和湍流扩散混合。
压缩机制
通过特殊设计的管路促进混 合。
射流混合实验方法
物理实验
通过实验室搭建和操作得到混合实验数据。
质பைடு நூலகம்追踪
将流体质点标记，运用流体动 力学模型模拟流体的运动，从 而实现对射流混合过程的模拟 研究。
数值模拟
利用计算机手段模拟射流混合过程。
射流混合的应用
1
火焰抑制
将某种混合气体喷射到火源上以达到控
环保处理
2
制火灾的目的。
喷射某种处理剂，让有害气体得到充分
分解和清除。
3
燃烧热能利用
运用射流混合提高燃烧效率实现节能减 排。
射流混合过程的介绍
1 基本定义
射流可以是一种气体和液 体的高速流动状态，也可 以是任意两种流体之间的 高速交错混合流。
2 基本特征
速度高、流量大、混合能 力强、流动方向稳定。
3 流型分类
非稳定射流、稳定射流、 原子化射流等。
射流混合效果的影响因素
宽度和角度
物理化学性质
射流宽度和角度小，混合效果好。
流体耗散率、扩散系数、比热容 等。
流体动力学
液相密度、黏度、表面张力、雷 诺数等。
射流的基本特征
1
高速
射流传播速度可以达到数百米每秒。
2
流量大
射流内部流量可以达到数千立方米每秒。
3
混合能力强
射流可以将两种流体混合成均匀的单一流体。
欢迎来到本次主题为射流混合过程的学习。本章节将从介绍、机制、实验方 法和应用等方面，深入探讨射流混合过程。
射流混合的机制
惯性机制
惯性射流碰撞、挤压、剪切 混合。
扩散机制
分子作用力和湍流扩散混合。
压缩机制
通过特殊设计的管路促进混 合。
射流混合实验方法
物理实验
通过实验室搭建和操作得到混合实验数据。
质பைடு நூலகம்追踪
将流体质点标记，运用流体动 力学模型模拟流体的运动，从 而实现对射流混合过程的模拟 研究。
数值模拟
利用计算机手段模拟射流混合过程。
射流混合的应用
1
火焰抑制
将某种混合气体喷射到火源上以达到控
环保处理
2
制火灾的目的。
喷射某种处理剂，让有害气体得到充分
分解和清除。
3
燃烧热能利用
运用射流混合提高燃烧效率实现节能减 排。
射流混合过程的介绍
1 基本定义
射流可以是一种气体和液 体的高速流动状态，也可 以是任意两种流体之间的 高速交错混合流。
2 基本特征
速度高、流量大、混合能 力强、流动方向稳定。
3 流型分类
非稳定射流、稳定射流、 原子化射流等。
射流混合效果的影响因素
宽度和角度
物理化学性质
射流宽度和角度小，混合效果好。
流体耗散率、扩散系数、比热容 等。
流体动力学
液相密度、黏度、表面张力、雷 诺数等。
射流的基本特征
1
高速
射流传播速度可以达到数百米每秒。
2
流量大
射流内部流量可以达到数千立方米每秒。
3
混合能力强
射流可以将两种流体混合成均匀的单一流体。
第03章 燃气燃烧的气流混合过程
层流自由射流 • 自由射流：当气流由管嘴或孔口喷射到 充满静止介质的无限空间时，形成的气 流称为自由射流。 • 层流自由射流：当喷嘴口径较小，喷出 的流量也较小时，在喷嘴出口处形成层 流自由射流。 • 等温自由射流：周围介质的温度和密度 与喷出气流相同时，称为等温自由射流 。
3
第一节 静止气流中的自由射流
第三章的 重要因素之一。火焰的长度、宽度和温度 分布取决于燃气与空气的混合。研究气流 的混合规律对改进燃烧器和提高燃烧效率 起到十分重要的作用。本章主要内容包 括： • 静止气流中的自由射流； • 相交气流； • 旋转射流。 •
2
第一节 静止气流中的自由射流
5
第一节 静止气流中的自由射流
• 燃气垂直向上喷至静止空气
燃气成分一定时， 火焰长度取决于燃 气的流量。即流量 增加→火焰长；出 口速度一定，喷嘴 直径大→火焰长； 喷嘴一定，流速大 →火焰长；流量一 定，火焰长度与直 径无关。
6
第二节 相交气流
混合不理想的情况
• 正确的方法：采用 不同直径的燃气射 流，在燃烧器截面 上形成离管壁距离 不等的环形混合层 ，每层中空气－燃 气按比例混合。
13
本章小结
燃气-空气的 气流混合过程 自由射流 相交气流 旋转射流
• 基本概念，如：自由射流，相交射流， 旋转射流，绝对穿透深度，相对穿透深 度 • 设计相交气流的原则 • 旋流与自由射流的差异
14
O：极点； ADE：射流核 心区； α1 ：射流张 角； α 2：核心收 缩角； FG：过渡截 面； FG之前：起 始段； FG之后：基 本段。
4
第一节 静止气流中的自由射流
• 非等温射流：周围介质温度和密度与喷出 气流不同时，称为非等温射流。 • 热射流水平射至冷介质时轴线上弯，反之 轴线下弯。
3
第一节 静止气流中的自由射流
第三章的 重要因素之一。火焰的长度、宽度和温度 分布取决于燃气与空气的混合。研究气流 的混合规律对改进燃烧器和提高燃烧效率 起到十分重要的作用。本章主要内容包 括： • 静止气流中的自由射流； • 相交气流； • 旋转射流。 •
2
第一节 静止气流中的自由射流
5
第一节 静止气流中的自由射流
• 燃气垂直向上喷至静止空气
燃气成分一定时， 火焰长度取决于燃 气的流量。即流量 增加→火焰长；出 口速度一定，喷嘴 直径大→火焰长； 喷嘴一定，流速大 →火焰长；流量一 定，火焰长度与直 径无关。
6
第二节 相交气流
混合不理想的情况
• 正确的方法：采用 不同直径的燃气射 流，在燃烧器截面 上形成离管壁距离 不等的环形混合层 ，每层中空气－燃 气按比例混合。
13
本章小结
燃气-空气的 气流混合过程 自由射流 相交气流 旋转射流
• 基本概念，如：自由射流，相交射流， 旋转射流，绝对穿透深度，相对穿透深 度 • 设计相交气流的原则 • 旋流与自由射流的差异
