第五章湍流燃燒模型第五章湍流燃燒模型1預(yù)備知識(shí)：湍流火焰?zhèn)鞑ヒ?、湍流火焰的特點(diǎn)火焰長(zhǎng)度縮短，焰鋒變寬，并有明顯的噪聲，焰鋒不再是光滑的表面，而是抖動(dòng)的粗糙表面，火焰?zhèn)鞑タ臁Ｍ牧骰鹧妫夯鹧驿h面光滑，焰鋒厚度很薄，火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?。層流火焰：預(yù)備知識(shí)：湍流火焰?zhèn)鞑ヒ?、湍流火焰的特點(diǎn)火焰長(zhǎng)度縮短，焰2湍流燃燒模型課件3一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^層流大幾倍，不僅與燃料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與湍流性質(zhì)有關(guān)，湍流強(qiáng)度增大，將使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾樱鹧娓獭Ｈ紵页叽绺o湊，加上向外散熱損失小，因此燃燒設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性好。湍流火焰伴隨著噪音湍流火焰的燃燒產(chǎn)物內(nèi)氧化氮（NO）含量少，因而對(duì)環(huán)境的污染小一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^層流大幾倍，不僅與燃料的4一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰比層流火焰?zhèn)鞑タ斓脑颍海?）湍流流動(dòng)使火焰變形，因而增大了反應(yīng)區(qū)，火焰表面積增加；（2）湍流加速了熱量和活性中心的傳輸，使反應(yīng)速率增加，即燃燒速率增加；（3）湍流加快了新鮮混氣和燃?xì)庵g的混合，縮短了混合時(shí)間，提高了燃燒速度。一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰比層流火焰?zhèn)鞑タ斓脑颍海?）湍流52、相關(guān)概念：紊流燃燒前沿面：把焰面視為一未燃?xì)馀c已燃?xì)庵g的宏觀整體分界面紊流燃燒前沿傳播速度：指紊流燃燒前沿法向相對(duì)于新鮮可燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)的速度2、相關(guān)概念：6一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流特性參數(shù)：流體微團(tuán)的平均脈動(dòng)速度與主流速度之比。

在湍流中不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的流體微團(tuán)的平均尺寸，或湍流微團(tuán)在消失前所經(jīng)過(guò)的平均距離湍流尺度

l：湍流強(qiáng)度：若

l<（層流焰面厚度）為小尺度湍流，反之為大尺度湍流若

u’>ul

（層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋閺?qiáng)湍流，反之為弱湍流一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流特性參數(shù)：流體微團(tuán)的平均脈動(dòng)速度與7湍流燃燒模型課件8二、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热N湍流火焰模型：小尺度強(qiáng)湍流大尺度弱湍流大尺度強(qiáng)湍流二、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热N湍流火焰模型：小尺度強(qiáng)湍流大尺度弱湍9一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰理論正是基于以上概念發(fā)展起來(lái)的。湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚撝饕袃煞N：（1）皺折表面理論（鄧克爾和謝爾金）（2）容積燃燒理論（薩默菲爾德和謝京科夫）

一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰理論正是基于以上概念發(fā)展起來(lái)的10湍流燃燒模型課件11小尺度強(qiáng)湍流：湍流鋒面不發(fā)生皺折，但由于湍流增加了傳質(zhì)而使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤臁?/p>

湍流導(dǎo)溫系數(shù):

可推得湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣戎鹊扔趦烧邆鬏斅手鹊钠椒礁?/p>

而分子導(dǎo)溫系數(shù)與分子運(yùn)動(dòng)粘性成正比，所以小尺度強(qiáng)湍流：湍流鋒面不發(fā)生皺折，但由于湍流增加了傳質(zhì)而12小尺度強(qiáng)湍流：小尺度湍流情況下，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可燃混氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)（即與ul成正比），還與流動(dòng)特性有關(guān)（即與Re1/2有關(guān)）

小尺度強(qiáng)湍流：小尺度湍流情況下，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可13第二節(jié)湍流火焰?zhèn)鞑ザ⑼牧骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣却蟪叨热跬牧鳎河捎谕牧髅}動(dòng)，火焰發(fā)生皺折，但由于脈動(dòng)速度小于正?；鹧?zhèn)鞑ニ俣龋h面仍然是連續(xù)的可以把湍流焰鋒看成由很多小的層流火焰錐組成，則：第二節(jié)湍流火焰?zhèn)鞑ザ?、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟪叨热跬牧鳎河?4大尺度弱湍流：如果湍流微團(tuán)在錐形表面上的燃燒速度仍然是，則：錐體高度:微團(tuán)存在的時(shí)間:由于大尺度湍流火焰鋒的表面積比層流火焰鋒的表面積大，所以大尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣却?。這就是湍流火焰的表面?zhèn)鞑サ谋砻胬碚摗?/p>

