高等燃烧学3燃烧物理学基础

InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 输运定律 多组分气体基本参数的定义 射流理论 直流自由射流 旋转射流 气固多相流理论第2章燃烧物理学基础2.1引言燃烧物理学涉及的InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 质量密度如果气体中共有N种组分，每一种组分用s来表示，那么P点处组分的质量密度为：2.2多组气体基本参量一、密度InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114组分的质量相对浓度，或称为质量百分比浓度多组分气体中组分的摩尔相对浓度，或者说是摩尔百分比浓度一、密度InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114如果多组分气体各组的分子量相差不多或者其中一组分的浓度大大大于其他所有组分的浓度一、密度InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 假定有一种静止的等温度流体B，从它的一边渗入另一种流体A，而在另一边将流体A渗出。 在B中不同的层上，A的浓度不同。由于浓度差存在，将产生扩散。在单位时间内、单位面积上流体A扩散造成的物质流与在B中流体A的浓度梯度成正比，即：二、扩散定律InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 在考虑两种组分以上的多组分混合物的扩散问时，常常把考虑的组分当作一种组分，而把组分以外的所有组分作为另一种组分，这样近似地处理为双组分扩散问题，那么扩散方程可以写为：二、扩散定律InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 假定把混合物看作理想气体，还可以把扩散方程表示成分压力梯度或质量百分数的形式，即：二、扩散定律InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 也可以把扩散方程表示为马克斯韦尔-斯蒂芬（Maxwell-Stefan）的形式二、扩散定律InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 在多组分混合物中，通过一个微元表面，各组分扩散的物质流之和为零二、扩散定律InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 多组分气体的导热问题不同于单组分气体的导热定律所描述的那样，它除了由于温度梯度所造成的热流之外，还应当有扩散的物质流所携带的焓值。即对普通的傅立叶导热定律应进行修正，而成为修正的傅立叶导热定律其中：包括显焓和生成焓（即化学焓）两部分二、扩散定律InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114普朗特数斯密特数刘易斯数三、三个重要的无量纲数InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 组分的守恒关系 由于多组分气体宏观流动从微元体带走的组分的量，加上由于扩散运动组分扩散出去的量，再加上由于化学反应消耗掉的组分的量，应该等于同一时间内，微元体内组分物质质量的减少。四、扩散方程InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 x方向上由于流动造成的组分从微元体的净流出量 x方向上由于扩散造成的组分从微元体的净流出量四、扩散方程InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 在y方向和z方向由于流动和扩散而造成的净物质流量四、扩散方程InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 在同一时间内，微元体内由于化学反应使得s组分的生成或消耗为w， 同一时间内微元体内s组分的质量随时间的变化四、扩散方程InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 应用连续性方程四、扩散方程InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114 对于定常情况四、扩散方程InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114一、什么是射流？ 燃料燃烧过程中，燃料、氧及燃烧生成物通常以较高的速度进行流动，这些物质存在速度梯度，温度梯度和浓度梯度。于是在流动过程中进行化学反应，同时进行动量交换、能量交换和质量交换.2.4射流特性InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114二、射流的定义及分类 高速喷出的流体为射流 在研究燃烧问题时，不可回避射流问题 射流研究建立在流体力学和传热、传质学基础上 射流分类 均匀~非均匀 单股~多股 单相~多相 层流~湍流 直流~旋流 等温~不等温 自由~受限InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流 有关射流定义 自由射流：射流不受固体壁限制，喷向无限大空间，而且射流与周围介质具有相同的物理属性，又称自由淹没射流 直流射流：射流不旋转，切向速度为零 等温射流：射流温度梯度不变化InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流 直流自由射流特性 等温直流自由射流的速度场InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流 射流不断与周围进行质量、动量和能量交换，射流越来越宽，速度越来越低 射流初始段：射流轴线速度仍保持初始速度的区段 射流基本段：射流初始段以后的射流区段，轴线速度随着射流发展逐渐减小 射流过渡截面：射流初始段和射流基本段的分界面 射流核心区：射流速度保持初速度的区域，圆锥形 射流外边界：射流外侧速度为零点的包络线 射流内边界：速度等于出口速度与速度小于出口速度的射流的分界面 射流边界层：射流核心区以外，外边界以内的区域 射流极点：射流外边界延长线的交点InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流轴心速度InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流 定义轴向速度usx，径向速度usy，研究发现usy<<usx因此一般只考虑轴向速度，简写为us 基本段不同截面处(即距离为x),沿宽度y的分布具有相似性usyus/usmy/y0.5InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流 经验表明，不同截面的无因次速度在一条直线上，由此可见，在射流基本段上，各截面上速度分布具有相似性，与Re无关，称为自由射流的自模性经验公式射流轴线上速度变化上式中InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流式中us——某点处射流轴向速度usm——某点对应的轴线处射流轴向速度us0——射流核心区轴向速度y——某点距射流轴线距离yb——某点所在截面射流边界半径h——无量纲距离a为经验系数a=0.07~0.076，对轴对称湍流射流a=0.1~0.12，对矩形喷口湍流平面射流InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114三、直流自由射流 射流基本段浓度分布fm——射流中心线上的介质浓度 yb——射流边界半径f0——射流介质浓度初始值 y——射流某点到轴线距离f∞——射流无穷远处介质浓度 R0——喷口半径f——某截面上某点处介质射流浓度InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114四、旋转射流 旋转射流有三个方向分速度 轴向速度 切向速度 径向速度（通常较小，可忽略） 切向速度大，在射流中心区形成反流区（逆流区或回流区）称为强旋流 切向速度小，未在中心形成反流区，称为弱旋流InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114四、旋转射流 旋转射流特点 强旋流的回流区可提供点火热源，实现稳定燃烧 扩散角大，初期混合强烈，射程短，后期混合弱，射流中心有负压区InstituteofEnergyandEnvironment,ChongqingUniversityChongqing40044,P.R.CHINAE-mail:lizhang@cqu.edu.cn，023-65103114本专业的主要期刊文献：《工程热物理学报》《环境科学学报》《机械工程学报》《中国环境科学》《中国电机工程学报》《燃烧科学与技术》《动力工程》《电站系统工程》《中国电力》《热力发电》《热能动力工程》《煤炭学报》《化工学报》《太阳能学报》英文期刊《COMBUSTION》《FUEL》《COMBUSTION&FLAME》《POWER》《ENERGY》