第4章擴散燃燒引言擴散燃燒與動力燃燒氣體燃料燃燒所需的全部時間通常包括兩部分：氣體燃料與空氣混合所需時間和燃燒反應所需時間。擴散燃燒或擴散火焰動力燃燒或動力火焰擴散－動力燃燒氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰分類層流擴散火焰質量擴散以分子擴散的方式實現擴散火焰湍流擴散火焰

質量擴散以氣團擴散的方式實現氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰結構（受限擴散）氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰結構（自由擴散）層流擴散火焰火焰面必定在燃料與空氣按照化學恰當比混合的位置上：焰面外側：空氣＋燃燒產物焰面內側：燃料＋燃燒產物焰面：燃料與空氣的理論濃度為零氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰結構實際層流擴散火焰氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰結構湍流擴散火焰氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰結構湍流擴散火焰1、湍流射流擴散火焰面是皺折、波動、破裂的，不能精確測量其火焰高度，且湍流射流擴散火焰高度與射流無關，僅與射流直徑有關。2、湍流射流擴散火焰前沿厚度較寬，并處于激烈脈動中。其溫度、速度、濃度的時間平均值分布也與層流分布圖類似。與層流火焰相比，湍流擴散火焰具有如下優點：氣體燃料擴散火焰特性擴散火焰的特點擴散火焰不產生回火，但溫度低擴散燃燒容易產生碳氫化合物的熱分解人工煤氣擴散火焰人工煤氣預混火焰圓形湍流自由射流擴散燃燒射流分類根據射流噴嘴：平面射流與圓形射流根據射流結構：直流射流與旋轉射流平行射流與相交射流環形射流與同軸射流根據射流環境：自由射流與受限射流根據射流流動：層流射流與湍流射流圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流過渡段初始段自模段O－C－O為射流核心，核心區內速度、濃度等與出口處相同，長度約4~5d0x/d0＞8~10，射流的無因次參數分布與x/d0無關。初始段與自模段之間，可忽略。圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流自模段的特性：圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流自模段的特性：同樣，當噴射流體與周圍介質性質不同或溫度不同時，自模段的溫度場和濃度場也具有相似性，即：

圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流自模段的特性：實際上，b與x成正比：

圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流工程應用的半經驗公式：軸線上的參數：a為實驗系數，其值為0.07～0.08圓形湍流自由射流擴散燃燒一、圓形湍流自由射流工程應用的半經驗公式：參數分布：圓形湍流自由射流擴散燃燒二、射流的吸卷及吸卷量的計算射流向前運動時，由于橫向的速度脈動及粘性，與周圍介質產生動量交換，帶動周圍介質運動，使射流的質量沿流向逐漸增加，這種現象稱為射流的吸卷或引射。

任意截面及出口截面上射流的質量流量為：

當射流出口雷諾數大于及圓形湍流自由射流擴散燃燒二、射流的吸卷及吸卷量的計算經驗公式：當時：圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒由射流特性確定擴散燃燒特性：1、確定湍流擴散火焰高度，即尋找火焰鋒面與軸心線相交的位置2、擴散火焰面上有：如湍流擴散火焰高度的工程計算：圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒（湍流自由射流）由射流特性確定擴散燃燒特性：在射流中各點的燃料相對濃度Cf和氧化劑濃度Ca滿足：圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰高度（工程計算）：湍流擴散火焰高度與管徑成正比，與初始速度無關圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：假設：（1）忽略輻射熱損失；（2）物性不隨溫度變化；（3）不考慮湍流脈動與燃燒間的相互作用。圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：邊界條件：

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：在火焰面上：圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：為了消去組分方程、能量方程中的化學反應項（源項），對方程組進行變換：設化學反應按下列當量關系進行：

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

邊界條件：圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

；湍流擴散常數，c=0.0128圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

在火焰面上燃料和氧化劑濃度為零，也即當圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

湍流自由射流擴散火焰的高度：

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布，

（火焰前鋒面內）圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布，

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布（在火焰前鋒面外）圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布

圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布圓形湍流自由射流擴散燃燒三、圓形湍流自由射流擴散燃燒湍流擴散火焰理論分析：

射流火焰橫截面上的成分分布和溫度分布縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動特性縱向受限射流：受限射流可以分為兩類：燃料射流射入的方向和空氣流的方向垂直燃料射流射入的方向和空氣流的方向平行橫向受限射流：縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動特性射流的卷吸能力二次流流量縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動特性縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動特性縱向受限射流火焰一、縱向受限射流的流動特性縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論斯林－紐比(Thring-Newby)理論