大尺度弱湍流：如果湍流微團(tuán)在錐形表面上的燃燒速度仍然是15湍流燃燒模型課件16大尺度強(qiáng)湍流：湍流強(qiáng)度很大時(shí)：

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素?zé)o關(guān)，只取決于脈動(dòng)速度的大小。大尺度強(qiáng)湍流：湍流強(qiáng)度很大時(shí)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c化學(xué)動(dòng)175-1引言通常燃燒現(xiàn)象包含了流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間的相互作用，燃燒過(guò)程是一種綜合的物理化學(xué)過(guò)程這個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述就是第二章介紹的包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程的基本方程組。幾乎所有實(shí)際裝置中的燃燒現(xiàn)象都是湍流燃燒現(xiàn)象。人們主要感興趣的是平均量的分布和平均熱流。通過(guò)對(duì)基本方程進(jìn)行雷諾分解和平均而得到的平均量控制方程組是不封閉的，不封閉性來(lái)源于非線性項(xiàng)的分解和平均。5-1引言通常燃燒現(xiàn)象包含了流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以18上一章在一定程度上解決了湍流輸運(yùn)的模擬問(wèn)題本章主要介紹如何處理平均化學(xué)反應(yīng)率。由于平均化學(xué)反應(yīng)率同時(shí)受到湍流混合、分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)三個(gè)方面的影響，目前尚未見(jiàn)到普遍適用的湍流燃燒速率，即湍流燃燒過(guò)程中的平均化學(xué)反應(yīng)速率的模型公式。因此，本章將分別就擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒，介紹常用的模型，最后介紹斯波爾丁在1976年提出，目前仍在發(fā)展中的ESCIMO湍流燃燒理論。上一章在一定程度上解決了湍流輸運(yùn)的模擬問(wèn)題195-1-1簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)是個(gè)十分復(fù)雜的分過(guò)程，例如固體燃料的燃燒常常是固體的表面燃燒和氣體揮發(fā)物的容積燃燒共存，常用烴燃料的燃燒往往是多種烴混合物的燃燒，即使是純?nèi)剂?如氫、一氧化碳或者甲烷)，其燃燒反應(yīng)也是包含幾種至幾十種的中間產(chǎn)物，幾個(gè)至幾百個(gè)中間反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)。由于計(jì)算機(jī)條件和燃燒模型的限制，若考慮如此復(fù)雜的鏈反應(yīng)過(guò)程，要解出各種中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物在空間各點(diǎn)的分布，是相當(dāng)困難的。目前解決較好的只是二維拋物型的燃燒問(wèn)題。5-1-1簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)是個(gè)十分復(fù)雜的分過(guò)20在對(duì)燃燒熱能動(dòng)力裝置的分析中，重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題往往是燃燒的熱效應(yīng)(如效率、溫度和熱流分布等等)，而且化學(xué)反應(yīng)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響也主要是由它的熱效應(yīng)引起的。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，斯波爾丁等人歸納出了可以繞過(guò)化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理，而又基本滿足實(shí)際需要的“簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)”的模型，它的要點(diǎn)有三:(1)化學(xué)反應(yīng)可以用單步不可逆反應(yīng)來(lái)表征氧化物和產(chǎn)物之間質(zhì)量的變化滿足:式中s是完全燃燒1公斤燃料在理論上所需氧化劑的重量，顯然它與燃料和氧化劑的種類(lèi)有關(guān)，而與化學(xué)反應(yīng)及流動(dòng)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。在對(duì)燃燒熱能動(dòng)力裝置的分析中，重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題往往是燃燒21（3）各組分的比熱彼此相等，與溫度無(wú)關(guān)。有兩點(diǎn)值得說(shuō)明，一是各組分的交換系數(shù)和比熱隨空間位置而變化是允許的，二是上述第三點(diǎn)中的與溫度無(wú)關(guān)的假設(shè)僅是為了計(jì)算方便，是非本質(zhì)性的。若認(rèn)為比熱是溫度的函數(shù)，則求溫度分布時(shí)需增加一個(gè)迭代的程序。（3）各組分的比熱彼此相等，與溫度無(wú)關(guān)。225-1-2混合分?jǐn)?shù)根據(jù)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的假設(shè)，構(gòu)成系統(tǒng)的組分主要是燃料、氧化劑和產(chǎn)物(或者還有基本不參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì))。如果知道了這三種組分中的任意二種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，第三種組分的濃度、就可以利用所有組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和等于1求出。5-1-2混合分?jǐn)?shù)根據(jù)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的假設(shè)，構(gòu)成系統(tǒng)的組分23一般地說(shuō)，組分分布是靠求解相應(yīng)的組分方程得到的，即需要求解兩個(gè)以平均化學(xué)反應(yīng)率為源項(xiàng)和耦合的二階非線性偏微分方程。解決問(wèn)題的方法能否進(jìn)一步簡(jiǎn)化呢?回答是肯定的，但這個(gè)簡(jiǎn)化僅在簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的假設(shè)適用的范圍內(nèi)成立。一般地說(shuō)，組分分布是靠求解相應(yīng)的組分方程得到的，即需要求解兩24湍流燃燒模型課件25s為氧燃比，氧化劑質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比當(dāng)量比：s(理論)/s(實(shí)際)s為氧燃比，氧化劑質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比26這是一個(gè)無(wú)源方程，解無(wú)源方程比解有源方程要方便得多。這是一個(gè)無(wú)源方程，解無(wú)源方程比解有源方程要方便得多。27對(duì)于一般的燃燒過(guò)程，為確定組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，只要求解一個(gè)有源方程(例如mfu方程)和一個(gè)無(wú)源方程就夠了。又因?yàn)榛旌戏謹(jǐn)?shù)的方程對(duì)其瞬時(shí)值也同樣成立，所以對(duì)可以認(rèn)為燃料和氧化劑的瞬時(shí)值在空間不共存的擴(kuò)散火焰來(lái)說(shuō)，只要設(shè)法知道了混合分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)值f，就可以知道各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)值了。對(duì)于一般的燃燒過(guò)程，為確定組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，只要求解一個(gè)有28湍流燃燒模型課件29湍流燃燒模型課件30