14
O：极点； ADE：射流核 心区； α1 ：射流张 角； α 2：核心收 缩角； FG：过渡截 面； FG之前：起 始段； FG之后：基 本段。
4
第一节 静止气流中的自由射流
• 非等温射流：周围介质温度和密度与喷出 气流不同时，称为非等温射流。 • 热射流水平射至冷介质时轴线上弯，反之 轴线下弯。
徐通模燃烧学第2章
5. 状态方程：
p,T
12
三、湍流运动时均方程组（雷诺方程组）
在上述各方程中，未知量为vi（或u、υ、w）、p、ρ、T 和 ma共七个，而方程数也是七个，所以该方程组是封闭的。
由于湍流运动的特性标尺均很小，在求方程的数值解时必 须将求解区域划分成许多网格，目前计算机的储存量和计 算时间还不能做到。
运用湍流中常用的时间平均方法，把N—S方程组中任一瞬 时物理量用平均量和脉动量之和的形式来表示，再对整个 方程组进行时间平均运算。
13
（1）时均连续性方程
t
x j
(v j
'
v
' j
)
0
（2）时均动量方程
t
vi 'vi'
x j
vi v j
分子输运的基本定律是指，由于速度梯度引起的动量交 换，由于温度梯度引起的热量交换，以及由于浓度梯度 引起的质量交换所遵循的定律。也就是牛顿黏性定律， 傅立叶导热定律，以及费克扩散定律。
22
1、Newton黏性定律
两个无限宽和无限长的不可渗透的平板，它们相距δ距
离，中间充满等温的流体B。如果下平板固定不动，上平
（1）气流核心：在开始区域中，气流具有初始速度u0
的部分称为气流核心。核心区的边界为内边界面， 而射流和静止介质的交界面称为外边界面。
（2）混合区：外边界面和内边界面所包围的部分称 为混合区，是射流和周围介质发生激烈混合的区域。 内边界面上的速度等于初速度u0，而外边界面上的 速度为零。
38
（3）转捩截面：在离喷嘴出口一定距离以后，未经扰
燃气燃烧与燃烧装置第三章气流混合
二、与自由射流的差异
1、除轴向分速和径向分速外，还具有切向 分速；
2、强旋转射流内部有一个反向的回流区； 3、旋转射流的射程端。
三、旋转射流的无因次特性参数 ——旋流数s
角动量的轴向通量
s
轴向动量
角动量的轴向通量G
R0 (ur) 2dr 常数
0
轴向动量Gx
5、薄壁孔多股射流以任意角度在受限气流中的 相对射流穿透深度：
h Ks sin 2 1 d 1 2
第三节 旋转气流
一、产生旋转气流的方法
1、气体切向进入 主通道；
2、叶片导流使气 流旋转；
3、气体进入进入蜗 壳配风器；
4、采用旋转的机械装置，例如转动 叶片等。
第三章 燃气燃烧的气流混合
第一节 自由射流 第二节 相交气流 第三节 旋转气流
第一节 自由射流
自由射流：当气流由管嘴或孔口 喷射到充满静止气体的无限空间 时形成的气流。
一、层流自由射流的浓度结构
1—射流边界Cg=0 2—核心边界Cg=100% 3 —着火浓度上限Cg=Ch 4 —化学计量浓度线 5 —着火浓度下限Cg=Cl
R0 2dr 常数
0
则
s G
R0 (ur) 2dr 0
Gx R0
R0 2dr
0
R0 0
p2dr
R0
二、紊流自由射流
紊流自由射流对周围介质的卷吸率：
1
men m0
032
a g
2
l d
1
例题：
试求甲烷在空气中喷燃的火焰长度， 喷孔直径为30mm。
10 射流混合过程(简)
动力燃烧
燃烧速度受可燃混合物加热和化学反应速度限制， 如事先混合好的煤气-空气混合物
扩散燃烧
燃烧速度受混合速度限制，如煤气和空气分别由两 个喷口进入燃烧室
中间燃烧
介于两者之间的燃烧过程
气体燃料 燃料
燃烧
液体燃料 固体燃料 层流燃烧 气体流动形式
燃烧
紊流燃烧
过渡态燃烧
燃料物质形态
均相燃烧 异相燃烧 层状燃烧(固定床) 沸腾床燃烧(流化床 粉煤燃烧(气流床)
实验决定
紊流强度
静止气体中的自由射流
Prandtl紊流理论：湍流切应力的数值是由流体微团速度脉 动引起动量横向转移来直接确定的，又称动量转移理论 自由射流半宽y与该截面上的轴向距离x成正比
y / x const
圆形喷口： 自由射流轴向速度um分布规律 自由射流轴向浓度Cm分布规律 自由射流轴向速度的径向分布规律 自由射流轴向浓度的径向分布规律
燃 烧 学
第 十讲 射流混合过程
第十讲 射流混合过程
动力燃烧、扩散燃烧、中间燃烧 有焰燃烧、无焰燃烧 射流基本流型 自由射流结构及其相似性 大型煤粉锅炉，宜采用矩形喷口燃烧器 交叉射流、环状射流、旋转射流的特点 燃煤特性与射流混合的选择 旋转射流的优势与缺陷，射流流场分布 射流流场影响因素
燃烧
固体床层
燃烧
射流混合过程
有焰燃烧:煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧 气流的喷出速度 空气与煤气的相 对速度 气流的交角 旋流速度
煤 与 气 合 度
气 空 混 程
长度 宽度
温度分布 交叉射流
旋转射流
紊流射流
自由射流
同轴射流
外围流体流速us 喷口尺寸d0 边界 条件 压力Ps 温度Ts 浓度Cs
第三篇+燃烧基本理论1
第三篇
燃烧基本理论
概述
• 燃烧过程
– 燃烧过程是一个复杂的物理化学过程 – 完成燃烧过程不仅需要一定的浓度和温度，还需要一定的
时间和空间 – 燃烧过程所需要的时间包括三个方面：混合、升温和反应
反应所需时间受化学动力学因素的影响，而混合所需的时 间则受扩散因素的影响
• 燃烧过程主要受化学动力学因素和扩散因素的影响
2C O2 2CO 246 （kJ / mol) C CO2 2CO 162 （kJ / mol)
