冉景煜版 工程燃烧学--第 03 章

第三章燃烧空气动力学及模化基础*提要：射流的定义及分类直流及其组合射流流动钝体尾迹中的流动旋转及其组合射流流动气固多相射流的流动特性燃烧空气湍流流动理论模化基础电站锅炉冷炉气流模化试验方法在燃烧过程中，燃料要和空气充分混合才能燃烧完全；要提高设备燃烧效率、提高可靠性和经济性。燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。虽然它是一种氧化放热反应，但是物理过程特别是能量、质量和动量的交换过程对燃烧系统起着重要的作用。在燃烧过程中，燃料、氧化剂及燃烧生成物通常以高速射流的形式存在。这些高速运动的物质存在速度梯度，温度梯度和浓度梯度。射流的研究是建立在流体力学和传热、传质学基础上的。*一、射流及其分类射流是指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并同周围流体掺混的一股高速流体流动。①按流体的流动状态，分为层流射流和湍流射流；②按流体的流动速度，分为亚音速射流和超音速射流；③是否受固体边界约束，分为自由射流、半限制射流和限制射流；④流体在扩散过程中是否旋转，分为旋转射流和直流射流；⑤按管嘴出口截面形状，可分为圆形射流、矩形射流、条缝射流、环状射流和同心射流等。⑥流体的流动方向与外界流体的流动方向，可分为顺流射流、逆流射流和叉流射流。⑦射流流体与外界流体的温度及浓度不同，可分为温差射流和浓差射流。⑧按射流流体内所携带的异相物质，可分为气液两相射流，气固两相射流和液固两相射流以及气液固多相射流等。*第二节直流及其组合射流流动*直流射流的应用十分广泛。在燃烧中直流射流不但是各种直流燃烧器的基本工作状态，而且还经常用来作为加强质交换和热交换的重要手段。通常，燃烧过程中应用的射流都是湍流的，即射流中存在分子微团的不规则运动，其主要特征是，除了射流流体的整体运动外，还有分子微团的纵向脉动和横向脉动，特别是横向脉动对射流中的热质输运现象起着主要的作用。*一、圆形和平面直流射流1、直流射流一般特性假定气流沿x轴的正方向自喷嘴流出，初速度为u0。在射流进入空间后，由于微团的不规则运动，特别是微团的横向脉动速度引起和周围介质的动量交换，并带动周围介质流动，使射流的质量增加、宽度变大，但射流的速度却逐渐衰减，并一直影响到射流的中心轴线上。**射流出口附近的速度分布图（1）气流核心：在开始区域中，气流具有初始速度u0的部分称为气流核心。核心区的边界为内边界面，而射流和静止介质的交界面称为外边界面。（2）混合区：外边界面和内边界面所包围的部分称为混合区，是射流和周围介质发生激烈混合的区域。内边界面上的速度等于初速度u0，而外边界面上的速度为零。*（3）转捩截面：在离喷嘴出口一定距离以后，未经扰动而保持初速u0的区域消失的横截面称为转捩截面。转捩截面距喷嘴出口的距离约为喷嘴直径的4~5倍，喷出射流的湍流强度越大，此距离越短。（4）起始区域和发展区域：喷嘴出口与转捩截面之间的区域称为起始区域，而转捩截面以后的区域称为发展区域。（5）射流极点：射流外边界的交点称为射流极点。*1）起始区域*2、直流自由射流速度分布特性上半边为横向及纵向湍流强度和的分布规律，下半边为脉动ux'及平均速度ux的分布规律在射流的核心区内，横向分布和纵向分布的湍流参数由核心中间（y=0）向内边界层逐渐增加，但变化都不很大。近似认为核心区湍流参数不变。在混合区内，平均速度不断降低。脉动速度则急剧升高，最大值约位于与出口喷嘴直径相等的环形截面上，且速度最大值的位置基本不变。在射流外边界处脉动速度逐渐接近零值。在混合区内，混合十分强烈，其湍流强度最大值比核心区约高三倍。各个方向的脉动速度与平均速度也显著不同。平均速度ux远大于uy和uz；脉动速度的分布却是ux′≈uy′≈uz′*完全发展区中射流各截面的速度分布图是逐渐变形的。距离喷嘴出口愈远，则射流速度愈低，而射流宽度愈大，速度分布曲线愈平坦。