315-1-3守恒量之間的線性關(guān)系

5-1-3守恒量之間的線性關(guān)系

32在一定的條件下，守恒量之間存在著特別簡(jiǎn)單的定量關(guān)系，利用這定量關(guān)系，在知道了一個(gè)守恒量的空間分布之后，就可以根據(jù)邊界值，十分方便地確定其它守恒量的空間分布。在一定的條件下，守恒量之間存在著特別簡(jiǎn)單的定量關(guān)系，利用這定33湍流燃燒模型課件34湍流燃燒模型課件35湍流燃燒模型課件36“簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)”和“快速反應(yīng)”(FastReaction)“快速反應(yīng)”指的是,化學(xué)反應(yīng)速率大大超過(guò)混合速率的一類(lèi)反應(yīng)，即燃料和氧化劑混合，它們之間的反應(yīng)即刻完成，所以它們不可能在同一時(shí)刻共存于空間任意一個(gè)點(diǎn)。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，快速反應(yīng)，意味著化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)窮大，而從化學(xué)熱力學(xué)的角度看，則是處處達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)?！昂?jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)”和“快速反應(yīng)”(FastReactio37與“快速反應(yīng)”相對(duì)應(yīng)的是“有限速率反應(yīng)”“有限速率反應(yīng)”，意味著化學(xué)反應(yīng)以有限速率進(jìn)行，其速率在層流狀態(tài)下取決于其熱力學(xué)狀態(tài)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和分子輸運(yùn)能力，在湍流情況下還受到流動(dòng)狀態(tài)的影響。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)和快速反應(yīng)是完全不同的兩個(gè)范疇。與“快速反應(yīng)”相對(duì)應(yīng)的是“有限速率反應(yīng)”38簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中可以有快速反應(yīng)和有限速率反應(yīng);復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中同樣可以有快速反應(yīng)和有限速率反應(yīng)兩種處理方法。反之亦然，快速反應(yīng)模型在一定條件下不僅適用于簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，而且也適用于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中可以有快速反應(yīng)和有限速率反應(yīng);39本章下面討論的各種模型和理論都是針對(duì)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)(除非加以特殊說(shuō)明)的，它不適用于對(duì)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中某一基元反應(yīng)的分析。處理湍流擴(kuò)散火焰，可以用快速反應(yīng)假設(shè)，例如所謂的k-ε-g模型;處理預(yù)混火焰，問(wèn)題歸結(jié)為?；M分方程中的源項(xiàng)，即湍流燃燒速率。本章下面討論的各種模型和理論都是針對(duì)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)(除非40ESCIMO理論采用的是完全不同的另一種思路和方法，能同時(shí)考慮湍流、分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)三個(gè)方面對(duì)燃燒過(guò)程的影響，不必事先區(qū)分是擴(kuò)散火焰還是預(yù)混火焰，可以求出湍流燃燒速率，也可以繞過(guò)求湍流燃燒速率，直接用統(tǒng)計(jì)平均的方法解出燃燒場(chǎng)各變量(溫度、濃度等)的均值和脈動(dòng)均方值的分布，它還有能力處理復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題。ESCIMO理論采用的是完全不同的另一種思路和方法，415-2湍流擴(kuò)散火焰的k-ε-g模型擴(kuò)散火焰：把燃料和氧化劑分開(kāi)而不是混合后進(jìn)入燃燒區(qū)的火焰。特點(diǎn)是化學(xué)反應(yīng)速度大大超過(guò)燃料和氧化劑之間混合的速度?？焖俜磻?yīng)模型給出了對(duì)層流擴(kuò)散火焰的滿意的解析和數(shù)值分析的結(jié)果，那么該模型是否可用于處理湍流擴(kuò)散火焰呢?5-2湍流擴(kuò)散火焰的k-ε-g模型擴(kuò)散火焰：把燃料和氧化劑42實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，湍流擴(kuò)散火焰與層流擴(kuò)散火焰有很大不同，以射流火焰為例，主要是:湍流擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度幾乎不隨射流出口速度而變化，在火焰區(qū)內(nèi)的取樣分析表明燃料和氧化物共存;火焰面急劇脈動(dòng);火焰噪音大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，湍流擴(kuò)散火焰與層流擴(kuò)散火焰有很大不同，以射流火焰為43實(shí)驗(yàn)給人們的啟示是:湍流脈動(dòng)一定對(duì)火焰有著重要影響。湍流的脈動(dòng)作用有可能把快速反應(yīng)假設(shè)與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的燃料和氧化物共存這兩個(gè)似乎矛盾的東西統(tǒng)一起來(lái):快速反應(yīng)假設(shè)是對(duì)燃料和氧化物濃度的瞬時(shí)值而言;而取樣分析得到的卻是它們的平均值。瞬時(shí)值不共存，而平均值共存。實(shí)驗(yàn)給人們的啟示是:44因?yàn)榭赡茉诳臻g的同一個(gè)點(diǎn)，燃料和氧化劑出現(xiàn)在不同的瞬間，這里起關(guān)鍵作用的是湍流脈動(dòng)。因此，不可能在不考慮脈動(dòng)的情況下去分析湍流擴(kuò)散火焰?；谶@種思想，斯波爾丁在1971年提出了計(jì)算湍流擴(kuò)散火焰的k-ω-g模型，后來(lái)演變成k-ε-g模型。它的要點(diǎn)如下:因?yàn)榭赡茉诳臻g的同一個(gè)點(diǎn)，燃料和氧化劑出現(xiàn)在不同的瞬間，這里45湍流燃燒模型課件46湍流燃燒模型課件47

