燃烧学讲义-第4章燃烧物理基础

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1、第四章燃烧物理基础4.1传质学基础4.2湍流物理模型及计算4.3"三传"的比拟4.4自由射流中的混合与传质4.5旋转射流中的混合与传质4.6钝体射流中的混合与传质4.7平行与相交射流的混合与传质14.1传质学基础物质由高浓度向低浓度方向的转移过程称为传质，也称为质量传递。传质的两种基本方式：分子扩散传质和对流传质。2扩散的基本定律传质的推动力是组分的浓度梯度。组分i的浓度通常用质量浓度ikg/m3或摩尔浓度Cikmol/m3来表示。对于混合气体，可见在等温系统中，组分的摩尔浓度与分压成正比。3费克（Fick）第一定律质量基准总质量浓度ρ为常数摩尔基

2、准总摩尔浓度C为常数对于一维扩散4费克（Fick）第二定律质量基准对于一维扩散摩尔基准对于一维扩散5质扩散率费克中出现的质扩散率D，表征物质扩散能力的大小，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D6对流传质及传质系数流体流过壁面或液体界面时，如果主流与界面之间有浓度差，就引起传质。这种传质称之为对流传质。流体与界面间传质通量可如下定义与传热中的牛顿冷却公式形式相同。7浓度边界层在对流传质中，在界面上也象

3、热边界层一样会形成浓度边界层。扩散介质的浓度变化主要发生在浓度边界层之内。8重要的准则数普朗特准则数施密特准则数对流传热的努谢尔特数对流传质的舍伍德数9管内强制对流湍流换热的公式管内强制对流传质的公式104.2湍流物理模型及计算4.2.1湍流的物理本质——脉动1883年，雷诺（Reynolds）首先发现了粘性流体存在着两种不同的流动状态——层流和湍流当Re=wd/Relj时，由定常的层流流动→非定常的紊流流动—湍流。湍流的特征：流体质点的速度w大小、方向和压力p都随时间τ不断地变化，有时流体微团还会绕其瞬时轴无规则、且经常受扰动的有旋运动，所以在

4、流体中明显出现很多集中的漩涡，不断地产生—消灭—再产生—再消灭。这种瞬息变化的现象称为脉动。实验还发现湍流状态下，速度w、压力p、某组分物质的量m及流体的温度T总是在一个平均值上下不断的脉动。11是瞬时真实速度w（或者压力p）对时间的积分中值：即　　　　　及及12脉动的特性：(1)速度脉动w´（或p´）对时间的平均值（时均值）为0。即(2)速度脉动w´的时均根值(3)流场中任意一点上的两个不同方向上的速度脉动如wx´、wy´的乘积的时间平均值只有当（非湍流）或13流场中，任意相距y的两点1和2上，其相关性用e12表示当y=0时，　；当y→时令e12

5、=0，说明点1与点2湍流无关。14速度脉动wx´决定湍流中的“三传”过程——湍流切应力——湍流正应力动量传递——湍动度——湍流热通量热量传递——湍流传质通量质量传递其中：w*——某一特征速度c——比热m´——流体某一组分物质量的脉动量另外两个主要量：湍流动能湍流耗散154.2.2湍流的数学描写—雷诺方程式粘性不可压缩流体连续性方程和运动微分方程Navier-Stokes方程按牛顿第二定律：惯性力=重力（体积力)+压力（表面力）+粘性力连续方程：运动方程:X方向：Y方向：Z方向：16时均化处理:考虑在湍流状态下，流体质点的不定常湍动，因此必须对各参数进

6、行时均化处理。按上述方程式从左向右进行时均化。惯性力17时均化处理:第一项第二项同理：第三项时均化后：第四项时均化后：（时均值不随时间变化）18时均化处理:重力项压力项粘性力项19时均化处理:连续方程时均化后为：X方向可以合并由湍流脉动引起的附加应力20附加应力与粘性力合并后得：雷诺方程组连续方程X方向Y方向Z方向21结论:加上连续方程，方程数为3+1=4，而未知数为10个10个未知数3个时均速度1个时均压力3个湍流正应力3个湍流切应力要能求解运动方程及连续方程必须补充六个方程——湍流附加应力方程224.2.3湍流附加应力的假设普朗特混合长度理论（

7、0方程模型）——动量转移理论等效湍流粘性力假设（0方程模型）23普朗特假定湍流切应力的大小是由流体微团速度脉动wy´引起的在l范围内横向动量转移来确定的。认为：在混合长度范围内wx´≈wy´≈wz´是同一个数量级，则24普朗特假定湍流切应力混合长度l的物理意义为：因速度脉动，引起流体任两层之间的纵向速度差Δw正好等于纵向速度脉动wx´时，该距离称混合长度l混合长度l需要通过实验测量，对管内流动，在层流底层，l很小，而在充分湍流的中心区域，l很大。25归纳：（1）湍流切应力（2）当　　　的地方，湍流切应力=0（3）除壁面附近的流动外，出现湍流切应

8、力最大值的地方，速度梯度　　也最大。（4）切应力的正负符号与　　的相同。26等效湍流粘性力假设Bossine