*2）发展区域*若把发展区域中，各截面上的轴向速度分布表示在u/um-y/y0.5的无因次坐标上（um表示该截面上射流在x轴线上的速度，y0.5表示该截面上速度为0.5um的点与x轴之间的距离），得如下所示的速度无因次值分布：圆形射流在发展区域中不同截面上的速度分布特性发展区域中，自由射流各截面上的轴向速度分布是相似的，可用下列几种经验关联式来描述：式中：y为横截面上任一点到轴线之间的垂直距离；x为横截面距喷嘴出口的铀向距离；k为实验常数，其值在82~96之间；αu为射流半角，其值约为4.85°。*实验知，射流中的压力变化不大，可认为在射流中的压力等于周围空间介质的压力。在射流的任何一个截面上，总动量M保持不变，其数学表达式为：*3、射流的动量交换式中：u表示射流任一横截面上某点的轴向速度；dqm表示单位时间内流过该横截面上某微元横截面的射流质量流量；m表示射流流过该横截面的总质量。发展区域参数圆形射流平面射流截面的中心速度射流卷吸量截面上的平均速度ua和该截面上的最大速度um之间的关系发展区域内某一截面的边界层宽度与其中心速度之间的关系*ua=0.2umua=0.41um根据动量守恒、相似原理，可得如下特性及经验关系式：发展区域内圆形与平面自由射流的异同当射流初速u0及喷嘴的当量尺寸相同时,平面射流具有比圆形射流大的射程。这是由于平面射流的轴线速度um是与距离x的平方根成反比例,而在圆形射流中其轴线速度um与x成反比的缘故。当射流初速u0及喷嘴的当量尺寸相同时，圆形射流具有比平面射流大的卷吸能力。所谓射流的卷吸能力就是射流卷吸周围介质而使本身流量增加的能力。当喷嘴的当量尺寸相同时，圆形射流比平面射流有稍大的扩散角。*4、射流的热交换在燃烧领域中，常常会遇到射流的温度和周围介质温度不同的情况。这种射流称为不等温射流。和速度场的变化一样，不等温射流中温度的变化也是由输运现象引起的。如果射流温度低于周围介质的温度，则射流逐渐被加热。反之，射流温度高于周围介质温度时，则射流就逐渐被冷却。实验指出，在不等温自由射流中，其温度差的分布和速度分布相似，即存在着温度转捩截面、温度开始区域、温度发展区域、温度核心区域和温度边界层。**不等温射流中的温度分布由于空气湍流的普朗特数（为湍流运动粘度，为湍流热扩散率），因此不等温自由射流的温度分布和速度分布是不重合的，温度分布比速度分布宽些。*不等温自由射流无因次温度分布和速度分布（x/d=20）总的来说，在自由射流中，速度、温度和浓度分布是比较相似的，可用与雷诺数无关的普遍无因次规律来表示，这种特性称为自由射流的自模性。无因次温度与无因次速度之间存在着下列关系：*发展区域参数圆形射流平面射流截面中心温度差的衰减规律经验关系式简写*可知：初始温度差和喷嘴当量尺寸相同的条件下，圆形射流要比平面射流具有更快的温度差降落。因此，如果希望射流更快地被冷却（或加热），则宜采用圆形射流。5、射流中的物质交换在燃烧实践中，射流所含有的混合物成份或浓度常与周围介质所含有的成份或浓度不同。因此射流在周围空间扩展时，必然会发生物质的输运即扩散。例如可燃混合物气流向炉内喷射，或带有煤粉的一次风射流由燃烧器喷向炉膛时，都会引起射流与周围介质间的物质交换。射流中混合物的扩散过程与热交换过程相似。在射流各截面上的相应点具有相同的无因次混合物浓度的比值；并且在无因次坐标中，无因次混合物浓度差的比值和无因次温度差的比值完全相同。**发展区域参数圆形射流平面射流截面中心浓度差的衰减规律经验关系式简写可知：在两种射流的初始混合物浓度差及喷嘴的当量尺寸相同的条件下，圆形射流要比平面射流具有较快的浓度差降落，也即圆形射流的物质交换要更强烈一些。二、环形和共轴射流环形和共轴射流的流动可分为两个具有不同特点的区域：即完全发展区和射流喷出口附近区。完全发展区：完全发展区中，环形和共轴射流的流动特性与圆形射流的流动特性相似。唯一不同的是射流原点发生了变化，也即是在速度、浓度和卷吸量关系式中要考虑原点的位移。