6-燃烧学讲义

《6-燃烧学讲义》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第六讲预混可燃气的湍流燃烧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）燃烧在湍流物中进行，即为湍流燃烧。§6.1湍流燃烧及其特点以本生灯火焰为例: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

2、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。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）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>>Slb)火焰前沿出现脉动和弯曲c)收光

3、区模糊d)有明显的噪音e)有较宽的反应区域对于层流火焰，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。在能源、动力、航空和航天等工程领域，经常遇到的实际燃烧过程几乎全部都是湍流燃烧过程.在湍流燃烧中，湍流流动过程和化学反应过程有强烈的相互关联和相互影响。湍

4、流燃烧的认识湍流通过强化混合而影响着时平均化学反应速率，同时化学反应放热过程又影响着湍流，如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容.。湍流燃烧的认识组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项；化学反应中组份的生成(消耗)率或能量的释放速率是反应物浓度和反应流体温度的强非线性函数；由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反应速率都是随时间而脉动的，因此在湍流燃烧的数值模拟中，不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈确定的强非线

5、性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率的模拟。湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于用时平均值表达的反应速率.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=uCOSθ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(1)测得U及θ(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。对于定常封闭火焰，困难如何确定火焰面积。§6.2湍流燃烧火焰传播速度本生灯的火焰前沿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

6、摄影中仍可发现火焰面基本连续湍流火焰传播速度STST>SLST与流动状态有关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。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湍流燃烧理论分析湍流

7、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，此时有大尺度湍流火焰湍流燃烧经典理论分析方法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：弱湍流火焰湍流的脉动速度小于层流火焰传播速度，此时有湍流火焰稳定燃烧的条件：一维湍流能量方程：为便于分析，取无量纲后：Tm—火焰最高温度L—特征尺度，可是直径、长度等表征脉动强度（与主流速度之比），Lh湍流微团尺度湍流/层流时导温能力之比则有：如初温及压力变化不大,则表征湍流火焰传播能力与脉动速度与标尺有关.如P,T固定湍流气流中

8、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;在每个可燃物微团外表面上，燃烧速度和层流火焰法线传播速度Sl相同，因此湍流燃烧速度比层流燃烧速度的增大倍数应等于因气流