湍流非预混火焰
层流非预混扩散火焰9
r
(r
vx ). r
2021/8/8
14
• 组分守恒: 针对燃料射流
vx
YF x
vr
YF r
D1 r
(r YF ). r r
• 由于组分只有燃料和氧化剂两种，所以 两者的质量分数相加应该为1。
YOX 1YF
2021/8/8
15
边界条件
• 为了求解未知的 vx(r,x), vr(r,x), YF(r,x) • 在轴线上：(r=0)
碳烟soot的产生201282044201282045由于燃料和火焰停留时间的不同在燃料侧形成的碳烟在向高温氧化区移动的过程中可能无法被完全氧化在这种情况下soot就会冲出火焰而形成碳黑的翼这部分从火焰中出来的碳黑就是我们通常说的说的烟
燃烧理论
九 层流非预混扩散火焰
Nonpremixed Diffusonal
流函数 x p F (r / xq ) ux =(1/r) /r xp-2q
p=q=1
对于现在讨论的情况来说，这就意味着用中心线速度vx(0, x)将相同轴向距离处速度vx(r, x) 标准化后，得到的无量纲 速度仅仅是相似变量r / x的函数。
2021/8/8
19
vx
3
8
Je [1 2 ]2 x 4
• 其它常用的射流参数有喷射速率和喷射角α。 在此，我们先引入射流半宽，r1/2，这一概念： 在射流的某一轴向距离处，当射流速度减小
到该轴向距离处中心线速度一半时的径向距 离为此轴向距离处的射流半宽，如图9.3所示。 射流半宽的表达式可以通过联立(9.12)和 (9.13)，并令vx / vx,0 = 1 / 2得到。
Ph.D, M.A., Clark University ,1912
稳态湍流非预混燃烧的小火焰模拟
ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ ｉ ｎ ｉ ｆ ｒ ｅ ｂ ｏ ｘ ．
在 混合分 数空 间 中，反 应标量方 程不包 含对 流项 ，
垂 直于火焰 面方 向的非预混 影响通 过标量 耗散率描 述， 湍 流非预混火焰可 以看成是无数个层 流对 撞射流非预混 火焰 ，所以稳态非预混火焰通常采用 的层流对 撞射流火 焰 的关 系式，可 以推 出其标量耗散率的分布函数 ：
ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｎ ｏ ｎ － ｐ ｒ ｅ ｍｉ ｘ ｅ ｄ பைடு நூலகம்ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｌ ｆ ｏ ｗｓ ．Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｌ ｆ ｏ ｗｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｌａ ｆ ｍｅ ｌ ｅ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｏ ｕ ｔ
＿ 厂（ ｚ ） ＝ ｅ ｘ ｐ （ 一 ２ ［ ｅ ｒ ｆ ￣ （ ２ ｚ ） ］ 。 ） （ ４ ）
１ 数学模型
本 文模 拟的是 甲烷／ 空气二维稳态 湍流非预混 燃烧， 为突 出数学模型，流场 的求解采用连续性方程 、 Ⅳ． 程
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｓ ｈ ｏ ｏ ｔ ｎ ｏ ｎ — ｐ ｒ ｅ ｍｉ ｘ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍｅ ｔ ｈ ａ ｎ ｅ ／ ａ ｉ ｒ ，ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｆ ｌ ａ ｍｅ ｌ ｅ ｔ ｍｏ ｄ ｅ １ ｆ ｏ ｒ ｔ ｗｏ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ
湍流非预混燃烧数值模拟的代数二阶矩模型
摘要 ： 湍流燃烧数值模拟 是研 究燃 烧的一种 重要 手段 ， 采用 的湍流燃烧模型是否恰 当直接影响最终结果的准确 性。 在湍流燃烧 中，化学反应速率不仅取决于当地的组分浓度和 温度 ，而 且与组分 的湍流脉动也有密切关系 。通过对 湍流燃烧模型进行探讨 ，发现代数二阶矩模型 （ ＡＳ ＯＭ）能综合考虑湍流和反应动力学因素的影响，而且 比其他 复杂 的模 型简单 。研 究将 组分混合速率对化 学反应速率 的影响在一个修 正的代数二阶矩模 型（ Ｒ ＡＳ Ｏ Ｍ１ 中进行考 虑，更准确 地计 算出化 学反应 速率 。为 了验证模 型 的准确 性 ，Ｒ ＡＳ ＯＭ 模型被 应用 到 Ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ａ 实 验室测 量 的甲