对于双共轴射流可看成是一个单一的射流，其当量直径：*射流喷出口附近区：在接近射流喷出口的区域，环形射流的中心具有一个反向的回流区。而对共轴射流而言，在中心射流和环形射流的交界面的尾迹中也存在着这样一个回流区。这个回流区的尺寸和回流速度对着火的稳定性以及中心射流和环形射流间的混合速度都有较大影响。研究指出，对影响共轴射流的流动特性的主要因素有二个，即喷嘴的结构和射流间的速度比。在喷嘴结构一定的情况下，速度比的影响实际上也是流量比的影响。*三、有限射流喷入有限空间的射流称为有限射流。当射流外边界与有限空间的器壁相交时，射流的卷吸停止。由于射流的卷吸和射流外边界的封锁，射流周围的有限空间内压力降低成负压，形成一个反向的压力差，从而使一部分气体从射流中分离出来向相反的方向流动。这样就构成了一个封闭的回路，形成回流区。*流量特性：在射流前一段路程中，流量是增加的，其后下降。在射流外界与器壁相交以后流量保持不变。很明显，前一段流量的增加是由于射流的卷吸作用引起，后一段的降低是因为部分气流的回流离开了射流。速度特性：在有限射流中，气体的动量沿射流方向逐渐减少，其压力逐渐增加。*在燃烧过程中，射流往往不是喷入静止的介质之中，而是喷入一个运动着的主气流之中。根据射流和运动气流的方向，存在两种典型射流组合，一种是与主气流平行流动的射流；另一种是与主气流垂直的横向射流。*四、运动气流中的射流与主气流平行流动的射流：射流的特性以及射流与主气流间的混合均取决于主气流速度与射流初速之比。当此比值偏离1愈远时，混合加强，否则就减弱。在比值为1时，混合最弱。与主气流垂直的横向射流在横向射流中，射流正面由于主气流的冲击，其背面由于一对反向旋涡的运动，而使大量流体进入射流，卷吸过程大大加强。横向射流中各断面的完全相似是不存在的。当气流对射流的相对速度增加时，相似的程度迅速减少。*五、平行射流组在燃烧装置中，往往使用的不是一只燃烧器，而是一组燃烧器，其最基本的空气动力结构就是一组相互平行的自由射流所组成的射流组。由于射流间的相互混合和影响，使射流组中每一个射流和单个的自由射流的流动规律有较大的差异。特别是当射流组中两个相邻射流在离喷嘴一定距离处汇合以后，由于相互的混合作用，使速度场起了较大的变化。因此，射流组的流动过程是很复杂的。**平行射流组的流动特性对平行射流组来说，其起始段的定义仍然是在轴心保持初始速度u0的距离。对于基本段（发展段）则比较难于划分，一般认为两相邻射流汇合的截面即为基本段开始截面，这样在起始段和基本段之间存在有一过渡段。实验表明，射流组的流动特性和各喷嘴间的相对距离B0/b0（射流宽度为2b0，相邻射流中心距为2B0）关系极大，在两射流相交之前，它们基本上是独立的。相交的位置和B0/b0的大小有关。当B0/b0足够小时，相交发生在射流起始段内，而当B0/b0足够大时，相交可在起始段之后发生。*平行射流组速度特征*起始段内：速度分布和自由射流一样，射流的发展是独立的，但是其势能核心区比一般自由沉没射流缩短了约30%。基本段内：服从关系式由于射流组之间存在有限空间内的卷吸作用，平行射流组的外边界比自由射流膨胀得更宽些。平行射流组湍流强度最高的区域是在射流组之间的边界层处。六、煤粉射流组的流动特性在四角切向布置的燃烧器中，每角的一、二次风是交替排列的。一次风为煤粉多相射流，二次风为空气射流。这组射流的流动特性就决定了燃料的着火和燃烧过程。多相射流组中空气很快地相互混合，而煤粉浓度却变化极小，要使煤粉火炬顺利着火和燃尽，必须设法使二次风穿透至煤粉射流核心，亦就是使一、二次风形成一定角度喷入。*第三节钝体尾迹中的流动*钝体对火焰的稳定作用由钝体周围气流的空气动力学特性所决定。实践表明，在钝体的尾迹中存在着一个湍流度较大的回流区。该回流区还提供了一个具有热源和化学上活泼物质成份源的边界层流动，因而使得火焰能够在一个广泛的流动速度和混合物比的范围内稳定燃烧。