2CO O2 2CO2 571 （kJ / mol)
甲烷的燃烧反应机理
• 甲烷在低温下（900K以下）反应机理
–链的产生： CH 4 O2 CH 3 HO 2 –链的继续： CH 3 O2 CH 2O OH
OH CH 4 CH 3 H2O
OH CH 2O H2O HCO
–退化分支： CH 2O O2 HCO H2O
• 影响化学反应速度的因素
–浓度 –温度 –压力
• 浓度对化学反应速度的影响
–符合质量作用定律
aA bB gG hH
W K[A]a [B] b
–K—反应速度常数；
– a b n n —反应级数
– [A]、[B] —分别表示A、B的浓度（mol/m3）
• 所以： W K Cn
环状射流和同心射流
• 对于环状射流和同心射流而言：
– 在充分发展区，流动情况与轴对称的圆射流相似 – 在靠近喷口附近，环状射流形成低压回流区；而
同心射流则形成环状回流区 – 喷嘴的几何形状对邻近喷嘴的射流状态有很大影
响 – 回流区的存在能改善火焰的稳定性
旋涡射流
燃烧基本理论
概述
• 燃烧过程
– 燃烧过程是一个复杂的物理化学过程 – 完成燃烧过程不仅需要一定的浓度和温度，还需要一定的
时间和空间 – 燃烧过程所需要的时间包括三个方面：混合、升温和反应
反应所需时间受化学动力学因素的影响，而混合所需的时 间则受扩散因素的影响
• 燃烧过程主要受化学动力学因素和扩散因素的影响
2C O2 2CO 246 （kJ / mol) C CO2 2CO 162 （kJ / mol)
2CO O2 2CO2 571 （kJ / mol)
甲烷的燃烧反应机理
• 甲烷在低温下（900K以下）反应机理
–链的产生： CH 4 O2 CH 3 HO 2 –链的继续： CH 3 O2 CH 2O OH
OH CH 4 CH 3 H2O
OH CH 2O H2O HCO
–退化分支： CH 2O O2 HCO H2O
• 影响化学反应速度的因素
–浓度 –温度 –压力
• 浓度对化学反应速度的影响
–符合质量作用定律
aA bB gG hH
W K[A]a [B] b
–K—反应速度常数；
– a b n n —反应级数
– [A]、[B] —分别表示A、B的浓度（mol/m3）
• 所以： W K Cn
环状射流和同心射流
• 对于环状射流和同心射流而言：
– 在充分发展区，流动情况与轴对称的圆射流相似 – 在靠近喷口附近，环状射流形成低压回流区；而
同心射流则形成环状回流区 – 喷嘴的几何形状对邻近喷嘴的射流状态有很大影
响 – 回流区的存在能改善火焰的稳定性
旋涡射流
燃气燃烧与应用_chap3
3 再考虑喷入角度的影响
h K s K v2 d v1
Ks与喷入角度有关的系数，实 验确定为Sinα
2 mix K s sin q 21 1
在考虑混合物流速增加、喷入角度变化的影响之后， 得到最终的射流穿透深度计算式：
h K s K v2 d v1
2 mix K s sin q 21 1
动量矩
v—轴向分速度； u—切向分速度；
men s 0.32 1 m0 d
a men 0.32 m0 g
12
s 1 d
按照L/L0或者men/m0，都可以计算被卷吸空气达到燃烧要
求所需要的长度——火焰长度；
射流中心燃气大量过剩，为形成均匀的可燃混合物，还需
要一段扩散时间，实际的火焰长度总比这样计算的得到长度 要长很多。
第二节 平行气流
一、平行气流中的自由射流
起始段、过渡段、基本段； 过渡段——等速核心消失、但轴心速度衰减缓慢； 边界为直线，基本段的边界不同于起始段和过渡段；
射流的扩张角/轴心速度的 衰减/核心区长度——都与 射流出口速度和外围气流 速度之间的速度梯度有关
用外围气流速度Vs和射流出口速度V0 之比来表示气流混合的程度。
2
收缩后的孔口直径；
喷嘴实际的喷嘴直径；
' v2 ＝
收缩处实际的气流速度 此时的射流穿透深度为
h K s sin mix q21 d
v2
如何考虑喷嘴前燃气流速/方向对射流穿透深度的影响
•燃气流速低、燃气通道大，孔口前的燃气流动方向与射
流方向一致时——不予考虑；
•燃气流速较高、燃气通道小，孔口前的燃气流动方向予
燃气燃烧的气流混合过程
燃气燃烧的气流混合过程
在燃烧技术中，燃气燃烧过程是一个复杂的物理、化学过程。
就其过程进展条件不同，可分为动力燃烧和扩散燃烧，前者为燃气和空气预先充分、均匀混合，然后送入燃烧室进行燃烧；后者为燃气和空气分别送入燃烧装置，在燃烧室内一边混合，一边进行燃烧，由于燃烧速度较慢，一般有明显的火焰，也称为有焰燃烧。
对于有焰燃烧，燃气和空气混合的物理过程，是决定燃烧特性的重要因素。
如，火焰长度、宽度及它的温度分布等等。
所以，研究燃烧过程，必须讨论与燃烧化学反应密切相关的物理过程。
从燃烧器喷嘴喷出的燃气流或然气、空气混合流，都是一股射出流体，简称为射流。
射流分为各种类型。
按射流方式可分为直流射流、旋转射流；按出流方向可分为平行射流、环状同心射流、相交射流；按流动状态可分为层流射流、紊流射流等等。
本章属燃烧空气动力学内容，介绍气流混合的基本概念和自由射流、相交气流。
第一节静止气流中的自由射流
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《燃烧理论基础》PPT课件
• 与着火时的热焰比较，温度较低，辉光较弱，产生 的热量很少，这种现象是烃类气相氧化的特征之一 ，称为焰前反应
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19
射流特性及其混合过程
