浙大高等燃烧学_湍流燃烧理论模型_程乐鸣_2013_9

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1、第四章预混可燃气的湍流燃烧程乐鸣87952802lemingc@zju.edu.cn2013年9月29日-10月3日§4.1湍流燃烧及其特点实际中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定义，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。湍流燃烧形式：1）预混气（燃料气及空

2、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。速度快，反应快，高度低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

3、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

4、易定义。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=uCOSθ测定S的常用方法有二种。T(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，S的大小测定T(1)测得U及θV(2)流入可燃预混气流量除以湍流火焰表面积F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。FSwl0FLFSwT0F湍流火焰锥外T表面面积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

5、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。§4.2表面燃烧理论应用火焰前沿概念，在层流火焰传播理论上发展起来。湍流燃烧速度增加的原因：湍流，火焰表面弯曲，燃烧表面增加。每个燃烧微团外表面燃烧速度和层流火焰法线传播速度uH相同。uFTTuFHLFT的求取（a）气流脉动速度不大：湍流标尺lT比层流火焰前沿厚度小,考虑到lT是表征微团的大小，气流脉动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

6、)（b）气流脉动速度不很大：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)。假设火焰前沿近似弯曲成圆锥形，湍流脉动使火焰前沿由22ll22HFT增加至圆锥表面积TLF14T4l（c）气流脉动速度和湍流标尺均很大T火焰前沿被撕裂得四分五裂，而不再以连续状态出现(图c)。湍流火焰传播速度直接与脉动速度成正比，而与燃料种类及其物理化学特性关系不大。§4.3湍流气流中火焰传播的容积燃烧模型1.表面燃烧模型缺陷2.容积燃烧模型的特点3.强湍流下容积燃烧

7、模型与表面模型对比4.容积燃烧模型的数值计算方法5.容积燃烧模型与表面模型的比较1.表面燃烧模型的缺陷圆锥形火焰前沿的假定很难证实，实际燃烧火焰前沿形状各异可通过修正来解决只考虑脉动使反应表面增大，微观上看仍然是层流火焰结构，没有考虑脉动引起的可燃物与燃烧产物的强烈混合作用表面扩展到哪里，燃烧就立即在表面发生，即不考虑化学反应动力学因素试验观察到的火焰特点在强湍流条件下，试验发现实际燃烧火焰特点：燃烧不是集中在薄的燃烧区，而是进入到了较深区域火焰厚度约为层流火焰的几十倍浓度、温度分布与层流有较大

8、差别2.容积燃烧模型的特点Summerfiled等人根据湍流火焰浓度和温度的分布等数据，认为湍流火焰结构与层流相差很大因而提出了容积燃烧模型，其特点如下在高湍流强度下，火焰是一个弥散反应区微团从形成到燃烧，需要考虑混合时间和感应周期、浓度和温度等因素，微团燃烧发生在容积内部微团内部温度浓度局部平衡，不同微团浓度、温度、反应完全度不同3.强湍流条件下两种模型的对比表面燃烧模型容积燃烧模型微团产火焰前沿破裂火焰