上图这两种混合方式均 得不到理想的、均匀的 燃气-空气混合物
燃气燃烧气流混合原则
在相交气流的混合过程中，主要研究的问题是：
第一、以某一角度射入主气流中的射流轨迹。
第二、射流在主气流中的穿透深度。
第三、沿射流轴线速度和温度的变化以及射流横截面上的速 度场和温度场。
第四、射流与主气流的混合强度。
为了计算相交气流混合过程的各参数，必须确定混合过程 与喷嘴结构系数(孔口形状、孔口尺寸等)及流体动力参数
射夹流角外为部射边流界核的心夹收角缩α角1α称2为。射流张角。射流核心区边界的
通常周围介质的温度和密度与喷出气流不同，这时称为非 等温射流。
图3-1 等温层流自由射流
图3-2 热射流水平射至冷介质时 的射流轨迹
层流自由射流
如果射流垂直向上射出，那么重力 差只是稍微改变射流的张角及核心 收缩角。
旋转气流
(二)旋转射流的无因次特性——旋流数
旋风燃烧器所产生的旋涡流场是靠流 体内部的位能变化(静压差)而运动， 所以叫“位能旋涡”。这种旋涡的回 旋运动并非由外加扭矩所引起，若忽 略摩擦损耗，则不同半径上流体微团 的动量矩应当守恒，故又叫“自由旋 涡”。
画两个同心圆代表自由旋涡的两条流
线，间隔dr，选定两条流线间的流体 微团ABCD沿圆圈运动。
第一、应采用不同孔径的喷嘴，将 燃气喷入空气流中，否则无法形成 均匀的可燃混合物；
第二、孔与孔之间的距离应保证各
股燃气射流互不重叠； 第三、在保证各股射流互不重叠的
图3-5 燃烧装置中燃气与空 气相交流动的情况
前提下，确定燃气喷嘴直径；
(a)周边送燃气；(6)中心送燃气
第四、射流喷出速度应保证射流在 空气流中的穿透深度达到预定数值， 以便在燃烧器截面上形成几个环形 的燃气-空气混合层。
(2)过渡段 它是从初始段终端开始，一直到主变形率φ等于 常数时为止。
(3)基本段 过渡段终端以后都属于基本段。在基本段内汇合 射流任意断面上的主变形率φ都相等。即从过渡段终端开 始，汇合流就象一股单一的自由射流。此时，相交射流相 互间的动量冲撞引起的射流变形已全部消失。
第三节
旋转气流
旋转气流
流体从喷嘴流出后，气流本 身一面旋转，一面又向静止 介质中扩散前进，这就是通 常所说的旋转射流，简称旋 流。
图3-15 流体微团切向运动 示意图
根据动量矩原理，外加扭矩T等于流
m d ur 0
体微团动量矩随时间的变化率，对于
dt
自由旋涡，外加扭矩T=0
或 ur=常数
旋转气流
自由旋涡的切向速度u与半径r成反比，越靠近涡心，切向
速度越大。
在旋转自由射流中，角动量的轴向通量Gφ及轴向动量Gx
部是常数，即
径向分速外，还有一个切向分速，而且其径向分速在喷嘴 出口附近比直流射流的径向分速大得多。 2．由于旋转的原因，使得在轴向和径向上都建立了压力 梯度，这两个压力梯度反过来又影响流场。在强旋转下， 旋转射流的内部建立了一个回流区。 3．在强旋转下，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质， 而且还从内回流区中卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外 回流区卷吸的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。 4．旋转射流的扩展角一般比直流射流的大，而且它随旋 转的强弱而变化。 5．旋转射流的射程较小。
q21间的关系。
q21
2
22
112
式中
ρ1、υ1——主气流(通常为空气)的密度和速度： ρ2、υ2——射流(通常为燃气)的密度和速度。
燃气射流在空气流中的穿透深度
单股射流与主气流相交流动如图所
示，当射流轴线变得与主气流方向
一致时，喷嘴出口平面到射流轴线
之间的法向距离h定义为绝对穿透深 度。绝对穿透深度h与喷嘴直径d之
0.32
a 0
1 2
s d
1
由于紊流扩散与分子扩散之间的 相似性，因而紊流射流的图形与 层流射流的图形也十分相似。两 者的主要区别仅在于起始段内紊 流自由射流截面速度分布比较均 匀。
式中 men——卷吸质量流量(kg/s) m0——射流出口质量流量(kg/s) d——喷嘴出口直径(m)
s——轴线方向上离喷嘴距离(m)
相交气流在燃烧组织中的应用
单股射流与自由气流的相交流动是 一种比较简单的理想的情况。在实 际燃烧装置中经常遇到的则是多股 射流与受限气流的相交流动。
多股射流与受限气流相交流动的主
要影响因素是主气流流动通道的相
对半宽度B/2d和射流喷嘴相对中心 距s/d。当B/2d>22时，可忽略受限 因素的影响。 s/d≥16时相邻气流的