將自由射流理論用于受限射流。假定射流的卷吸能力不受管壁的影響，于是可直接利用自由射流的公式：縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論假定射流的擴張角為9.7°，則：縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論當二次流此時只有在C截面以前才有卷吸量，假定這時到C截面的卷吸量為原來到P截面的一半，則有：縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論渦心的位置縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論斯林－紐比數令：縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論此時從N點到C點間卷吸的流量等于回流量此時縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論縱向受限射流火焰二、有回流區的縱向受限射流理論由θ值可求得回流區位置和回流量。隨著θ的增加，回流區位置向下游轉移，回流區尺寸變小。縱向受限射流火焰產生回流區有利于火焰的著火和穩定。受限射流火焰長度比自由射流長，并且隨θ的減小而增加。縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論布克－舒曼(Burke-Schumann)理論假設：火焰前沿面厚度趨于零，化學反應就發生在前沿面上，且火焰面位于燃料和氧化劑為化學恰當比的位置。擴散系數與溫度及成分無關，忽略由于加熱引起的膨脹及燃氣性能的變化。燃料和氧化劑流速相等。縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論對軸對稱、定常流動的物質守恒方程為：令：縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論假設ρ與D是常數用分離變量法，令：縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論方程左邊為r的函數，右邊是x的函數，因此只有等式為常數時才能成立，設常數為k2，則方程可變為以下兩個方程：

常系數方程零階貝塞爾方程

縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論式中k和c1為待定系數。利用邊界條件：以及火焰面上：Y=0縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論布克和舒曼解得了如下的火焰形狀隱函數關系：

可得正錐火焰高度可得倒錐火焰高度縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論取上述方程中的第一近似項，可得：與層流自由射流火焰高度的關系一致。縱向受限射流火焰三、無回流區的縱向受限射流理論層流受限火焰的火焰高度與燃料和空氣的總流量成正比，與擴散系數D成反比。因為D/u與壓力無關，當總流量保持不變時，火焰高度和壓力無關。如果在燃料中加入惰性氣體，例如氮氣，使降低，火焰向內移動。化學計量系數β減小也使火焰向內移動。旋轉射流擴散火焰一、旋轉射流特性流場中任一點的速度都有三個分量：u,v,w旋轉射流擴散火焰一、旋轉射流特性流場中任一點的速度都有三個分量：u,v,w以最大切向速度柱面將流場分為兩個區域：中央區和外圍區切向速度分布：中央區：旋轉剛體外圍區：自由渦區旋轉射流擴散火焰一、旋轉射流特性存在軸對稱的回流區旋轉射流擴散火焰一、旋轉射流特性存在軸對稱的回流區旋流數（旋流強度）：r0為噴嘴出口半徑，R為旋轉射流的旋轉半徑旋轉射流擴散火焰一、旋轉射流特性存在軸對稱的回流區弱旋流：S＜0.6射流內的壓力梯度不足以產生回流區強旋流：S＞0.6射流內的壓力梯度較大，足以產生回流區旋轉射流擴散火焰二、弱旋轉射流擴散火焰旋流強度很小時：軸向速度分布與自由射流相似，呈高斯分布，并具有相似性，可表示為：射流原點距噴口距離旋轉射流擴散火焰二、弱旋轉射流擴散火焰旋流強度較大時（無回流區）：軸向速度最大值將離開射流軸線，形成雙峰形速度分布，軸向速度分布沒有相似性。射流擴張角：旋轉射流擴散火焰二、弱旋轉射流擴散火焰弱旋轉射流擴散火焰幾乎在整個火焰長度上均有比較冷的核心區存在，而反應區處于冷核心區和環境空氣流之間的某區域內。由于冷核心區內的氣體和反應區的燃燒產物湍流混合作用，冷核心區溫度沿x方向逐漸升高弱旋轉射流擴散火焰的軸向速度的衰減也隨旋流強度的增加而加快，但衰減速率比不燃燒時慢，切向速度的衰減也與旋流強度無關，但衰減速率也比不燃燒時慢旋轉射流擴散火焰三、強旋轉射流擴散火焰工程上一般采用強旋流，并利用回流區穩定火焰；隨著旋流強度增大，射流擴張角、卷吸量增加，從而使軸向、切向和徑向速度衰減加快。其衰減規律為：軸向和徑向速度衰減規律：切向速度衰減規律：壓力衰減規律：回流區的長度、寬度隨旋流強度增大而增大

旋轉射流擴散火焰三、強旋轉射流擴散火焰射流出口的幾何形狀對旋轉射流的流動影響旋轉射流擴散火焰三、強旋轉射流擴散火焰射流出口的幾何形狀對旋轉射流的流動影響加裝擴張段后，會增加回流區的尺寸及回流量。旋轉射流擴散火焰三、強旋轉射流擴散火