第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 图13.5是氢气-空气射流火焰中OH基的瞬时平面图像，清 楚地显示了富含OH基的高温区的旋卷形褶皱特征。 • 可以看到，随着下游距 离的增加，火焰区域(OH 基区域 ) 也随之增加，最 后在火焰顶部出现一个 很大的高温区。 • 温度场图像显示，有的 区域热量层很薄而温度 梯度很大，有的热量层 宽，其中温度几乎一致。 • 在很窄的火焰区域内 ， 流体的结构非常复杂。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 假设湍流质量扩散系数与动量传递的相同，则燃料质量分 数分布应等于无量纲速度分布，即YF(x, r)=v(r, x)/ve= f (x/dj)。 • 但这种关系只有当没有燃烧时才成立，因为有火焰的情况 下YF在火焰边界外为0，但是速度并没有减到0。 • 如第9 章所述，混合物分数可以代替燃料的质量分数，并与 无量纲的速度场有相似的性质。 • 这样，当给定燃料类型后，火焰的高度将与射流速度ve无关， 而与喷嘴直径成比例，而且射流扩展角与射流速度ve和喷嘴 直径dj均无关。 • 图13. 7 中的实验结果证明，对于小口径的喷管，火焰长度 确实与ve无关，而且火焰长度大致与喷嘴直径dj成比例。 • 另外，浮力将破坏射流火焰与绝热射流之间的近似，正好 可以解释对于更大直径的喷管，湍流火焰长度将不恒定。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 2. 影响火焰长度的因素 • 对于燃料射流喷入静止环境中所产生的竖直火焰来说，火 焰长度由4个主要因素决定: – 火焰中射流初始动量与作用在火焰上浮力的比Frf; – 化学当量值 fs; – 射流密度与环境气体密度的比ρe/ρ∞; – 初始射流直径dj。 • 第一个因素，火焰中射流初始动量与浮力之比可以由火焰 的弗劳德数Frf来表示。回顾第9 章，引入弗劳德数Frf 是为 了区分层流射流火焰中的动量控制模式和浮力控制模式(参 考式(9. 68)和式(9.69))。对于湍流射流火焰，弗劳德数Frf定 义为：
• 混合物分数第二个重要的性质是，由于根据“无源项”控制 方程的定义，它在整个流场中保持守恒。正因这一性质， 才能用它代替各组分单独的守恒关系，简化数学模型。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 3. 假设 • 构造非预混湍流射流火焰的简单数学模型的假设如下： • (1)稳态、轴对称的时均流场，燃料由半径为R 的圆管射出， 在静止、无限大的空气中燃烧。 • (2)与湍流输运相比，动量、组分和能量的分子输运不重要。 • (3)湍流动量扩散系数，即旋涡粘度ε(=μturb/ρ)在整个流场中 守恒，且等于0.0285veR (参考公式(11.46)) 。通过忽略密度 的脉动，从而将第11 章提出的恒密度射流的混合长度假设 扩展到变密度反应射流。 • (4) 忽略所有关于密度脉动的相关项。 • (5) 动量、组分和能量的湍流输运都相等，即湍流的施密特 数、普朗特数和路易斯数均相等，ScT=PrT=LeT。有了这个 假设，湍流动量扩散系数(旋涡粘度ε)可以用湍流质量扩散 系数或热扩散率来代替，即ε=ƊT=αT。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 2. 守恒标量回顾 • 在射流火焰的简化分析中，我们希望能用混合物分数代替 燃料、氧化剂和产物分别的守恒关系来描述任意位置火焰 组分的变化。在足够小的控。首先，它可以用来定义 火焰边界，且它的值只与当量比有关，即 • 定义Φ=1处为火焰边界，则该处的f 就有了一个固定的值 fs：
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 在足够低的流速下，火焰根部与燃烧器管子的出口非常接 近(只有几个毫米)，我们定义为附着火焰。 • 当燃料流率增加时，在火焰底部开始形成孔隙，当进一步 增大流率时，会形成越来越多的孔隙，直到燃烧器喷口上 没有连续的火焰。这种情况 叫作推举火焰。图13.8 就是 一个推举射流火焰照片。 • 再加大流速，推举距离增大。 • 流率特别大时，火焰被吹熄。 • 因此，就火焰的稳定性而言 存在两个临界状态：推举和 吹熄。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 尽量避免推举火焰的产生，使得火焰较贴近燃烧器出口且 火焰位置不受流率的影响。这样，就可以用火花或者小火 焰进行准确的点火并保证火焰位置。 • 出于安全考虑，应当避免接近吹熄极限的操作。 • 在接近极限的情况下向大炉膛充入空燃混合物是非常危险 的，一旦无法及时点燃，混合物在炉内淤积，很可能达到 爆炸极限而突然爆炸。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 在过渡区的最后，随着流速的增加，湍流程度也不断增加， 最后在曲线的极小值点形成比初始的层流火焰要短得多的 完全湍流火焰。 • 当流速进一步增加时，火焰高度可能维持不变(管径小于 0.133in)，也可能不断增加，但曲线斜率越来越小(管径大于 等于0.152in)。 • 这是由于随着燃料流 率的增加，夹带进的 空气量和混合速率也 会近似成比例地增加。 而且发现，此时火焰 高度明显受到初始射 流直径的影响。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 4. 守恒定律的应用 • 根据上述假设，基本的守恒方程与第7 章推导出的和第9 章 用于层流射流火焰的方程基本类似。不同点在于时均量代 替了瞬时值，湍流输运性质(即动量、组分、能量的扩散系 数)代替了分子输运性质。同时通过用特征长度R和特征速 度ve做基准，定义了两个无量纲的变量，则由式(9.36)，总 质量守恒方程为: • 轴向动量守恒方程(式(9.37) )则变为 • 混合物分数的守恒方程(式(9..38)) 变为