幾率密度函數(shù)的概念在這里用于描述流場(chǎng)中的量。它認(rèn)為，由于強(qiáng)烈的脈動(dòng)作用，湍流場(chǎng)中的量可看成是隨機(jī)量，對(duì)這種量的描述不是要尋找它在空間任一點(diǎn)的瞬時(shí)值隨時(shí)間變化的嚴(yán)格規(guī)律，而是給出它取某個(gè)值的可能性。幾率密度函數(shù)P(f)的概念正是這樣引入的。我們定義，P(f)df示變量f的值處于f和(f+df)之間的幾率，也可以理解為它表示f的值處于f和(f+df)之間的時(shí)間分?jǐn)?shù)。幾率密度函數(shù)的概念在這里用于描述流場(chǎng)中的量。48P(f)稱(chēng)為變量f的幾率密度函數(shù)(PDF)，一般情況下P(f)是空間位置的函數(shù)，也隨變量f的種類(lèi)而變化。這里f可以是某個(gè)變量的值，也可以是它的梯度等等。在本節(jié)的討論中，f表示歸一化的混合分?jǐn)?shù)。P(f)稱(chēng)為變量f的幾率密度函數(shù)(PDF)，一般情況下P(f49湍流燃燒模型課件50湍流燃燒模型課件51湍流燃燒模型課件52本節(jié)的計(jì)算方法突出了湍流混合過(guò)程在湍流燃燒中的控制作用，這是對(duì)的。但它完全忽略了燃料和氧化劑分子的相互擴(kuò)散作用，這與實(shí)際是有差距的，因?yàn)闆](méi)有燃料和氧化劑兩種分子的相互擴(kuò)散和接觸，就完全不會(huì)有化學(xué)反應(yīng)。本節(jié)的計(jì)算方法突出了湍流混合過(guò)程在湍流燃燒中的控制作用，這是53湍流燃燒唯象模型漩渦破碎模型(EBU)拉切滑模型幾率密度函數(shù)的輸運(yùn)方程模型湍流燃燒唯象模型漩渦破碎模型(EBU)54

55湍流燃燒模型課件56湍流燃燒模型課件57湍流燃燒模型課件58湍流燃燒模型課件59湍流燃燒模型課件60湍流燃燒模型課件61湍流燃燒模型課件62湍流燃燒模型課件63湍流燃燒模型課件64湍流燃燒模型課件65湍流燃燒模型課件66湍流燃燒模型課件67湍流燃燒模型課件68湍流燃燒模型課件69湍流燃燒模型課件70第五章湍流燃燒模型第五章湍流燃燒模型71預(yù)備知識(shí)：湍流火焰?zhèn)鞑ヒ?、湍流火焰的特點(diǎn)火焰長(zhǎng)度縮短，焰鋒變寬，并有明顯的噪聲，焰鋒不再是光滑的表面，而是抖動(dòng)的粗糙表面，火焰?zhèn)鞑タ?。湍流火焰：火焰鋒面光滑，焰鋒厚度很薄，火焰?zhèn)鞑ニ俣刃?。層流火焰：預(yù)備知識(shí)：湍流火焰?zhèn)鞑ヒ?、湍流火焰的特點(diǎn)火焰長(zhǎng)度縮短，焰72湍流燃燒模型課件73一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^層流大幾倍，不僅與燃料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且與湍流性質(zhì)有關(guān)，湍流強(qiáng)度增大，將使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，火焰更短。燃燒室尺寸更緊湊，加上向外散熱損失小，因此燃燒設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性好。湍流火焰伴隨著噪音湍流火焰的燃燒產(chǎn)物內(nèi)氧化氮（NO）含量少，因而對(duì)環(huán)境的污染小一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣容^層流大幾倍，不僅與燃料的74一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰比層流火焰?zhèn)鞑タ斓脑颍海?）湍流流動(dòng)使火焰變形，因而增大了反應(yīng)區(qū)，火焰表面積增加；（2）湍流加速了熱量和活性中心的傳輸，使反應(yīng)速率增加，即燃燒速率增加；（3）湍流加快了新鮮混氣和燃?xì)庵g的混合，縮短了混合時(shí)間，提高了燃燒速度。一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰比層流火焰?zhèn)鞑タ斓脑颍海?）湍流752、相關(guān)概念：紊流燃燒前沿面：把焰面視為一未燃?xì)馀c已燃?xì)庵g的宏觀整體分界面紊流燃燒前沿傳播速度：指紊流燃燒前沿法向相對(duì)于新鮮可燃?xì)膺\(yùn)動(dòng)的速度2、相關(guān)概念：76一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流特性參數(shù)：流體微團(tuán)的平均脈動(dòng)速度與主流速度之比。