（ １ Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ － ｄ ｕ ｔ ｙ Ｇ ａ ｓ — ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ， Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ｓ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｂ ｅ ｊ ｉ ＇ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ １ ９ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍ ｙ ｏ ｆＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｂ ｅ ｊ ｉ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ３ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； Ｄｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ， Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ
ＤＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ４ ３ ８ — １ １ ５ ７ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０ ０ ７
燃烧学9-非预混火焰ppt课件
相对于层流扩散火焰，湍流扩散火焰要复杂得多，很难用分 析的方法求解。主要靠数值方法求解。也有一些关于火焰长 度和半径的经验公式
对于燃料自由射流产生的垂直火焰，取决于以下4个因素：
动力-扩散燃烧
燃烧的快慢既与化学动力因素有关，也与混合过程有关
本生灯
一次空气消耗系数α1：从底部吸入的空气为一次空气量 二次空气消耗系数α2：从出口引射所得的空气为二次空气量 总空气消耗系数： α= α1 + α2
（1） α1 =0，燃烧所需的空气全部由外界环 境通过引射提供，属于扩散燃烧； （2） α1 ≥1，从本生灯的底部供入的空气充 足，燃烧过程完全由化学反应的快慢控制， 属于动力燃烧； （3） 0<α1 <1, 燃烧既有一次空气混合物的预 混燃烧，也有剩余燃料的扩散燃烧，属于动 力-扩散燃烧。
燃料燃烧所需的时间τ= τm+ τr
燃料与空气混合时间τm流动特征时间
燃烧反应时间τr
化学反应时间
Da= τm /τr
扩散燃烧： τm >>τr, τ≈ τm
化学反应进行得很快，燃烧快慢主要取决于混合速度，与化 学反应速度关系不大
预混燃烧： τm <<τr, τ≈ τr
混合过程进行得很快，燃烧快慢主要取决于化学反应速度(化 学动力因素)，与混合过程关系不大
在动量其主要作用区域，无因次火焰长度的经验公式为 :
Frf 5
L* 23
甲烷射流火焰的长度比丙烷小的原因：
（1）出口动量对甲烷射流火焰长度的影响其主要作用，使得 甲烷射流火焰的无量纲长度比丙烷的长；
燃烧学-第五章
燃料/氧配比的影响（过量空气系数的影响）
混合气配比对火焰 传播速度影响很大。
除氢气和一氧化碳 外，最大火焰传播速度 处在λ=0.80～0.85范围内。
对大多数混合气来 说、最大火焰传播速度 是发生在化学计量比条 件下。
对每一种燃料—氧化剂的可燃混合气都存在 一定的可燃界限，其上限为混合气浓限，下 限为混合气稀限。这是维持火焰传播的一个 必要条件。
第五章 火焰传播与气体燃料燃烧
层流火焰概念、结构特征、传播机理、传播速度计算，层 流火焰传播速度影响因素 ，湍流火焰概念 ，湍流火焰传播理论 与传播速度，爆震燃烧理论。
层流火焰结构、传播机理，湍流火焰传播两种理论
层流火焰传播的数学模型建立与推导，湍流火焰传播理论
• 预混气体火焰
Premixed Flame （Bunsen Flame ）
在火焰前沿厚度的很大一部分上，化学反应的速度很 小，称为预热区，以 δd 表示。而化学反应主要集中 在很窄的区域 δc 中进行，称其为化学反应区。
火焰前沿传播机理
火焰传播的热理论 认为火焰中反应区(即火焰前沿)在空间的移动，取 决于反应区放热从而向新鲜混合气的热传导。
火焰传播的扩散理论
认为凡是燃烧都属于链式反应，在链式反应中借助
Sl＝u0
对固定火焰，火焰面静止不动，即up=0，则 Sl = u0 = us 即：火焰传播速度就等于未燃混合气进入火焰面的流速， 两者大小相等方向相反。
(u p、u s反方向） (u p、u s同方向）
可燃气体和空气混合物在20℃及760厘米水银柱 下的火焰前沿移动的正常速度值
可 燃 气 体 H2 CO CH4 C2H2 C2H4 正 常 速 度 uH, m/s 1.6 0.30 0.28 1.0 0.5
非预混层流火焰模型
在扩散火焰中，燃料和氧化剂扩散至反应区，遇到活性中心，点火发生。更多 的热和活化中心由此产生，一些扩散出去。在近似平衡火焰中，火化中心和温度浓度增 加，火化中心和热就更多地从火焰中挥发出去。留给火化中心达到平衡的时间就越短， 当地不平衡性增加。
和混合分数。 是第 I 个 Lewis 数，具体定义在 13.1-4 中。k, c p, i, 和 c p 相应的 是热导率，第 I 种的比热和混和平均比热。Si 是第 I 种物质的反应速率。H * I 是第 I 种物
质的比焓。耗散标量 必须在小火焰中定义。公式 14.4-2 的变形形式在【114】中使用。
