燃烧理论_7简化守恒方程ppt课件.ppt

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1、燃烧理论姚强李水清清华大学热能工程系热能动力工程与热科学重点实验室煤清洁燃烧国家工程研究中心(NERC-CCC)2008.4.18第七章反应流的简化守恒方程为什么研究简化守恒方程？——火焰合成举例火焰合成技术源自中国Pratsinis,ETH(1)概述本章的首要任务是给出表述反应流质量、组分、动量和能量守恒的简化控制方程。特别地，对以下三种情况进行处理：一维平面(仅x轴)的稳定流(定常流)；一维球形(仅r轴)的稳定流(定常流)；二维轴对称(r轴和x轴)的稳定流(定常流)。简化重要性Content总质量守恒(连续性方程)组分质量守恒多组分扩散动量守恒方程能量守恒方程守恒

2、标量的概念——混合物分数定义Ya.B.Zel’dovich层流预混8液滴燃烧10层流扩散9优点：简化方程守恒可以方便可以理解燃烧过程物理和化学的本质！缺点：比如，Faeth小组(燃烧届传奇人物)最近的一项研究表明[1]，预混火焰中由温度梯度引起的组分间扩散(热扩散)速率的不同对湍流火焰的传播具有深远的影响。(2)总质量守恒(连续性方程)两边同时除以，并认为更通用的形式平面(仅x轴)的稳定流球形(仅r轴)的稳定流二维轴对称(仅x和r轴)的稳定流参加KKKuo<燃烧原理>陈义良；郑楚光(3)组分质量守恒(组分连续性方程)考虑一个一维的控制体，如图3.3所示，,厚度为x.

3、在控制体内A质量的净增加率为与质量流率和反应速率相关:控制体内A质量的随时间变化率A流入控制体的质量流率A流出控制体的质量流率化学反应引起的组分A的产生速率是组分A在单位体积内的产生率(kgA/m3-s).在第4-5章中，我们来学习如何确定.注意到在控制体内A的质量为mA,cv=Yamcv=YAVcv及体积为Vcv=Ax,方程.3.28可写为:除以Ax并让x0,式3.29成为或,对于平面稳定流方程是双组份一维稳态流动混合物的组份守恒方程,假设组分扩散仅因浓度梯度引起.对于多维情况有：缺了一项？二维柱坐标意义组分守恒方程的无量纲分析连续性方程传质的Peclet

4、数组分守恒方程的无量纲分析组分质量通量更广泛的表达形式这是读者所熟悉的流体速度，定义为质量平均整体速度。组分流速与整体流速的不同在于相差一个扩散速度，即也就是说单个组分的流速是与整体流速有关的。扩散质量通量可以用扩散速度来表示：这个形式在文献中频繁出现，而且被Sandia国家实验室用来编写燃烧模拟计算程序（文献[3]，[4]）。(3)多组分扩散在对燃烧系统的建模和学习理解中，尤其是对层流预混和非预混火焰结构的研究中，不能用二元混合物来做简化。在这种情况下，组分的输运公式必须同时考虑众多且性质差别很大的组分。例如，我们可以推断，大燃料分子的扩散速度要小于氢原子的扩散速度

5、。另外，火焰中典型的大温度梯度，形成了浓度梯度之外另一个推动传质过程的作用力。这种作用被称为热扩散或者Soret效应，它使得较轻的分子从低温处扩散到高温处，相对的，令较重的分子从高温处扩散到低温处。多组分扩散的通用性方程浓度梯度引起的分子扩散；由温度梯度引起的热扩散；有压力梯度引起的压力扩散；除重力外其他体力引起的强迫扩散；问答题——其它几种扩散？动理学理论：Kinetictheory多元扩散的物理基础和推导1.两个分子碰撞的过程中动量传递2.单位体积分子i碰撞的过程中动量传递变化率3.考虑外部体力4.组分i宏观动量传递方程OrderedmomentumRandomm

6、omentum整体动量守恒来自动理学理论：KinetictheoryStefan-Maxwell方程国际上研究热点,扩散的敏感性分析Turns本书中采用方程推导过程：？？？热扩散(Soret扩散)热扩散系数，可能为正也可能为负，分别表示扩散向冷区域或热区域进行。有兴趣的读者可以详读文献[8]。多组分扩散系数的计算方法Kroneckerdelta函数例题氢气、氧气、氮气的混合物，其中，试确定所有的多元扩散系数。T＝600K，P＝1atm。双元扩散系数的计算(D.2)代数技巧评论：可以推导一下！多组分扩散系数的简化方法严格的讲，上述公式只有在除i以外的其它组分速度均相同时

7、才真正成立[2]。参看：Williams；Combustiontheory用有效二元计算方法可以做到如下简化，第一：与的计算量相比，的计算量是非常小的；第二：除了第N种组分外，其它所有组分的扩散速度都可以用该组分的浓度来单独表示。相比来讲，用严格的多元扩散系数方程来表示，每种组分的扩散速度都需要N－1项来表示，且其中每一项都含有不同的浓度梯度。例题(自己看一下)氢气、氧气、氮气的混和物，混合分数与例题7.1相同。分别计算出三种组分的有效二元扩散系数用计算出的有效二元扩散系数求出各组分的扩散速度。假设几何结构为一维平面。再用多元扩散系数精确计算扩散速度