第八章 预混湍流火焰

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1、第八章预混湍流火焰§8-1预混湍流火焰结构的一些观察现象湍流预混火焰特征与层流预混火焰的有着十分显著的差别。下图比较了用直接照相术和火花纹影照相术对稳定在圆管上的层流预混火焰与湍流预混火焰所拍的照片。图8.1层流和湍流火焰的直接长时间曝光和瞬时纹影照片图8.2多张纹影照片中瞬时火焰边界轮廓线的叠加肉眼看上去，层流火焰的轮廓是清晰的，其纹影图象能描述最大密度梯度的区域。当流体的雷诺数达到并超过临界值时，流动由层流变为湍流。相对于层流火焰，湍流火焰的142长度缩短，并且在直接长时间曝光照片中，可见到火焰区域扩大了，出现了皱褶；在火花纹影照片中，我们可以看到火焰前沿出现了不规则的皱褶。图8.2是一系

2、列湍流火焰边界纹影照片的叠加。观察到的利用钝体或值班火焰稳定的预混火焰具有相似的结构特点。另一种方法是在未燃混气中加入小粒子利用米氏散射来显示预混湍流火焰结构。在这种方法中，用激光片来照射流动区域，火焰前锋位于亮和暗的分界线上，亮的地方是激光片被粒子散射的结果，而暗的地方则是由于燃烧放热，气体膨胀，从而使粒子的密度减小，减少了对激光的散射所致。图8.3是在活塞发动机中、不同的活塞运动速度下，用该法拍摄的一些预混湍流火焰传播的图象。我们再次看到，火焰前锋出现了褶皱，并且褶皱的程度与活塞运动的速度有关。另一项观察预混湍流火焰结构的技术是用Rayleigh（瑞利）激光散射的方法瞬态测量在流动邻近平均

3、火焰位置的特定处的气体密度。图8.4显示的是典型的气体密度随时间的变化。我们可以看到，气体的密度值在未燃气体与已燃气体值之间快速地波动，表明火焰是一个通过测量位置脉动着的薄层。图8.3用米氏散射方法观察到的活塞发动机中火焰前锋的位置（Sp为活塞运动速度）143图8.4用Rayleigh（瑞利）散射方法测得的瞬时气体密度上述数据表明，湍流预混火焰传播可以描述为在湍流流动中传播的薄的层流预混火焰。湍流流动使火焰发生了扭曲，扭曲的程度则取决于当地的湍流程度。这一观察表明，除了火焰厚度δ以外，还存在另一与湍流速度脉动有关的长度尺度和速度尺度。f湍流预混火焰速度可以用流经火焰的可燃预混气的体积流量Q&与

4、湍流火焰的表观面积Af来表示。例如，我们可以把反应发光区的内边界定义为湍流火焰表面，如图8.1所示。ST≡Q&/Af比较用这种方式定义的湍流火焰传播速度与层流火焰传播速度可以看出，当流体的雷诺数超过临界值时，湍流火焰传播速度大于层流火焰传播速度。图8.5表示在圆筒状燃烧器上测得的雷诺数对湍流火焰传播速度的影响。图8.5在圆筒状燃烧器上测得的雷诺数对湍流火焰传播速度的影响§8-2湍流的一些基本概念为了进一步讨论湍流火焰，我们有必要回顾一下有关湍流的一些基本概念。湍流的特144点是局部流动参数（包括速度、密度、温度、成分等）处于脉动状态。在粘性流体中产生的这些脉动是由剪切作用产生的流动不稳定性造成

5、的。在流动雷诺数很低时，由于粘性对脉动的抑制作用，此时是层流流动。尽管不是很精确，我们还是可以将湍流流动简单描述为随机的脉动，并且当地湍流瞬态流动特性f(X,t)可以表示为时均值f(X)和随时间的脉'动值f(X,t)之和。'f(X,t)=f(X)+f(X,t)∞其中f(X)≡lim[1/T∫f(X,t)dt]T→∞0'并且，可以定义f(X,t)=0统计学上随机流动f(X)可以由f(X,t)的概率密度函数来决定。这里，P(f)是当变量f→f+df时，流动参数f的概率。∫P(f)fdff(X)≡=∫P(f)fdf（8-1）∫P(f)dff随机脉动的量值可以用P(f)分布的方差2σ来表示。2∫P(f

6、)(f−f)df22σ(X)≡=∫P(f)(f−f)df（8-2）∫P(f)df2方差的平方根σ是常用的标准差，或者是f的均方根值。f的均方根值与平均值的比值定义脉动度，或为湍流强度If2σI=ff(X)在湍流流动中，湍流强度I可以从百分之几（在低的剪切、高的均速流中）变化到大f于100％（在高的剪切、低的均速流中）。145湍流强度在描述湍流流动特性时有用，但是它没有反映湍流流动中参数的脉动尺度或频率。湍流流动通常有一个宽广的脉动频率（或者波长，振幅）范围，包括从高频（小尺度）的能量耗散涡流微团到低频（大尺度）的涡流微团，这些低频微团宏观输运着质量、动量和能量。通常，用单一的尺度是无法全面描述

7、湍流流动的所有特征的，对尺度参数的选择取决于我们感兴趣的那种湍流现象。在湍流燃烧中，影响湍流火焰传播的因素很多，我们可以考虑定义湍流的尺度的几种方法。我们以平面剪切湍流为例来进行讨论：在剪切层内，有各种湍流尺度（旋涡尺寸）。旋涡最大尺寸的数量级与剪切层的厚度l相同。这些大涡造成了自由流对剪切层的卷吸，这种卷吸是两股流动之间混合过程的第一步。混合层厚度l随着下游距离L的增加而增加。最小旋涡尺寸远远小