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20
➢实际意义
①射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：除固 体燃料有时以块状进行燃烧外，其它燃料和氧化 剂都是以射流形式送入燃烧空间的。
②物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用 例如有焰燃烧。
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32
实际中常见的交叉射流形式
• 为了混合良好，需保持二次风以较高的速度射入 燃料气流，否则二次风很快被主气流“同化”， 二次风穿透深度不足，导致混合不充分
• 二次风的温度升高， 穿透深度变小
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33
5、环形射流和同轴射流
• 流场结构
– 完全发展区 • 距离喷口约8~10倍 喷口直径的区域 • 与圆形自由射流类 似
相反混合减缓射流张角速度及浓度沿轴向的变化率随之减小势核长度越大当速度梯28射流特性的影响因素1流速比当由0或213趋向1时射流核越来越大轴心速度衰减变慢当射流的密度小于周围气流的密度时射流的衰减速度将加快2密度293多股平行射流射流之间形成较为强烈的旋涡区使多股平行射流的湍流脉动比自由射流大而边界层的增厚主要与横向脉动速度成正比314交叉射流两股射流以某一角度交叉喷出形成的射流汇合点之前存在回流区大小与喷口间距和射流交角有关32速度衰减规律33实际中常见的交叉射流形式为了混合良好需保持二次风以较高的速度射入燃料气流否则二次风很快被主气流同化二次风穿透深度不足导致混合不充分二次风的温度升高穿透深度变小345环形射流和同轴射流距离喷口约810倍喷口直径的区域有回流区存在回流区一般用于改善火焰的稳定性
第四章 燃烧理论基础
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19
射流特性及其混合过程
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20
➢实际意义
①射流是大多数工程燃烧混合的主要方式：除固 体燃料有时以块状进行燃烧外，其它燃料和氧化 剂都是以射流形式送入燃烧空间的。
②物理因素在整个燃烧过程起着更为重要的作用 例如有焰燃烧。
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32
实际中常见的交叉射流形式
• 为了混合良好，需保持二次风以较高的速度射入 燃料气流，否则二次风很快被主气流“同化”， 二次风穿透深度不足，导致混合不充分
• 二次风的温度升高， 穿透深度变小
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33
5、环形射流和同轴射流
• 流场结构
– 完全发展区 • 距离喷口约8~10倍 喷口直径的区域 • 与圆形自由射流类 似
相反混合减缓射流张角速度及浓度沿轴向的变化率随之减小势核长度越大当速度梯28射流特性的影响因素1流速比当由0或213趋向1时射流核越来越大轴心速度衰减变慢当射流的密度小于周围气流的密度时射流的衰减速度将加快2密度293多股平行射流射流之间形成较为强烈的旋涡区使多股平行射流的湍流脉动比自由射流大而边界层的增厚主要与横向脉动速度成正比314交叉射流两股射流以某一角度交叉喷出形成的射流汇合点之前存在回流区大小与喷口间距和射流交角有关32速度衰减规律33实际中常见的交叉射流形式为了混合良好需保持二次风以较高的速度射入燃料气流否则二次风很快被主气流同化二次风穿透深度不足导致混合不充分二次风的温度升高穿透深度变小345环形射流和同轴射流距离喷口约810倍喷口直径的区域有回流区存在回流区一般用于改善火焰的稳定性
第四章 燃烧理论基础
射流混合器原理
射流混合器原理射流混合器是一种常用的流体动力学装置，广泛应用于化工、环保、能源等领域。
它通过利用射流的能量和动量来实现不同流体的混合，具有混合均匀、工艺简单、能耗低等优点。
射流混合器的原理基于动量守恒和质量守恒定律。
当两种不同流体通过射流混合器的喷嘴交汇时，它们会产生高速射流。
射流的高速度和强大的动能使得两种流体混合更加均匀。
射流混合器的主要构造包括进口管道、喷嘴和混合腔体。
进口管道用于输送两种不同的流体，而喷嘴则起到加速流体和形成射流的作用。
混合腔体是射流混合器的核心部分，它提供了足够的空间让两种流体充分混合。
射流混合器的工作过程可以分为三个阶段：加速阶段、扩散阶段和混合阶段。
在加速阶段，两种不同流体从进口管道进入喷嘴，由于喷嘴的收缩形状，流体速度逐渐增加。
当流体通过喷嘴时，由于连续介质的速度不连续性原理，流体速度会进一步增加，形成高速射流。
进入扩散阶段后，高速射流通过喷嘴的扩散段，速度逐渐减小，同时流体的动能也被转化为压力能。
在混合阶段，高速射流进入混合腔体，与静止的流体进行混合。
由于射流的高速度和动能，它能够有效地穿透静止流体，使得两种流体迅速混合。
射流混合器的混合效果受到多种因素的影响，如喷嘴形状、流体速度、流量比等。
合理选择喷嘴形状和流体参数，可以实现不同的混合效果。
射流混合器在化工领域有着广泛的应用。
例如，在反应器中，射流混合器可以将不同的反应物混合均匀，提高反应速率和反应效率。
此外，在环保领域，射流混合器也可以用于废气处理，将废气与催化剂充分混合，从而提高废气处理效果。
