第六讲 预混可燃气的湍流燃烧 PPT课件

第六讲 预混可燃气的湍流燃烧
§6.1 湍流燃烧及其特点
实际各种燃烧装置中的燃烧过程往往都是湍流燃烧过程。
所谓湍流的确切定义尚难明确，但与层流的平滑分布和有 秩序流动相比较，可认为它具有：
(1) 不规则性 只能用统计方法 (2) 扩散性 传递速度加快 (3) 具有明显的旋涡脉动 （尺寸大小：含能大、小， 脉动具有耗散性） (4) 是一种流动（是流体受约束转弱的自收运动状态 ）
l
大尺度湍流火焰
l
强湍流火焰 湍流的脉动速度远大于层流火焰传播速度，此 时有：
u' SL
弱湍流火焰 湍流的脉动速度小于层流火焰传播速度，此时有
u' SL
湍流火焰稳定燃烧的条件： 一维湍流能量方程：
CP ST
dT dx

d dx
[(

T
)
dT dx
]

sQs
为便于分析，取无量纲后：
§6.2 湍流燃烧火焰传播速度
湍流燃烧火焰传播速度:
湍流火焰前沿法向相对于新解可燃气运动的速 度
ST=u COSθ
测定ST的常用方法有二种。 (1) 定常开口火焰，本生灯法
(2) 定常封闭火焰
对于定常开口火焰，ST的大小测定
V
(1) 测得U及θ
F
(2) 流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积
如何确定F是很困难的。
层流火焰与湍流火焰的特点比较
当Re < 2300 层燃火焰 a) 前沿厚度0.01~0.1mm高度； b)火焰前沿光滑基本成正圆锥形； c) 20~200cm/s
当Re>2300时，湍流火焰（渐变过程） a) 火焰高度很小。说明 ST>>Sl b) 火焰前沿出现脉动和弯曲 c) 收光区模糊 d) 有明显的噪音 e) 有较宽的反应区域
燃烧在湍流物中进行，即为湍流燃烧。

湍流燃烧形式：1）预混气（燃料气及空气预混） 2）扩散（燃料气及空气扩散）
以本生灯火焰为例:
当Re<2300时，本生灯喷嘴火焰为层流火焰，它的火焰十 分薄，一般只有0.01~1.0毫米。在层流火焰中火焰前沿是很 光滑的，并且基本上成正圆锥形。
在湍流工况时，火焰根部前沿厚度增加不多，但在火焰 锥顶部，火焰明显地变得很厚。在湍流工况下，火焰前沿很 明显出现了脉动和弯曲，试验发现由于湍流脉动的结果，使 得湍流火炬的高度比层流短得多。
对于定常封闭火焰，困难如何确定火焰面积。
本生灯的火焰前沿
d ds cos
uH w cos
uH

V F
Sl

w0
F FL
ST
w0
F FT
低雷诺数湍流
低雷诺数湍流中，火焰出现皱折和抖动，在高 速摄影中仍可发现火焰面基本连续
湍流火焰传播速度ST ST > SL ST与流动状态有关
Tm T
Tm T
Tm—火焰最高温度
ST
ST U
x
L
L—特征尺度，可是直径、长度等
u'2 Lh U L
表征脉动强度（与主流速度之比），Lh 湍流微团尺度
a
u L
则有：
湍流/层流时导温能力 之比
ST

ST
(Tm T
,
E RT
,
u'2 Lh , a , Sl2L ) u L u L ua
在每个可燃物微团外表面上，燃烧速度和层流火 焰流法燃线烧传速播度速的度增大Sl相倍同数，应因等此于湍因流气燃流烧脉速动度使比火层焰 前沿表面积增大的倍数
1沿) 厚气度流小脉,考动虑速到度l不T是大表，征湍微流团标的尺大lT小比，层气流流火脉焰动前 对火焰前沿的歪曲不会很大，只能把光滑的层流 火焰前沿变成波纹状(图a)。
对于层流火焰，在一定条件下，火焰传播速度与试验装 置无关。
在研究湍流燃烧时，针对湍流火焰，同样期望确定其传 播速度时，不要与装置本身有关，以带有共性，仅与料量比： λ、μ、D等量数有关。
事实证明这是不可能的。
在某些化学当量比下，湍流中有效热扩散系数要比层流 中分子的热扩散系数大100倍，因此，湍流火焰的理论概念 不象层流火焰那样容易定义。
一、小尺度湍流火焰
邓克尔认为：
1. 小尺度火焰（l ）湍流仅增加火焰前面的物质输运
系数(a),对火焰前的形状不产生影响
2. 湍流的作用是增加了前沿厚度
分析：
SL a
a C
假定 动量传递、传热、传质三者相似，且有：
a D SL
根据相似性，有：
ST SL
2) 气流脉动不很大，湍流标尺大于层流火焰前沿 厚度的情况。此时火焰前沿弯曲得很厉害，但火 焰前沿还未被撕裂(图b)。
3) 气流脉动及湍流标尺均很大的情况，此时火焰 前沿被撕裂得四分五裂，而不再以连续状态出现 (图c)。在三种典型工况下，火焰前沿表面积的计 算方法也大不相同。
邓克尔和萧尔金皱折火焰面模型
另一类是湍流燃烧模型方法，是以计算湍流燃烧速率为 目标的湍流扩散燃烧和预混燃烧的物理模型，包括几率 分布函数输运方程模型和ESCIMO湍流燃烧理论。
§6.3 湍流燃烧理论分析 （经典理论分析方法）
湍流燃烧火焰分类：
小尺度湍流火焰 不规则运动的气体微团的平均尺寸相对小于
混合气体的层流火焰前沿厚度，此时有
高雷诺数湍流燃烧
不再存在单一连续的火焰面，整个燃烧区由许 多程度不同的已燃和未燃气团组成-----“容积燃 烧”
影响燃烧速率的因素
流动状态 分子输运过程和化学动力学因素
研究湍流火焰过程中发展起来的方法
一类为经典的湍流火焰传播理论，包括皱折层流火焰的 表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论。
如初温及压力变化不大,则
ST ST (
u'2
Lh
,
S
2 l
)
u L
u
2
表征湍流火焰传播能力与脉动速度与标尺有关. 如P, T固定
ST A( u '2 ) Sl 且 1
湍流气流中火焰传播的表面燃烧模型
此模型是在层流火焰传播理论的基础上发展起来 的，即应用了火焰前沿的概念，并认为在湍流工 况中燃烧速度之所以会增加是由于在气流脉动作 用下使得火焰前沿表面产生弯曲，因而燃烧表面 FT增加;
（其中：ε是湍流扩散系数）
如是定常开口火焰，其湍流尺度 l 与管直径成正比 脉动速度 u' 与 u 成正比，因此有：
lu' du Re
则
ST Re SL
因此：
ST f (SL , Re)