在湍流中不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的流體微團(tuán)的平均尺寸，或湍流微團(tuán)在消失前所經(jīng)過(guò)的平均距離湍流尺度

l：湍流強(qiáng)度：若

l<（層流焰面厚度）為小尺度湍流，反之為大尺度湍流若

u’>ul

（層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋閺?qiáng)湍流，反之為弱湍流一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流特性參數(shù)：流體微團(tuán)的平均脈動(dòng)速度與77湍流燃燒模型課件78二、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热N湍流火焰模型：小尺度強(qiáng)湍流大尺度弱湍流大尺度強(qiáng)湍流二、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣热N湍流火焰模型：小尺度強(qiáng)湍流大尺度弱湍79一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰理論正是基于以上概念發(fā)展起來(lái)的。湍流火焰?zhèn)鞑ダ碚撝饕袃煞N：（1）皺折表面理論（鄧克爾和謝爾金）（2）容積燃燒理論（薩默菲爾德和謝京科夫）

一、湍流火焰的特點(diǎn)湍流火焰理論正是基于以上概念發(fā)展起來(lái)的80湍流燃燒模型課件81小尺度強(qiáng)湍流：湍流鋒面不發(fā)生皺折，但由于湍流增加了傳質(zhì)而使湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣瓤臁?/p>

湍流導(dǎo)溫系數(shù):

可推得湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣戎鹊扔趦烧邆鬏斅手鹊钠椒礁?/p>

而分子導(dǎo)溫系數(shù)與分子運(yùn)動(dòng)粘性成正比，所以小尺度強(qiáng)湍流：湍流鋒面不發(fā)生皺折，但由于湍流增加了傳質(zhì)而82小尺度強(qiáng)湍流：小尺度湍流情況下，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可燃混氣的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)（即與ul成正比），還與流動(dòng)特性有關(guān)（即與Re1/2有關(guān)）

小尺度強(qiáng)湍流：小尺度湍流情況下，湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H與可83第二節(jié)湍流火焰?zhèn)鞑ザ?、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟪叨热跬牧鳎河捎谕牧髅}動(dòng)，火焰發(fā)生皺折，但由于脈動(dòng)速度小于正常火焰?zhèn)鞑ニ俣龋h面仍然是連續(xù)的可以把湍流焰鋒看成由很多小的層流火焰錐組成，則：第二節(jié)湍流火焰?zhèn)鞑ザ?、湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣却蟪叨热跬牧鳎河?4大尺度弱湍流：如果湍流微團(tuán)在錐形表面上的燃燒速度仍然是，則：錐體高度:微團(tuán)存在的時(shí)間:由于大尺度湍流火焰鋒的表面積比層流火焰鋒的表面積大，所以大尺度湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葘恿骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣却?。這就是湍流火焰的表面?zhèn)鞑サ谋砻胬碚摗?/p>