射流混合器的原理简单而有效，它通过利用射流的动能和动量来实现流体的混合。
射流混合器具有混合均匀、工艺简单、能耗低等优点，因此被广泛应用于各个领域。
随着科技的不断进步，射流混合器的性能和效果将会进一步提高，为工业生产和环境保护提供更好的解决方案。
工程燃烧学7
工程燃烧学
主讲教师：裴蓓
燃烧的过程是一种复杂的物理过程和化学过程的综合，它既有流动、扩散、混合等物理现象，又有氧化还原反应，并放出光和热的化学现象。
燃烧是一种复杂的物理化学过程——三传
一反：
动量传递（流动）热量传递
质量传递（扩散）化学反应
μ= 1/2μ
m y
y
μ= 1/2μ
m y
y
μ=
1/2μm y
y
§7.2 同向平行流中的自由射流
§7.2 同向平行流中的自由射流
§
§7.2 同向平行流中的自由射流
§
1.79g/L，为1.29g/L。
穿透深度（y/d）与λ呈反比，归纳为下列穿透深度的经验公式：
¾斜交射流
2004年印尼海啸卫星云图
二、特点
（1）存在轴向分速度v x、径向分速度v r和切向分速度vθ（2）旋转强烈到一定程度时，喷嘴附近可形成回流区
度的关系分别证明两个特点。
旋风或旋流是由外围的自由漩涡和涡核的强制漩涡组成，二者整体叫做圆周漩涡
旋流数具体的计算方法还应视各种旋流装置的结构特点有所不同。
对于叶片式旋流器来说，只要知道旋流器的内外半径r
1和r
2
及叶
片安装角ψ，就可以求出它的旋流数。
可以看出，当s≤0.416时，速度成呈高斯分布；当s>0.6后，最大轴向速度开始偏离轴线，出现双峰式速度分布。
燃烧学讲义-第4章燃烧物理基础
2
2
2
——湍流切应力 ——湍流正应力 ——湍动度
动量传递
c T w y
其中：
mw y
另外两个主要量： 1 2 2 2 湍流动能 ( w x wy wz ) 2 湍流耗散 2 w w w w w
wx wz wy wz wz wz y z x
21
结论:
10个 10个未知数 3个时均速度 w x w y wz 1个时均压力 p 2 2 2 ' ' ' wz 3个湍流正应力 wx wy ' ' ' ' ' ' w w w w w w 3个湍流切应力 x y y z z x
小，是个物性参数。它的数值取决于扩散时的温度、 压力及混合物系统的性质，主要依靠实验来确定。 一般只用到二元混合物的质扩散率，有半经验的计 算公式，在已知p0,T0条件下的D0时，推算p,T条件 下的D
3 2
p0 T D D0 p T0
6
对流传质及传质系数
流体流过壁面或液体界面时，如果主流与界
运动方程:
wx wy wz 0 x y z
X方向： Y方向： Z方向：
dwx 2 wx 2 wx 2 wx 1 p gx ( 2 2 ) 2 d x x y z dwy 2 wy 2 wy 2 wy 1 p gy ( 2 ) d y x y 2 z 2
第四章 燃烧物理基础
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
传质学基础 湍流物理模型及计算 "三传"的比拟 自由射流中的混合与传质 旋转射流中的混合与传质 钝体射流中的混合与传质 平行与相交射流的混合与传质
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Tm Tw 0.7 T0 Tw a x 0.29 R0
Cm Cw 0. 7 C0 C w a x 0.29 R0
C0 x 0.22 1.5 Cm d0
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
该喷口的特征尺寸直径为矩形的短边长度2b0 射流的扩展角α较小，各项参数沿轴向变化较慢
交叉射流
以某一角度与主流相交的射流为交叉射流
射流在主流中的穿透深度 射流和主流的混合情况
交叉射流
或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流 强 化 混 合
交叉射 流汇合 点xj
在两股交叉射流汇合前 存在回流区，其大小和 强度由a0和θ0决定
交叉射流
或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流
交叉射流主流方向上速度 衰减规律： 汇合点之前，射流速度逐 渐降低 汇合点附近，射流速度有 所增大，汇合点位臵xj 与 喷口间距a0和角度θ0有关 汇合点后不远处，射流速 度开始衰减，其衰减规律 类似于自由射流
射流与周围气 流之间的速度 梯度
射流的扩展 轴线上流体轴向 速度的衰减 核心区长度
同向平行流中的自由射流
射流与外流间的速度梯度减小，混合减缓，射流张角、速 度及浓度沿轴向的变化率随之减小。 us逐渐变大 u0>us 混合速度减慢 u0=us 混合速度很慢 u0<us 混合速度变快
同向平行流中的自由射流
v0 u0
煤粉炉λ 1:6~7 一般来说，要得到二次风与燃烧气流 良好的混合，必须保持一定的λ值
交叉射流
交叉角及流速比的影响：
流速比
u0 1 v0
环状射流
有钝体的直流燃烧器
低压回流区
※改善火焰的结构 和稳定性
回流区大小、回流速度及回流量， 影响着火稳定性及气流混合 喷嘴出口8~10d0
静止气体中的自由射流
气流由喷口射入充满静止空气且不受约束空间时的流动 外边紊流旋涡层 紊流旋涡跨流 扩散侵蚀主流
扩展角α
Xp
初始段
楔形射流核(势流核心)
u0、C0、T0
静止气体中的自由射流
射流的射程是射流的重要流动参数，其反映了射流对周围流 体的穿透能力，而且还与卷吸周围介质、燃料着火和燃烧密 切相关