*一、管流中钝体尾迹的流动特性钝体的种类较多，大体上可以分为两大类：轴对称钝体和两维钝体（如圆柱体或一个很长的平板）。其中每一类又可分为具有锐缘的钝体和平滑钝体。*具有锐缘的两锥平板和圆盘尾迹中的轴向速度分布二、喷射流动中钝体尾迹的流动特性在燃烧实践中常用钝体来作为火焰稳定器，如煤粉燃烧器的扩流锥，油燃烧器中的稳焰轮等，这种钝体放在喷嘴出口处附近，其流动类似于环形射流，与管流中的钝体尾迹有所不同。沿射流长度上存在着三个具有不同区域：即回流区，过渡区和完全发展区。*回流区的边界由正向质量流速等于反向质量流速的那些点的径向位置来确定，也即由零速度边界线来确定。回流区后直到最大速度收敛于轴线上（用的线表示）为止的这一段称为过渡区。往后为完全发展区，在完全发展区中其流动特性与自由射流类似。其轴线上速度最大，往外边界逐渐降低。*回流区尺寸和回流量主要受钝体的形状和阻塞比的影响。回流区的宽度几乎不受阻塞比的影响，而阻塞比主要影响回流区的长度。阻塞比减小，则回流区长度增加，但是阻塞比减小，最大相对回流量也随之急剧减小。用钝体前身的发散半角来表征不同钝体的结构特征。对回流区的宽度和长度都有明显的影响，发散半角愈大，回流区的宽度和长度都愈大。*第四节旋转及其组合射流流动*一、旋转射流概念及特征1、旋转射流概念及分类旋流燃烧器是以旋转射流为基础来组织燃烧过程的。旋转射流因其较大的扩张角及较好的卷吸高温烟气的作用，能够获得较高的燃烧强度及较好的燃烧稳定性，因此被广泛的应用于燃烧技术中。旋转射流可分为三种类型：自由旋转射流，即旋转气流离开旋流发生器后，喷向一个足够大的空间，由于不受固体表面的限制而能够自由扩张，通常简称为旋转射流。例如煤粉炉中旋流燃烧器喷出的气流；半自由旋转流动，旋转流动在外边界上不能自由扩张，如旋风炉复合旋转射流，如各类射流与旋转射流的组合。*只讨论旋转射流和复合旋转射流。将旋转射流分为两类：（1）弱旋转射流。这种旋转射流的旋流强度不大，不出现中心的轴向回流，也即轴向速度皆为正值。（2）强旋转射流。这种射流由于旋流强度大，因而建立了一个足够大的反向压力梯度，从而导致轴向回流，并且存在一个中心回流区。**2.旋转射流特征1）存在轴向速度、径向速度和切向速度。径向速度比直流射流中的径向速度大得多。从旋流发生器出来的流体质点既有旋流前进的趋势，又有沿切向飞出的趋势。这些趋势同时也受着粘滞力的约束和径向压力的影响。2）旋转射流的流动区域与直流射流是不同的，其最大的特点是射流内部有一个反向的回流区。旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，还从内部回流区卷吸介质。*3）从两个方面来卷吸周围介质。一方面从中心回流区卷吸介质，它将高温烟气卷吸到火炬根部来加热煤粉空气混合物，对稳定着火有利。另一方面从射流的外边界上卷吸介质。旋转射流比直流射流的卷吸量大得多。4）旋转射流在旋转前进的过程中，由于径向分速的影响而逐渐扩张，就像一个扭曲的喇叭一样，其扩张的程度由扩张角来表示。气流的旋转和射流最大速度、离喷嘴的距离x等有关，距喷嘴越远，射流最大速度急剧下降。轴向速度u和径向速度v按x-1的规律衰减，而切向速度w则按x-2的规律衰减。5）旋转射流的射程较小。旋流强度增加时，不同方向局部最大速度均增加，但火炬射程却衰减很快。因此可用改变旋流强度的办法来调节火炬射程。*二、旋流强度和旋流发生器1、旋流数表征旋流强度的高低。用一个无因次准则来表征旋转射流的强弱，这个准则就叫做旋流强度则或旋流数S*实际上S表示出口断面上（或任意断面上）切向速度和轴向速度的比值。S大则意味着切向速高，气流旋转加强，因而旋流数也叫旋流强度。2、旋流发生器使流体发生旋转的方法可分为三种：将流体或其中的一部分切向引进一个圆柱导管；在轴向管内流动中应用导向叶片；利用旋转的机械装置使通过该装置的流体发生旋转运动。这类装置包括旋转导叶、旋转格栅和旋转管。目前工业燃烧中常用的旋流发生器有四种：①蜗壳式旋流发生器；②轴向导叶式旋流发生器；③径向导叶式旋流发生器；④上述型式的组合。