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
• 为湍流火焰建立数学模型是一项非常艰巨的任务。研究等 温湍流本身就是一项挑战，若再引入燃烧过程，则密度的 变化和各种化学反应都要有所考虑。 • 这里只引入一个非常简单的射流火焰燃烧的数学模型，来 展示其物理本质。 • 1. 与冷态射流的对比 • 前面对恒密度湍流射流建立了简单混合长度模型，发现以 下三个重要特性： • ①当所有的速度都以出口速度为基准时，空间坐标x和r都 以喷嘴半径R为基准时，速度场方程是普适的； • ②射流扩展角是常数，与射流出口速度和直径无关; • ③所谓的旋涡粘度ε与流场位置无关，并且正比于喷嘴出口 速度ve和直径d j。此模型计算结果与实验数据较吻合。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 图13.6显示了剪切层由火焰底部喷 嘴处旋转上升的图像，显示出的火 焰结构对污染物的排放有着非常重 要的影响。 • 我们要概括介绍的第二部分是初始 射流直径和燃料流率对火焰尺寸的 影响。图13. 7清楚地展现了非预混 火焰的一些重要特征。 • 首先，当流率比较低时，即火焰为 层流时，火焰高度与初始射流直径 无关，而只与流率有关。 • 当流率增加时，湍流逐渐开始影响 火焰高度，出现图13.7中所示的过 渡区。
高等燃烧学
第十三章 湍流非预混火焰
主讲人：郑洪涛
第十三章 湍流非预混火焰
13.1 概述 13.2 射流火焰
13.2.1 总论 13.2.2 简化分析 13.2.3 火焰长度 13.2.4 火焰辐射 13.2.5 推举和吹熄
13.3 其他结构下的非预混火焰 13.4 小结
第十三章 湍流非预混火焰——13.1 概述
• 湍流非预混火焰易于控制，广泛应用，但污染物排放大。 • 非预混燃烧应用场合多样，出现了各种类型的非预混火焰。 图13. 1 显示了一种辐射管燃烧器，它采用的是带部分旋 转的非预混受限射流火焰。 • 图13.2 展示的是一种非预混或者部分预混的纯氧火焰，通 过控制各个气流的大小来控制火焰的特性。 • 燃烧设备设计中重要的是：火焰形状和尺寸、火焰维持与 稳定、传热、污染物排放。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 其中，ΔTf =Tf - T∞，表示因燃 烧产生的特征温升。 • Frf 小，火焰受浮力控制； • Frf 大，火焰受动量控制。 • 上面忽略了浮力影响，只能适 用于Frf较大的情况。 • 图13.11可见，浮力增强了各成 分混合，使火焰长度要短得多。 • 火焰如没被吹熄，很可能射流 速度增加使火焰长度最终接近 同一渐近值。图13.12的火焰 高度渐近值大约为21.8cm。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 甲烷-空气火焰光谱辐射测量发现，虽然可以从火焰中看 到碳烟发出的亮光，但碳烟辐射对于总的辐射损失没有太 多的影响，而对于更易生成碳烟的燃料来说，碳烟辐射则 可能是总辐射热损失的主要形式。 • 图13.4(a) 的一系列 照片显示了乙烯射 流火焰顶部大涡的 燃尽过程。体绘制 技术(图13.4(b))则给 出了图像数远多于 图13.4(a)的一组三 维图像(x, y, t)的视 图，显示了大涡的 运动轨迹。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——总论
• 湍流非预混射流火焰与预混火焰相似，都可见不光滑或模 糊的边界。碳烟的存在，非预混火焰比预混火焰明亮。 • 图13.3是乙烯在空气中燃烧的照片。右侧第一张火焰照片 曝光时间4s。这张照片与真正的视觉效果类似。其他三张 都是瞬时照片，可见，火焰的瞬时可视长度有很大的变化。 • 火焰底部呈蓝色， 亮度弱，没有碳 烟生成。高处碳 烟数量明显增多， 火焰呈亮黄色。 • 不易形成碳烟的 甲烷火焰中蓝色 区长得多，发光 的碳烟区很短。
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——简化分析
第十三章 湍流非预混火焰—— 13.2 射流火焰——火焰长度
• 研究者们一直致力于解释和预测湍流射流火焰长度。 • 1. 火焰长度的定义 • 从文献可以看到各种火焰长度的定义和测量方法，但迄今 没有一个为大家所公认。在对不同研究者结果的比较时及 在不同修正公式的应用等方面要加倍小心。 • 火焰长度的定义一般包括：从一系列瞬时火焰长度照片中 取可视火焰长度的平均值； 或用热电偶测量轴线上温度最 高点，量出其轴向位置；或用气体采样的方法测量平均混 合物分数，确定化学当量值所处的轴向位置。 • 总体而言，火焰的可视长度要大于靠温度或浓度测量所得 出的长度。 • 文献中提到，根据燃料的不同，基于温度特性测量的火焰 长度大约是时均可视火焰长度的65%~80% 。