0＝s
射流出口附近混合区中轴向速度的分布 公式： u0 u s r2 r u (1 cos ) 2 r2 r1
r1与r2 分别为混合区的内半径与外 半径 u0 射流出口速度 us 外围流体速度
＝u s / u 0
同向平行流中的自由射流
势核长度xp：
r / d0
xp d0
4 12
K r=R1 R1
vm R1
外围---自由旋涡流场
静止气体中的自由射流
圆形喷口：
在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性。 自由射流轴向速度的径向分布规律：
ux y 3/ 2 2 u y 2 [1 ( ) ] exp[ K u ( ) ] ybj um x Ku=82~92 u mx
自由射流轴向浓度的径向分布规律：
C y 2 exp[ K C ( ) ] Cm x KC=54~57
靠近喷嘴出口处 射流状态只受喷嘴的几 何形状(d/D)的影响
充分发展区(自模段)，流 型类似于自由射流
同心射流
轴向直流燃烧器 ※改善火焰的结构 和稳定性
低压回流区 喷嘴出口8~10d0
充分发展区，流 型类似于自由射 流 靠近喷嘴出口处
射流状态受喷嘴的 几何形状的影响
环状射流对中心射流的影响
随着的增大，中心 射流势核长度越来 越小，中心射流速 度衰减越来越快
燃烧
紊流燃烧
过渡态燃烧
燃料物质形态
均相燃烧 异相燃烧 层状燃烧(固定床) 沸腾床燃烧(流化床 粉煤燃烧(气流床)
燃烧
固体床层
燃烧
射流混合过程
有焰燃烧:煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧 气流的喷出速度 空气与煤气的相 对速度 气流的交角 旋流速度
煤 与 气 合 度
气 空 混 程
长度 宽度
温度分布 交叉射流
交叉射流
射流轴线
1 2 0v0 2
几何中心线
正面受主流动压头的冲 击 背面受尾流中降压旋涡 卷刷 射流出现周向速度分量 射流受到侧面切应力作用
v0 ρ0
v0 ρ0 旋涡
卷吸掺混强烈 Ⅰ射流核OB Ⅱ显著弯曲段
u0 θ0 Q 0 ρ0
Ⅲ旋涡扩展段
交叉射流
穿透深度的经验公式：
y 0.85 x 0.38 ( ) ( ) d d
x0 0.41 cot( ) 2 b0 a
xch 1.31 b0 a
x0 射流极点至喷口的距离， m b0 喷口短边长度，m xch 初始段长度，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布 均匀性有关的经验常数，对于扁矩形喷口，a＝ 0.1~0.12
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
从直径d0喷出的密度为ρ0 的气体的动量G0和速度u0 G0=Gs u0=us
从当量直径de喷出的密度为ρs的气体的动量Gs和速度us
0 1/ 2 de d0 ( ) s
m0 G0
2m0 de ( 0G0 )1/ 2
同向平行流中的自由射流
单股射流射入与其同向平行流动的主气流中
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
自由射流轴向浓度的径向分布规律：
T Tw y 3/ 2 1 ( ) T0 Tw ybj C Cw y 3/ 2 1 ( ) C0 C w ybj
自由射流轴向浓度Cm分布规律：
Tm Tw T0 Tw
Cm C w C0 C w
us / u0 0.2 ~ 0.5
x d0
射流充分发展区轴心速 度uc的衰减规律:
表示射流的 扩散情况
uc u s x p u0 u s x
射流张角及射流扩展率随λ的增大而减小
多股平行射流
过渡段 初始段 基本段
过渡段的大小和平行射流组 中相邻喷口之间的距离有关 多股平行射流基本段中速度 场仍服从自由射流的速度分 布规律
由实验确定
对于易于燃烧的烟煤来说
中心射流速率大，环状射流速率小，从而在环状射流 喷口处形成回流区，促进混合，并降低了中心射流喷 口处的温度，防止烧坏喷嘴
旋转射流---简介
径向和轴向压力梯度 轴向压力梯度增大
流体轴向倒流，形成 回流区 旋转紊流运动 自由射流运动 尾流
旋转射流---简介
I区，自由漩涡 II区，固体漩涡
射流射程 速度衰减
初始段约为喷口 直径的4~5倍
静止气体中的自由射流
过渡段的长度约为喷口直径的10倍
剪切层 掺混层
内外边界 紊流边界层 卷吸作用 外围气体跨流扩 散与主流混合
过渡段
势流核心缩小消失 相似速度分布
静止气体中的自由射流
过渡段 射流沿程各断 面上轴向流速u 呈正态分布 射流充分发展 自模段(充分发展段)
旋转射流---特点
①旋转射流具有内回流区和外回流区，扩展角比较 大，相对直流射流而言，旋转射流卷吸周围介质的 能力强，可以依靠自身的回流区保持稳定着火。 ②旋转射流出口处速度高，由轴向、径向和切向速 度组成，气流的早期混合强烈。 ③切向速度衰减很迅速，气流旋转效应消失较快， 因此后期混合较弱。 ④旋转射流的轴向速度衰减也较快，因此射流射程 较短。
x0 射流极点至喷口的距离， m R0 喷口半径，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度 场分布均匀性有关的经验常数，对于圆形喷 口，a＝0.07~0.076，约为28o ，初始段长 度约为R0的8.8~9.6倍
静止气体中的自由射流
喷口形状
射流核心 火焰黑根 长度xp
喷口速度分布
实验决定
1.04 x a 0.41 R0