*三、弱旋转射流与强旋转射流弱旋转射流：旋流数S低于一定数值时，旋转射流中反向的轴向压力梯度较小。此时的反向压力梯度不足以引起内部回流，射流中的轴向速度均为正值，这种旋转射流称为弱旋转射流。强旋转射流：燃烧技术中，从旋流燃烧器流出来的旋转射流大多数属于强旋转射流。这种旋转射流在稳定燃烧方面起着重要作用，相当于在燃烧器出口的射流中心部份旋转了一个热源和化学上的活泼成份源。*四、共轴旋转射流1.共轴旋转射流的流动特性环形旋转射流和共轴旋转射流在轴向分速、切向分速、径向分速和静压的分布方面大体上类似，在定量数值上稍有差异。共轴旋转射流的主要空气动力学特性如内回流区的尺寸及其回流量等取决于内、外旋转射流的流量及其旋流数。共轴旋转射流随着离开喷嘴的距离的增加，其最大轴向速度急剧衰减。最大切向速度比最大轴向速度衰减得更快。其径向速度远大于直流射流。*四、共轴旋转射流2.内、外射流对共轴旋转射流的影响动量矩大得多的外射流对共轴旋转射流的流动特性起着决定性的作用。内射流对复合射流的空气动力学特性也有影响。当内射流与外射流发生动量交换和质量交换时，会使内射流产生旋转，因而就减少了复合射流的旋流数。*五、平行旋转射流大型电站锅炉所用的旋流燃烧器通常由多个旋流燃烧器对称组合而成，在炉内形成复杂的多个组合的、互相平行的旋转射流。由于其对称性，可用一对旋转射流在炉内相互作用的空气动力特性为例加以分析。炉内相邻两旋流燃烧器的旋转方向可以是相同的，也可以是相反的，在燃烧器附近，它们是比较对称的，故可以用叠加法处理。**平行旋转射流组的流动可分为具有三个不同特征的区域。第一个区域是从旋流器截面开始到x/d0=1.5~2.0的截面处。在这个区域中，两个旋转射流都保持各自的特性，几乎是独立存在的，其合成的速度场由各自的速度来决定。第二个区域由x/d0＞2截面开始，大约延伸到x/d0=3.0截面。在这个区域中，两股射流开始并在一起作为一个复合射流而扩展。第三个区域是在x/d0＞3.0截面以后，复合射流具有自由旋转射流的特性。*轴向速度的分布：最大轴向速度的径向位置很接近射流的边界和燃烧器的外壁。沿射流长度方向的最大轴向速度位置几乎没有什么变化。试验表明，最大轴向速度随旋流强度的增加而增大。切向速度分布：两个反向旋转射流的切向速度最大值都在燃烧器出口壁面附近，而内部区域几乎是线性的（即拟固体旋转规律），外部区域符合于自由旋涡运动。研究表明，两个平行旋转射流切向速度的合成场可以简化成两个理想旋涡的叠加。*径向速度分布：燃烧器出口处显示了最大的离心作用。射流的旋流强度越大，则其离心力作用越强。两反向旋转射流的径向速度分布表明，在射流边界附近离心力是最大的，因此在燃烧器外壁附近。在0.6r0（r0为旋流燃烧器出口半径）以外的区域，径向速度的方向都是沿射流轴线指向外部的；但在0.6r0以内的区域，径向速度的方向却朝着射流轴线。*旋转射流在电站燃煤锅炉中的应用炉内空气动力场在各旋流燃烧器喷出的火炬相互作用下构成了各种复杂流动图形，如对冲、相间对冲、同层间同向旋转或反向旋转等。大型锅炉的燃烧器布置都由上述的典型组合而成。火炬旋转方向对炉内空气动力场的影响是很大的。相邻燃烧器反向且相向旋转能使高温烟气向下从两侧和后墙上升；相邻燃烧器反向且背向旋转则使高温烟气上升，火焰中心上移，过热汽温会升高。各旋转射流的旋转方向如果组合得好，不但可以改善燃料的着火和燃尽，而且也可以控制火焰中心，控制炉膛出口烟气温度，甚至可以作为过热汽温的一种调节手段。*有研究者提出了换向燃烧器的设想，即在运行中将某些旋流燃烧器改换旋转射流方向，以达到在煤种或负荷变动时调节过热汽温的目的。应该指出，换向燃烧的效果是显著的，但是在燃烧器结构方面还存在许多问题，有待今后进一步研究改进。*第五节气固多相射流的流动特性*颗粒相的存在使多相射流的流动特性变得更为复杂。目前由于理论上和试验技术上的困难，即使对最简单的多相自由射流研究得也很不够。