大尺度弱湍流：如果湍流微團(tuán)在錐形表面上的燃燒速度仍然是85湍流燃燒模型課件86大尺度強(qiáng)湍流：湍流強(qiáng)度很大時(shí)：

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素?zé)o關(guān)，只取決于脈動(dòng)速度的大小。大尺度強(qiáng)湍流：湍流強(qiáng)度很大時(shí)：湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c化學(xué)動(dòng)875-1引言通常燃燒現(xiàn)象包含了流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間的相互作用，燃燒過(guò)程是一種綜合的物理化學(xué)過(guò)程這個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述就是第二章介紹的包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分方程的基本方程組。幾乎所有實(shí)際裝置中的燃燒現(xiàn)象都是湍流燃燒現(xiàn)象。人們主要感興趣的是平均量的分布和平均熱流。通過(guò)對(duì)基本方程進(jìn)行雷諾分解和平均而得到的平均量控制方程組是不封閉的，不封閉性來(lái)源于非線性項(xiàng)的分解和平均。5-1引言通常燃燒現(xiàn)象包含了流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以88上一章在一定程度上解決了湍流輸運(yùn)的模擬問(wèn)題本章主要介紹如何處理平均化學(xué)反應(yīng)率。由于平均化學(xué)反應(yīng)率同時(shí)受到湍流混合、分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)三個(gè)方面的影響，目前尚未見(jiàn)到普遍適用的湍流燃燒速率，即湍流燃燒過(guò)程中的平均化學(xué)反應(yīng)速率的模型公式。因此，本章將分別就擴(kuò)散燃燒和預(yù)混燃燒，介紹常用的模型，最后介紹斯波爾丁在1976年提出，目前仍在發(fā)展中的ESCIMO湍流燃燒理論。上一章在一定程度上解決了湍流輸運(yùn)的模擬問(wèn)題895-1-1簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)是個(gè)十分復(fù)雜的分過(guò)程，例如固體燃料的燃燒常常是固體的表面燃燒和氣體揮發(fā)物的容積燃燒共存，常用烴燃料的燃燒往往是多種烴混合物的燃燒，即使是純?nèi)剂?如氫、一氧化碳或者甲烷)，其燃燒反應(yīng)也是包含幾種至幾十種的中間產(chǎn)物，幾個(gè)至幾百個(gè)中間反應(yīng)的復(fù)雜反應(yīng)。由于計(jì)算機(jī)條件和燃燒模型的限制，若考慮如此復(fù)雜的鏈反應(yīng)過(guò)程，要解出各種中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物在空間各點(diǎn)的分布，是相當(dāng)困難的。目前解決較好的只是二維拋物型的燃燒問(wèn)題。5-1-1簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)湍流燃燒化學(xué)反應(yīng)是個(gè)十分復(fù)雜的分過(guò)90在對(duì)燃燒熱能動(dòng)力裝置的分析中，重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題往往是燃燒的熱效應(yīng)(如效率、溫度和熱流分布等等)，而且化學(xué)反應(yīng)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響也主要是由它的熱效應(yīng)引起的。