(1 4.4.7)
方程 14.4-6 中的最后一项是为了考虑小火焰中的辐射耗散项。 是 Stefan-Boltzmann 常数，p 是压力，Xi 是第 I 种物质的摩尔分数，a I 是 Planck 平均吸收系数(见【83】)的 多项式系数。Tb 是背景（无穷远处）温度。使用辐射项可以稍为提高准确性，但在低应变 率下会导致发散。因此，使用这一项应该小心谨慎。
平衡方程，解决方法，逆向层流扩散火焰的计算实例可以在一些参考文献中找到。 具体的解释与分析可以在【27，51】中找到。
应变率及梯度耗散 对于逆流扩散小火焰，典型的应变率可以如下定义： a s = v/2 d，v 是燃料和氧 化剂的速度，d 是喷嘴口之间的距离。
替代了使用应变率来量化非平衡偏离的方法以后，使用 很方便。标量耗散定义如下：
在平衡பைடு நூலகம்预混燃烧模型中，温度的极限为
和
。对非绝热小火焰模型，
这种极限时范围或混合分数和标量耗散的公式限制了使用的焓范围。
下限
非预混燃烧模拟
mox
(32)
psec
msec msec mox
(33)
带有废气循环的非预混模拟示意图
四.非预混模拟方法的具体细节
• 混合分数及与其相关的量与式 • 描述系统化学反应的模型 • 湍流－化学反应相互作用的PDF模拟 • 非预混模型的非绝热拓展
（一）混合分数及与其相关的量与式
混合分数定义
Denition of the Mixture Fraction：
a.简单燃料／氧化剂扩散火焰
b.用多氧化剂入口的扩散系统 c.用多燃料入口的系统B.Leabharlann 用二混合分数模拟的化学反应系统结构
a.包含两个不同燃料入口系统
b.包含两种不同氧化剂入口的系统
三. 非预混模拟方法的限制和特别反应类型
special cases and Restrictions on the Mixture Fraction Approach
（1）仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90％的CH4和10％的
CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须有同样 的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为CH4 ，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧系统或包含反应粒子的系统中，仅允许 有一种废气。
混合分数就是在所有组分（CO2、H2O、O2等）里，燃烧和未燃烧 的燃料流里的元素（C、H等）的局部质量分数。即来源于燃料流的元 素质量分数，这个质量分数包括所有来自燃料流的元素，包括惰性组
分，N2，也包括与燃料混合的氧化性组分，如O2。 这个值是守恒的。混合分数可根据原子质量分数写为：
f Z i Z i,ox
二. 典型系统结构
非预混模拟方法已被明确用于模拟进行快速化学反应的紊态扩散火焰的 研究。非预混模型允许预测中间（基本）组分、溶解效应和严格的紊流 化学耦合。因为不需要解大量的组分输运方程，该方法在计算上很有效。 下面几幅图为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构。
ffluent燃烧（预混、非预混）
ffluent燃烧（预混、非预混）12.2.1通用有限速度模型该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对化学反应进行模拟。
反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius 速度表达式计算，从Magnussen 和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。
这些模型的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细内容请参阅第13章。
12.2.2 非预混和燃烧模型在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。
该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。
对于有限速度公式来说，这种方法有很多优点。
在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。
反映机理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或者化学平衡计算来处理反应系统。
具体请参阅第十四章。
层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。
12.2.3 预混和燃烧模型这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。
在这些问题中，完全的混合反应物和燃烧产物被火焰前缘分开。
我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。
湍流的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。