为了能对多相射流的流动特性有一个初步的了解，根据目前已有的关于多相射流流动特性的试验数据，并把多相射流按其浓度的大小分成低浓度多相射流和较高浓度的多相射流两种情况予以讨论。*一、气固多相流概念二、低浓度多相射流当射流中固体颗粒的尺寸足够小，并且浓度也不大时，可称为低浓度细颗粒多相射流。最简单的处理方法是把低浓度多相射流看作具有较高密度ρm的多相射流喷入较低密度ρg的空气中。关系式为：*试验表明，当颗粒的浓度C=8×10-7~4×10-6m3（固）/m3（气）、颗粒平均直径dp=l5~20μm、喷出速度u0=20~100m/s时，其多相射流中气相速度分布和纯空气射流近似相同。三、较高浓度的多相射流当射流中的颗粒是较粗的分散相，并且浓度又较大时，可称为较高浓度的多相射流。大多数煤粉射流或气固多相射流均属较高浓度多相射流。由于气固相之间将存在明显的滑移速度，再用低浓度多相射流的处理方法显然是不行的。*（1）喷嘴出口处颗粒相和气相的相对速度（三种）当颗粒在喷嘴出口前的管道内已有足够的加速段，或颗粒足够细，可近似认为颗粒速度和气相的速度是相等的。当颗粒在管内加速段还不够长时，喷嘴出口处颗粒速度要低于气流速度。当射流喷嘴前有截面扩大的管道或渐扩喷嘴时，射流出口处颗粒的速度将会大于气流速度，此时由于颗粒惯性的带动，使得气流加速。*（2）多相射流的速度衰减颗粒所具有的惯性作用，使多相射流中气相速度沿射流轴向的衰减比单相射流时有所变慢，从而增加了多相射流的射程。在颗粒直径相同的情况下，随颗粒质量浓度的增加，气相中心速度的衰减将更加缓慢；而在相同的质量浓度情况下，随着颗粒直径的减小，气相中心速度的衰减也将变慢。*（3）多相射流的速度分布和浓度分布多相射流的气相速度分布比单相射流窄一些，即气固多相射流的扩散率比单相射流小，因此其浓度分布在很窄的范围内，通常比气相射流的宽度小2~3倍。并且随着颗粒浓度或颗粒度的增加，扩散率减小的趋势更加明显。固相速度分布相对均匀。*（4）多相射流的湍流特性射流的湍流特性在很大的程度上决定了射流的形状、热量交换和质量交换过程。固体颗粒具有较大的惯性，因此在射流中颗粒的湍流脉动落后于气流的湍流脉动。多相射流中气相的湍流强度比单相射流低。颗粒越大、浓度越高，颗粒相的脉动速度比气相脉动速度低得越多，即表明颗粒的存在削弱了湍流脉动的水平。颗粒沿径向的脉动速度大大小于气相。*（5）多相射流中颗粒的湍流扩散对气固多相射流而言，颗粒湍流扩散比气体速度扩散慢。小颗粒的颗粒扩散系数和湍流射流中动量扩散系数相接近。对大颗粒来说，其扩散速率将明显小于小颗粒的。当颗粒直径一定时，随着颗粒浓度的增加，颗粒扩散系数将降低。当颗粒直径一定时，随着颗粒浓度的增加，颗粒扩散系数降低。*四、气固两相流的特性多相流技术实践中，经常碰到的大量气固两相流动问题。*名称单位煤粉管道中煤粉水煤浆管道中煤粉煤粉炉飞灰锅炉除尘器后粉尘燃油炉碳黑流化床浓度范围g/Nm35001000（10001400）1033150.11.00.0010.01（2001000）103流速范围m/s12250.52.03153153151.54.0颗粒平均直径m40100408015505200.11.08002500在研究两相流动时还要考虑如下问题：颗粒是分散相，有大有小，其运动规律各异。颗粒之间及颗粒与管壁之间碰撞对运动有较大影响。湍流工况下气流脉动与颗粒运动之间的相互影响。气流与颗粒之间存在着相对速度，相互影响。相互碰撞和摩擦所产生的静电效应。在不等温流动过程中会产生热泳现象。颗粒形状不对称，颗粒之间及与管壁相互碰撞等会引起颗粒高速旋转，从而产生升力效应。燃烧技术中还会遇到变质量运动问题。*五、颗粒在气流中的受力分析1.阻力FR2.重力Fg和浮力Fo3.压力梯度Fp：颗粒在有压力梯度的流场中运动时，受到由压力梯度引起的作用力。一般很小，可忽略不计。4.马格纽斯（Magnus）升力Fl：流场中的速度梯度，颗粒形状不规则，颗粒间的碰撞等会引起颗粒旋转。