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，斯波爾丁等人歸納出了可以繞過(guò)化學(xué)反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理，而又基本滿足實(shí)際需要的“簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)”的模型，它的要點(diǎn)有三:(1)化學(xué)反應(yīng)可以用單步不可逆反應(yīng)來(lái)表征氧化物和產(chǎn)物之間質(zhì)量的變化滿足:式中s是完全燃燒1公斤燃料在理論上所需氧化劑的重量，顯然它與燃料和氧化劑的種類(lèi)有關(guān)，而與化學(xué)反應(yīng)及流動(dòng)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。在對(duì)燃燒熱能動(dòng)力裝置的分析中，重點(diǎn)需要考慮的問(wèn)題往往是燃燒91（3）各組分的比熱彼此相等，與溫度無(wú)關(guān)。有兩點(diǎn)值得說(shuō)明，一是各組分的交換系數(shù)和比熱隨空間位置而變化是允許的，二是上述第三點(diǎn)中的與溫度無(wú)關(guān)的假設(shè)僅是為了計(jì)算方便，是非本質(zhì)性的。若認(rèn)為比熱是溫度的函數(shù)，則求溫度分布時(shí)需增加一個(gè)迭代的程序。（3）各組分的比熱彼此相等，與溫度無(wú)關(guān)。925-1-2混合分?jǐn)?shù)根據(jù)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的假設(shè)，構(gòu)成系統(tǒng)的組分主要是燃料、氧化劑和產(chǎn)物(或者還有基本不參加化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì))。如果知道了這三種組分中的任意二種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，第三種組分的濃度、就可以利用所有組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和等于1求出。5-1-2混合分?jǐn)?shù)根據(jù)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的假設(shè)，構(gòu)成系統(tǒng)的組分93一般地說(shuō)，組分分布是靠求解相應(yīng)的組分方程得到的，即需要求解兩個(gè)以平均化學(xué)反應(yīng)率為源項(xiàng)和耦合的二階非線性偏微分方程。解決問(wèn)題的方法能否進(jìn)一步簡(jiǎn)化呢?回答是肯定的，但這個(gè)簡(jiǎn)化僅在簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的假設(shè)適用的范圍內(nèi)成立。一般地說(shuō)，組分分布是靠求解相應(yīng)的組分方程得到的，即需要求解兩94湍流燃燒模型課件95s為氧燃比，氧化劑質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比當(dāng)量比：s(理論)/s(實(shí)際)s為氧燃比，氧化劑質(zhì)量與燃料質(zhì)量之比96這是一個(gè)無(wú)源方程，解無(wú)源方程比解有源方程要方便得多。這是一個(gè)無(wú)源方程，解無(wú)源方程比解有源方程要方便得多。97對(duì)于一般的燃燒過(guò)程，為確定組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，只要求解一個(gè)有源方程(例如mfu方程)和一個(gè)無(wú)源方程就夠了。又因?yàn)榛旌戏謹(jǐn)?shù)的方程對(duì)其瞬時(shí)值也同樣成立，所以對(duì)可以認(rèn)為燃料和氧化劑的瞬時(shí)值在空間不共存的擴(kuò)散火焰來(lái)說(shuō)，只要設(shè)法知道了混合分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)值f，就可以知道各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)值了。對(duì)于一般的燃燒過(guò)程，為確定組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布，只要求解一個(gè)有98湍流燃燒模型課件99湍流燃燒模型課件100