旋转射流是强化燃烧和组织 火焰的一个有效措施。产生 旋流的方法有如下几种：
第一，使全部气流或一部分 气流沿切向进入主通道；
第二，在轴向管道中设置导 向叶片，使气流旋转；
第三，采用旋转的机械装置， 使通过其中的气流旋转。
图3-14 旋转流场示意图
旋转气流
(一)与自由射流的差异 1．在旋转射流中除了具有直流射流中存在的轴向分速和
在层流射流中，混合是以分子扩散 的形式进行的。
在界面3上Cg=Cl相应于着火下限； 界面4上Cg=Cst相应于化学计量浓度； 界面5上Cg=Ch相应于着火上限。射
流核心区A，为纯燃气；区域B，着 火浓度上限以外；区域C，处于着火 浓度范围之内，含有过剩燃气；区 域D，着火浓度范围之内，含有过剩 空气；区域E，着火浓度下限以外。 当燃气成分一定时，层流扩散火焰 图3-3 层流射流的等浓度面 的长度主要取决于燃气的体积流量。
影响已很小。
(一)由喷嘴或厚壁孔口喷出的射流
当壁厚与孔口直径之比δ/d>0.5时，
称为厚壁孔口。
图3-8 多股气流与受限气流 的相交流动
相交气流在燃烧组织中的应用
s/d≥16时任意直径多股圆射流的
轴线方程为：
s/d越小，射流穿透深度也越小。
y d
0.104
112 222
x d
3.25
s/d=8～16，流体动力参数 q21=50～200，α=90º时，多
相交射流的变形程度，常用一
个主变形率φ的概念来描述
图3-12 射流变形图
b dx
d0
式中 b——轴线方向上离喷嘴距离x处的射流宽度； dx——离喷嘴距离x处的自由射流横截面直径； d0——相交射流喷嘴的直径。
相交射流
根据主变形率φ的变化情况，相交射流的流动可分成三个 区段：
(1)起始段 由喷嘴断面开始，到两射流的外边界线相交为止。 起始段的长度可由两喷口间的距离、射流交角α的大小及 每个射流外边界扩展角的大小决定。
【解】
s
1
men m0
d 0.32
1
3.07 1.293 11.25
0.03 0.32
0.39m
或
1
La L0
2.22
as r
0.29
s 0.33m
第二节
相交气流
燃气燃烧气流混合原则
在工业炉用的燃烧装置中，广泛采 用多股燃气射流以某一角度喷入空 气流的方法，以强化混合过程。
正确的混合原则：
2 p2 rdr p2 rdr R0
时，属于强旋流
0
0
思考题
描述燃气在空气中的自由射流的浓度结构。 相交气流中的射流穿透深度与哪些参数有关。 旋流强度是一个什么参数，其大小代表什么意思。 试比较几种气流方式在燃气燃烧过程中的混合效
比，定义为相对穿透深度。
在射流轴线上定出一点，使该点的
轴速度在x方向上的分速度υx为出 口速度υ2的5%，以喷嘴平面至该
点的相对法向距离，定义为射程。
相交气流中自由射流的相对穿透深 度由下式计算：
图3-7 相交气流中的射流
当α=90º时
h 0.132 2 d 1
2 0.132 1
q21
ρa——周围空气密度(kg/m3) ρ0——射流出口密度(kg/m3)
图3-4 紊流自由射流
紊流自由射流
紊流自由射流的起始段长度s0及 极点深度h0都与喷嘴出口半径r有 关（式中 a——紊流结构系数，
它表示气流紊动和出口速度场的 不均匀程度）
圆形射流轴心速度的衰减规律：
（式中 s——计算截面离喷嘴的
由于喷出时射流面积有收缩，因此射流实际喷出速度大于 按射流体积流量除以孔口截面积所得的出口平均速度，故
必须考虑流量系数μ。
用射流收缩截面直径d‘代替孔口直径d ： d d
这时的射流相对透深度为
h Ks2 d 1
2 Ks 1
q21
Ks
q mix 21
相交气流在燃烧组织中的应用
（三）多股射流以任意交角喷入时的穿透深度
当喷嘴口径较小，喷出流量也较小，气流以层流状态喷出 时，在喷嘴出口处形成层流自由射流。
当周围介质的温度和密度与喷出气流相同时，称为等温自 由射流。
射流的外部边界为直线OB、OC，交点O为射流的极点。 在射流边界上，前进运动速度为零。射流向外部介质进行 分子扩散的边界AD、ED也是直线。在ADE区域内，气体 速度等于喷嘴出口的起始速度，称为射流核心区。
R0
G ur p2 rdr 常数
由于Gφ和Gx都可以
看作是描述射流空气
动力特性的参数，因
R00
R0
Gx p2 rdr p2 rdr 常数
0
0
此通常采用无因次特
性s表示旋转射流的
旋转强度。s<0.6时
属于弱旋流，s>0.6
s
Gp Gx R0
R0
ur p2 rdr
0
R0
R0
股射流在相交气流中的相对穿透 深度为：
考虑由于射流喷入主气流而使通 道中混合物流速增加的因素。引
h d