由于颗粒的旋转产生的升力，称为马格纽斯升力。*5.萨夫曼（saffman）升力FS：在有速度梯度的流场中，由于颗粒上下两处的速度不同而产生的升力，可忽略。6.虚假质量力Fvm：粒相对于流体作加速运动时，颗粒及周围流体的速度会增大。推动颗粒运动的力不但增加颗粒本身的动能，而且也增加了流体的动能，故这个力将大于加速颗粒本身所需的力，这好像是颗粒质量增加了一样。所以加速这部分增加质量的力就叫做虚假质量力，或称表观质量效应。通常可忽略。*7.贝塞特（Basset）力FB8.湍流脉动力9.热泳力：燃料颗粒处在有温度梯度的流场中，燃料面向高温区的那一侧面受到的热压力和速度较高的气体分子碰撞比低温区侧面来得多，会发生自高温区向低温区迁移，这种现象称为热泳，这个力称为热泳力。10.颗粒间及颗粒与壁面的相互碰撞11.水分蒸发、挥发分析出和焦碳燃烧时所受的力*六、燃料颗粒燃烧时的运动阻力系数不等温的燃烧过程时，由于燃料颗粒表面温度比气流温度来得高，使得颗粒周围边界层的温度亦比气流温度高。因此边界层上的粘度将比气流大，从而导致颗粒运动阻力的增加。燃料燃烧时由于斯蒂芬流及球表面传热、传质，蒸发、燃烧反应的不均匀性，再加上煤粉燃烧时形状及尺寸变化等的复杂性，将导致阻力系数的增大。*煤粉燃烧时，其阻力系数一般比无燃烧时大几倍至几十倍。但随着Re数的增加两者之间的差别减小。挥发分释出，使得燃烧烟煤粉比无烟煤粉阻力系数要高。在相同的介质温度下，煤粉在空气中（有燃烧过程）比在纯氮气中（无燃烧过程）阻力系数有明显的增高，这充分表明了燃烧产物的质量流和膨胀流对颗粒的阻力系数有较大的影响。*煤粉燃烧时阻力系数的变化规律综合图第六节燃烧空气湍流流动理论模化基础*由流体力学知，当雷诺数Re≥2300时，管道内气流流动工况将由层流过渡到湍流。在燃烧技术的实践中，由于燃烧设备的尺寸较大，形状较复杂，气流速度较高，加上燃料燃烧等化学反应的影响，因此炉内气流一般都处于燃烧湍流工况。流动具有以下特点：湍流流场是无数不同尺寸的涡旋相互掺混的流体运动场各种物理量都是随时间和空间变化的随机量流体微团的随机运动在足够长的时间内服从某种数学统计规律。*一、湍流流动的物理现象和解释二、基本守衡方程湍流运动仍遵循连续介质的一般动力学定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。1.连续性方程：2.动量方程：3.能量方程：4.化学组分方程：5.状态方程：*在上述各方程中，未知量为vi（或u、υ、w）、p、ρ、T和ma共七个，而方程数也是七个，所以该方程组是封闭的。由于湍流运动的特性标尺均很小，在求方程的数值解时必须将求解区域划分成许多网格，目前计算机的储存量和计算时间还不能做到。运用湍流中常用的时间平均方法，把N—S方程组中任一瞬时物理量用平均量和脉动量之和的形式来表示，再对整个方程组进行时间平均运算。*三、湍流运动时均方程组（雷诺方程组）（1）时均连续性方程（2）时均动量方程*（3）时均化学组分方程（4）时均能量方程*如果以φ表示任何标量参数，则上述诸方程均可写成下列通用形式：当采用时间平均方法后，时平均方程中将出现一些新的未知关联项，忽略密度脉动三阶关联项，剩下的即与，称为雷诺应力项。*四、湍流模型1.零方程模型2.单方程模型3.双方程湍流模型：常用的是k-ε双方程湍流模型4.雷诺应力模型5.代数应力模型*五、分子输运基本定律燃烧反应的速度，不仅受到化学反应动力学因素的影响，也受到物理或流体动力学因素的影响。由于燃烧过程的总速度取决于其中进行得最慢的某一阶段的速度，而有时就取决于流体动力学因素。因而非常有必要了解燃烧过程中分子输运基本定律。分子输运的基本定律是指，由于速度梯度引起的动量交换，由于温度梯度引起的热量交换，以及由于浓度梯度引起的质量交换所遵循的定律。也就是牛顿黏性定律，傅立叶导热定律，以及费克扩散定律。