具体请参阅第15章。
12.2.4部分预混和燃烧模型顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃烧结合的系统。
在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确定组分浓度和火焰前缘位置。
具体请参阅第十六章。
12.3 反应模型的选择解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。
模型选取的大致方针如下：通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。
非预混火焰热声耦合机理的理论和计算分析
非预混火焰热声耦合机理的理论和计算分析非预混燃烧广泛存在于动力推进系统中。
本论文通过理论分析和数值计算，辅以相关实验数据，研究了非预混燃烧过程中的热声耦合问题。
对于燃气轮机燃烧室内的燃烧过程，产生热声耦合需要两个条件：第一，流场中需要存在一个初始的扰动，也就是热声耦合产生的诱因，燃烧过程的直接燃烧噪音便是产生这种流场内初始扰动的重要因素；第二，燃烧室的声学边界条件需要满足相关条件，使得流场中的初始扰动可以通过声学反馈，和燃烧过程耦合，产生自维持的热声耦合振荡燃烧。
全文围绕热声耦合问题的两个重要分支：燃烧过程的直接噪音和间接噪音展开，研究其产生机理和相关特性，并对其内在联系做了相关讨论。
首先，利用低阶模型的数学思想，理论推导了低阶燃烧动力学模型以及一维分布式火焰传递函数的表达式。
这些结果从守恒方程组出发，描述了燃烧动力学过程中放热率脉动和流场扰动之间的关系，它们的成立并不依赖于具体的燃料组织方式或燃烧模型，对于预混、非预混、以及部分预混燃烧都是成立的。
接着，论文以一个理想的二维平板非预混火焰作为研究对象，通过格林函数法，解析计算了这个典型非预混燃烧过程的一维分布式火焰传递函数，研究了非预混火焰不稳定燃烧过程中的一类重要问题：热斑的产生及其演化过程，分析其影响因素。
接下来，通过分析直接数值模拟的计算结果，得到了非预混火焰放热率脉动时间变化率的空间相关函数表达式，从而简化了非预混燃烧过程中直接燃烧噪音的计算方法。
通过燃烧过程中特征量对直接数值模拟结果的无量纲化，使得分析计算的结果表征了非预混燃烧过程中直接燃烧噪音的本质，使结果具有一般性。
在第五章，以一个真实的燃气轮机模型燃烧室为例，通过数值计算，预测了模型燃烧室的自激振荡燃烧状况。
通过线性声学的理论推导，得到了描述燃烧室上下游声学边界条件的声阻抗表达式，使得数值计算的区域可以只考虑燃烧区。
最后，讨论了非预混火焰热声耦合振荡燃烧对于宽频扰动的激发模态。
Fluent验证案例25：非预混燃烧
Fluent验证案例25：非预混燃烧本案例利用Fluent的非预混燃烧模型计算燃烧器内甲烷燃烧过程，并利用实验值对计算结果进行验证。
计算模型如图所示，甲烷与空气从不同的入口进入燃烧室，并在燃烧室内混合燃烧，计算过程中考虑辐射换热。
计算参数如表所示。
本次计算采用稳态计算，利用Realizable k-epsilon湍流模型计算湍流。
采用DO辐射模型考虑燃烧过程中的辐射换热，利用非预混燃烧模型模拟燃烧。
1Fluent设置•以2D、Double Precision方式启动Fluent•利用菜单File → Read → Case…加载case文件1.1 General设置•双击模型树节点General，右侧面板如下图所示进行设置注：选择轴对称旋转，因为存在轴对称旋转边界1.2 Models设置•右键选择模型树节点Models > Energy，选择弹出菜单项On激活能量方程注：涉及到化学反应燃烧的问题，都要开启能量方程•右键选择模型树节点Models > Viscous，选择弹出菜单项Model > Realizable k-epsilon开启湍流模型注：Realizable k-epsilon湍流模型适合于射流模拟•鼠标双击模型树节点Radiation，弹出设置对话框，激活辐射模型Discrete Ordinates，采用默认模型参数注：DO模型适合于模拟所有光学厚度条件下的辐射问题。
在本案例中也可以选择使用P1模型。
1.3 Species模型设置•鼠标双击模型树节点Models > Species弹出设置对话框•激活选项Non-Premixed Combustion采用非预混燃烧模型•选择选项Chmical Equilibrium及Non-Aiiabatic，采用非绝热的化学平衡模型•切换到Boundary标签页，如下图所示设置Fuel中ch4为1，设置Oxid中的n2为0.78992，o2为0.21008•选择选项Mole Fraction注：可以自己通过点击Add按钮添加组分•切换到Table标签页，如下图所示设置参数，点击按钮Calculate PDF Table生成PDF表注：非预混燃烧模型属于典型的快速化学反应模型，其并不考虑燃烧化学反应细节，利用湍流混合的混合分数决定燃烧温度分布。
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湍流非预混火焰－火焰辐射
辐射分数
燃料的辐射分数的大小 与它们的烟炱倾向的排 列顺序相同。