1015-1-3守恒量之間的線性關(guān)系

5-1-3守恒量之間的線性關(guān)系

102在一定的條件下，守恒量之間存在著特別簡(jiǎn)單的定量關(guān)系，利用這定量關(guān)系，在知道了一個(gè)守恒量的空間分布之后，就可以根據(jù)邊界值，十分方便地確定其它守恒量的空間分布。在一定的條件下，守恒量之間存在著特別簡(jiǎn)單的定量關(guān)系，利用這定103湍流燃燒模型課件104湍流燃燒模型課件105湍流燃燒模型課件106“簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)”和“快速反應(yīng)”(FastReaction)“快速反應(yīng)”指的是,化學(xué)反應(yīng)速率大大超過(guò)混合速率的一類(lèi)反應(yīng)，即燃料和氧化劑混合，它們之間的反應(yīng)即刻完成，所以它們不可能在同一時(shí)刻共存于空間任意一個(gè)點(diǎn)。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，快速反應(yīng)，意味著化學(xué)反應(yīng)速率無(wú)窮大，而從化學(xué)熱力學(xué)的角度看，則是處處達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)。“簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)”和“快速反應(yīng)”(FastReactio107與“快速反應(yīng)”相對(duì)應(yīng)的是“有限速率反應(yīng)”“有限速率反應(yīng)”，意味著化學(xué)反應(yīng)以有限速率進(jìn)行，其速率在層流狀態(tài)下取決于其熱力學(xué)狀態(tài)、化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和分子輸運(yùn)能力，在湍流情況下還受到流動(dòng)狀態(tài)的影響。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)和快速反應(yīng)是完全不同的兩個(gè)范疇。與“快速反應(yīng)”相對(duì)應(yīng)的是“有限速率反應(yīng)”108簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中可以有快速反應(yīng)和有限速率反應(yīng);復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中同樣可以有快速反應(yīng)和有限速率反應(yīng)兩種處理方法。反之亦然，快速反應(yīng)模型在一定條件下不僅適用于簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，而且也適用于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中可以有快速反應(yīng)和有限速率反應(yīng);109本章下面討論的各種模型和理論都是針對(duì)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)(除非加以特殊說(shuō)明)的，它不適用于對(duì)復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中某一基元反應(yīng)的分析。處理湍流擴(kuò)散火焰，可以用快速反應(yīng)假設(shè)，例如所謂的k-ε-g模型;處理預(yù)混火焰，問(wèn)題歸結(jié)為?；M分方程中的源項(xiàng)，即湍流燃燒速率。本章下面討論的各種模型和理論都是針對(duì)簡(jiǎn)單化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)(除非110ESCIMO理論采用的是完全不同的另一種思路和方法，能同時(shí)考慮湍流、分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)三個(gè)方面對(duì)燃燒過(guò)程的影響，不必事先區(qū)分是擴(kuò)散火焰還是預(yù)混火焰，可以求出湍流燃燒速率，也可以繞過(guò)求湍流燃燒速率，直接用統(tǒng)計(jì)平均的方法解出燃燒場(chǎng)各變量(溫度、濃度等)的均值和脈動(dòng)均方值的分布，它還有能力處理復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等問(wèn)題。ESCIMO理論采用的是完全不同的另一種思路和方法，1115-2湍流擴(kuò)散火焰的k-ε-g模型擴(kuò)散火焰：把燃料和氧化劑分開(kāi)而不是混合后進(jìn)入燃燒區(qū)的火焰。特點(diǎn)是化學(xué)反應(yīng)速度大大超過(guò)燃料和氧化劑之間混合的速度?？焖俜磻?yīng)模型給出了對(duì)層流擴(kuò)散火焰的滿意的解析和數(shù)值分析的結(jié)果，那么該模型是否可用于處理湍流擴(kuò)散火焰呢?5-2湍流擴(kuò)散火焰的k-ε-g模型擴(kuò)散火焰：把燃料和氧化劑112實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，湍流擴(kuò)散火焰與層流擴(kuò)散火焰有很大不同，以射流火焰為例，主要是:湍流擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度幾乎不隨射流出口速度而變化，在火焰區(qū)內(nèi)的取樣分析表明燃料和氧化物共存;火焰面急劇脈動(dòng);火焰噪音大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，湍