*1、Newton黏性定律两个无限宽和无限长的不可渗透的平板，它们相距δ距离，中间充满等温的流体B。如果下平板固定不动，上平板以定常速度u0运动，由实验发现，流体的速度由上平板处的u0变到下平板处的零。这表明流速快的一层和流速慢的一层之间有剪切力。流速慢的一层对流速快的一层有阻力。单位面积上的剪切力与速度梯度成正比。*2、Fourier导热定律在相距δ距离的两平板之间，充满一种静止流体，上板温度为T∞，下板温度为Tw，且T∞>Tw。因沿y方向各层之间温度不同，由于温差的存在，各层之间产生了热交换，热量将从温度高的一层向温度低的一层传递。单位时间、单位面积上的热流量与温度梯度成正比。*3、Fick定律在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusionflux，用J表示）与该截面处的浓度梯度（Concentrationgradient）成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。其数学表达式为：*六、湍流燃烧的模拟方法湍流燃烧的数值模拟不仅面临着湍流流动所具有的问题以及脉动标量的输运方程如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与脉动量呈确定的非线性函数关系的脉动标量即时均化学反应速度的模拟。目前湍流燃烧模拟的研究方法主要有如下几种。直接模拟（DNS）和大涡模拟（LES）PDF输运方程模拟条件矩封闭（ConditionalMomentClosure）关联矩模型随机涡模拟唯象的湍流燃烧模型*七、燃烧过程理论摸化分析的主要步骤和方法**第七节电站锅炉冷炉气流模化试验方法*一、概述目前，可以将模化理论与方法分为三个类型：（1）类比模化，即在模型和原型中，其物理或化学过程的性质是不同的，但描述这些过程的数学表达式的形式是相同的；（2）物理模化，即在模型和原型中过程的物理和化学性质是相同的或主要方面是相同的一种模化；（3）数学模化，即在数值计算机上进行数值进行实验，以展示原型设备中过程的特性和参数的模化方法。模化的基本原理就是相似理论。因而进行炉内等温模化试验时应遵守的原则是：（1）模型与实物几何相似；（2）保持气流运动状态进入自模化区；（3）边界条件相似。*二、炉内冷态试验等温流动过程模化方法冷态等温流动过程模化是指冷模或冷炉试验时模拟炉内流动情况，这与炉内燃烧时的实际情况是有差别的，但能够较为真实地模拟燃烧器出口附近的着火段。模化方法具体描述如下：基本原则冷态等温流动过程模化首先要保证模型与实物几何相似；保持气流运动状态进入自模化区；保证进入炉内各股气流在模型和实物之间的动量比相等。*三、炉内热态实验模化方法空气及燃料自燃烧器喷入炉内进行燃烧时，由于着火升温很快，烟气体积急剧膨胀，且主要是横向膨胀，使得炉内烟气的容积流量远大于喷入的空气流量。如果我们按喷入的热空气温度进行模化，则冷模炉膛内气流速度明显偏低，射流外边界和燃烧边界相差很远。通常应用三种热态近似模化方法，即燃烧器矫形模化方法、燃烧器放大后移加炉底风的热态模化法和冷炉试验时的近似热态模化法。*四、炉内气流模化试验中的观测方法冷模及冷炉试验中经常采用以下几种观测方法：飘带法：利用长的纱布飘带可以显示气流方向。示踪法：对于气模及冷炉，可以用纸屑或聚苯乙烯白色泡沫塑料球和木屑等轻形碎屑引入欲观察的区域，以显示气流的流动方向，如果模型是透明的，则利用片光源束还可以观测和拍摄有关截面的气流特性.如用木屑可用火花摄影法，把燃烧的木屑送人试验处，由于火花发光的强度不大，拍摄时可用较长的爆光时间，这样拍摄下来的就不是断续的火花运动轨迹，而是比较完整的流线。仪器测量法：如要求定量测油量速度扬、回流区尺寸等，可以使用各种气力探针、热电风速仪、叶轮风速计等装置。*小结直流射流的特性气固多相流的流动特性旋转射流旋转射流与直流射流的区别低浓度多相射流、较高浓度的多相射流燃烧湍流流动的输运方程*