1.04 x a 0.41 R0
静止气体中的自由射流
自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：
me mx m0 m0 m0
me 卷吸量 mx x截面处射流的总质量流量 m0 射流的初始质量流量
静止气体中的自由射流
0 s
非等温过程
当量直径de
自由射流轴向速度um 分布规 律 自由射流轴向速度的径向分布规律 自由射流轴向浓度的径向分布规律 自由射流轴向浓度Cm分布规律
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
自由射流轴向速度um分布规律：
u0 um
自由射流轴向速度的径向分布规 律：
x a 0.41 b0 1 .2
ux y 3/ 2 2 [1 ( ) ] umx ybj
当多股平行射流存在时，由于 每股射流彼此之间的相互影响， 射流之间形成较为强烈的漩涡 区，使得多股射流的湍流脉动 比自由射流大。所以多股射流 与单股射流相比，具有如下的 特点： 1.多股平行射流初始段长度比单 股射流流程短，约小30%左右； 2.由于边界层的增厚主要与横 向脉动速度成正比，所以混合 区厚度比单股大
旋转射流---自由漩涡
位能旋涡：靠流体内部位能变化(静压或水位差)而形成的旋涡 自由旋涡：无外加扭矩作用、理想流体、无摩擦损耗、漩涡 不同半径上的动量矩守恒
旋转射流---自由漩涡
自由旋涡的特点：
切线速度v0与半径成反比 v0 r cont K 流线虽然是同心圆，但是各流体微团并没有绕其自身轴 线自转运动(不包括涡心)，而是一种无旋圆周运动，即各 流体微团的旋度为零。 包括涡心，任何半径r圆周上的环量或涡强Γ都相等，所 以自由漩涡又叫做等环量或等涡强流场
旋转射流---固体漩涡
固体旋涡---强制旋涡 漩涡中心有个半径为R1的涡核，涡核内的流体绕中心O按固体 旋转规律旋转，即
Cm Cw 0. 7 C0 C w a x 0.29 R0
C0 x 0.22 1.5 Cm d0
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
该喷口的特征尺寸直径为矩形的短边长度2b0 射流的扩展角α较小，各项参数沿轴向变化较慢
交叉射流
以某一角度与主流相交的射流为交叉射流
射流在主流中的穿透深度 射流和主流的混合情况
交叉射流
或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流 强 化 混 合
交叉射 流汇合 点xj
在两股交叉射流汇合前 存在回流区，其大小和 强度由a0和θ0决定
交叉射流
或者两股射流以一定角度交叉喷出形成交叉射流
交叉射流主流方向上速度 衰减规律： 汇合点之前，射流速度逐 渐降低 汇合点附近，射流速度有 所增大，汇合点位臵xj 与 喷口间距a0和角度θ0有关 汇合点后不远处，射流速 度开始衰减，其衰减规律 类似于自由射流
射流与周围气 流之间的速度 梯度
射流的扩展 轴线上流体轴向 速度的衰减 核心区长度
同向平行流中的自由射流
射流与外流间的速度梯度减小，混合减缓，射流张角、速 度及浓度沿轴向的变化率随之减小。 us逐渐变大 u0>us 混合速度减慢 u0=us 混合速度很慢 u0<us 混合速度变快
同向平行流中的自由射流
v0 u0
煤粉炉λ 1:6~7 一般来说，要得到二次风与燃烧气流 良好的混合，必须保持一定的λ值
交叉射流
交叉角及流速比的影响：
流速比
u0 1 v0
环状射流
有钝体的直流燃烧器
低压回流区
※改善火焰的结构 和稳定性
回流区大小、回流速度及回流量， 影响着火稳定性及气流混合 喷嘴出口8~10d0
静止气体中的自由射流
气流由喷口射入充满静止空气且不受约束空间时的流动 外边紊流旋涡层 紊流旋涡跨流 扩散侵蚀主流
扩展角α
Xp
初始段
楔形射流核(势流核心)
u0、C0、T0
静止气体中的自由射流
射流的射程是射流的重要流动参数，其反映了射流对周围流 体的穿透能力，而且还与卷吸周围介质、燃料着火和燃烧密 切相关
0＝s
射流出口附近混合区中轴向速度的分布 公式： u0 u s r2 r u (1 cos ) 2 r2 r1
r1与r2 分别为混合区的内半径与外 半径 u0 射流出口速度 us 外围流体速度
＝u s / u 0
同向平行流中的自由射流
势核长度xp：
r / d0
xp d0
4 12
K r=R1 R1
vm R1
外围---自由旋涡流场
静止气体中的自由射流
圆形喷口：
在射流的充分发展区，轴向流速的径向分布具有相似性。 自由射流轴向速度的径向分布规律：
ux y 3/ 2 2 u y 2 [1 ( ) ] exp[ K u ( ) ] ybj um x Ku=82~92 u mx
自由射流轴向浓度的径向分布规律：
C y 2 exp[ K C ( ) ] Cm x KC=54~57
靠近喷嘴出口处 射流状态只受喷嘴的几 何形状(d/D)的影响
充分发展区(自模段)，流 型类似于自由射流
同心射流
轴向直流燃烧器 ※改善火焰的结构 和稳定性
低压回流区 喷嘴出口8~10d0
充分发展区，流 型类似于自由射 流 靠近喷嘴出口处
射流状态受喷嘴的 几何形状的影响
环状射流对中心射流的影响
随着的增大，中心 射流势核长度越来 越小，中心射流速 度衰减越来越快
燃烧
紊流燃烧
过渡态燃烧
燃料物质形态
均相燃烧 异相燃烧 层状燃烧(固定床) 沸腾床燃烧(流化床 粉煤燃烧(气流床)
燃烧
固体床层
燃烧
射流混合过程
有焰燃烧:煤气与空气在炉内一边混合一边燃烧 气流的喷出速度 空气与煤气的相 对速度 气流的交角 旋流速度
煤 与 气 合 度
气 空 混 程
长度 宽度
温度分布 交叉射流
交叉射流
射流轴线
1 2 0v0 2
几何中心线
正面受主流动压头的冲 击 背面受尾流中降压旋涡 卷刷 射流出现周向速度分量 射流受到侧面切应力作用
v0 ρ0
v0 ρ0 旋涡
卷吸掺混强烈 Ⅰ射流核OB Ⅱ显著弯曲段
u0 θ0 Q 0 ρ0
Ⅲ旋涡扩展段
交叉射流
穿透深度的经验公式：
y 0.85 x 0.38 ( ) ( ) d d
x0 0.41 cot( ) 2 b0 a
xch 1.31 b0 a
x0 射流极点至喷口的距离， m b0 喷口短边长度，m xch 初始段长度，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度场分布 均匀性有关的经验常数，对于扁矩形喷口，a＝ 0.1~0.12
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
从直径d0喷出的密度为ρ0 的气体的动量G0和速度u0 G0=Gs u0=us
从当量直径de喷出的密度为ρs的气体的动量Gs和速度us
0 1/ 2 de d0 ( ) s
m0 G0
2m0 de ( 0G0 )1/ 2
同向平行流中的自由射流
单股射流射入与其同向平行流动的主气流中
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
自由射流轴向浓度的径向分布规律：
T Tw y 3/ 2 1 ( ) T0 Tw ybj C Cw y 3/ 2 1 ( ) C0 C w ybj
自由射流轴向浓度Cm分布规律：
Tm Tw T0 Tw
Cm C w C0 C w
us / u0 0.2 ~ 0.5
x d0
射流充分发展区轴心速 度uc的衰减规律:
表示射流的 扩散情况
uc u s x p u0 u s x
射流张角及射流扩展率随λ的增大而减小
多股平行射流
过渡段 初始段 基本段
过渡段的大小和平行射流组 中相邻喷口之间的距离有关 多股平行射流基本段中速度 场仍服从自由射流的速度分 布规律
由实验确定
对于易于燃烧的烟煤来说
中心射流速率大，环状射流速率小，从而在环状射流 喷口处形成回流区，促进混合，并降低了中心射流喷 口处的温度，防止烧坏喷嘴
旋转射流---简介
径向和轴向压力梯度 轴向压力梯度增大
流体轴向倒流，形成 回流区 旋转紊流运动 自由射流运动 尾流
旋转射流---简介
I区，自由漩涡 II区，固体漩涡
射流射程 速度衰减
初始段约为喷口 直径的4~5倍
静止气体中的自由射流
过渡段的长度约为喷口直径的10倍
剪切层 掺混层
内外边界 紊流边界层 卷吸作用 外围气体跨流扩 散与主流混合
过渡段
势流核心缩小消失 相似速度分布
静止气体中的自由射流
过渡段 射流沿程各断 面上轴向流速u 呈正态分布 射流充分发展 自模段(充分发展段)
旋转射流---特点
①旋转射流具有内回流区和外回流区，扩展角比较 大，相对直流射流而言，旋转射流卷吸周围介质的 能力强，可以依靠自身的回流区保持稳定着火。 ②旋转射流出口处速度高，由轴向、径向和切向速 度组成，气流的早期混合强烈。 ③切向速度衰减很迅速，气流旋转效应消失较快， 因此后期混合较弱。 ④旋转射流的轴向速度衰减也较快，因此射流射程 较短。
x0 射流极点至喷口的距离， m R0 喷口半径，m a 湍流系数，与气流湍流程度及喷口处速度 场分布均匀性有关的经验常数，对于圆形喷 口，a＝0.07~0.076，约为28o ，初始段长 度约为R0的8.8~9.6倍
静止气体中的自由射流
喷口形状
射流核心 火焰黑根 长度xp
喷口速度分布
实验决定
1.04 x a 0.41 R0
1.04 x a 0.41 R0
静止气体中的自由射流
自由射流对周围气体的卷吸能力可用卷吸率表示：
me mx m0 m0 m0
me 卷吸量 mx x截面处射流的总质量流量 m0 射流的初始质量流量
静止气体中的自由射流
0 s
非等温过程
当量直径de
自由射流轴向速度um 分布规 律 自由射流轴向速度的径向分布规律 自由射流轴向浓度的径向分布规律 自由射流轴向浓度Cm分布规律
静止气体中的自由射流
扁矩形喷口：
自由射流轴向速度um分布规律：
u0 um
自由射流轴向速度的径向分布规 律：
x a 0.41 b0 1 .2
ux y 3/ 2 2 [1 ( ) ] umx ybj
当多股平行射流存在时，由于 每股射流彼此之间的相互影响， 射流之间形成较为强烈的漩涡 区，使得多股射流的湍流脉动 比自由射流大。所以多股射流 与单股射流相比，具有如下的 特点： 1.多股平行射流初始段长度比单 股射流流程短，约小30%左右； 2.由于边界层的增厚主要与横 向脉动速度成正比，所以混合 区厚度比单股大
旋转射流---自由漩涡
位能旋涡：靠流体内部位能变化(静压或水位差)而形成的旋涡 自由旋涡：无外加扭矩作用、理想流体、无摩擦损耗、漩涡 不同半径上的动量矩守恒
旋转射流---自由漩涡
自由旋涡的特点：
切线速度v0与半径成反比 v0 r cont K 流线虽然是同心圆，但是各流体微团并没有绕其自身轴 线自转运动(不包括涡心)，而是一种无旋圆周运动，即各 流体微团的旋度为零。 包括涡心，任何半径r圆周上的环量或涡强Γ都相等，所 以自由漩涡又叫做等环量或等涡强流场
旋转射流---固体漩涡
固体旋涡---强制旋涡 漩涡中心有个半径为R1的涡核，涡核内的流体绕中心O按固体 旋转规律旋转，即