固定燃烧速率下降低火 焰尺寸和固定火焰尺寸 下增加燃烧速速率，都 将降低辐射分数的大小 2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
当湍流雷诺数比较低，不同组分分子扩散系数的差值又 较大时，很难找到合适的守恒标量。 统计矩封闭、pdf封闭
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－火焰辐射
火焰辐射 湍流非预混火焰会产生大量的辐射。在某些实 际的应用中，这种辐射有利于负载的加热。而在其 他的应用中，这种辐射损失将使效率降低（如内燃 机），并有可能危及安全（如发光操作）。在燃气 轮机中，辐射热负荷是影响燃烧汽缸耐用性的主要 因素。
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－火焰辐射
辐射分数定义
火焰热量散失到周围的传递速度， 与火焰释放的总热量的比值
ห้องสมุดไป่ตู้
2013-10-24
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湍流非预混火焰－其它扩散
旋流射流扩散火焰
切向分速度 轴向和径向都建立了压力梯度 扩展角一般都比自由射流的大
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－其它扩散
定量试验数据
城市煤气，M=19.7; Air/Fuel=4.5 (近似为化学计量比） d=3.2mm Hottel & Hawthorne
2013-10-24
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湍流非预混火焰－概述
湍流非预混火焰
燃烧理论与应用---
湍流非预混火焰
华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室
2013-10-24
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湍流非预混火焰
湍流非预混（扩散）火焰 燃烧剂与氧化剂燃烧前是分开的，一边混合一 边燃烧，燃烧过程主要受扩散混合过程控制 被运用于绝大多数的实际燃烧系统中 火焰容易控制
d小于0.133in (3.4mm),火焰长度 维持恒定
d大于0.152in,火焰 长度以逐渐减小的 速率增加。
2013-10-24
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湍流非预混火焰－概述
火焰结构
湍流非预混火焰－理论
湍流扩散火焰理论 湍流 燃烧
火焰形状及大小
火焰保持及稳定
热传递
污染排放
不同的密度 化学反应
？
湍流扩散火焰是工程科学中最重要的课题 之一，还有许多问题尚待解决。
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
2013-10-24
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湍流非预混火焰－概述
继续增加射流速度 ，开始颤动、皱折 、破裂的点向喷口 再增大射流速度， 方向移动，直到破 火焰顶部开始出现 裂点靠近喷口。此 颤动、皱折、破裂 随射流速度增加 时火焰达完全湍流 。由于湍流影响， ，火焰高度增加 状态，此后破裂点 湍流扩散混合加快 位置不变、火焰高 ，直到某一最大 ，燃烧速度增加， 度趋于定值。但噪 值，此时火焰仍 使火焰高度缩短。 音增加
产生旋流的方法
切向进入
在轴向管流中放置导向叶片
用转动叶片、叶栅等机械装 置使气流旋转
2013-10-24
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湍流非预混火焰－其它扩散
采用旋流的原因
如果涡流的数量足够多，能产生回旋区稳定火焰
火焰长度可通过涡流量来控制
2013-10-24
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湍流非预混火焰－其它扩散
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
L const. d
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－概述
定量试验数据
城市煤气; 2.34≤d≤10.16mm Re<2300 Wohl & Gazey
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
2013-10-24
湍流非预混火焰－理论
模拟非预混化学反应湍流的核心问题是解决 平均化学反应速率项和释热对湍流结构的影响问 题。在分析时，需要作一些与极限情况有关的基 本假定。如高温条件下的快速化学反应假定和大 湍流条件下的快速混合假定等。
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－理论
处理方法：
守恒标量的方法
假定瞬时分子组分的浓度和温度仅是所研究时刻的守恒 标量浓度的函数，分子组份浓度仅与守恒标量有关，大大简 化了化学反应和湍流之间的相互作用。
双变量方法
除混合分数以外，再加上反应进度，可以把守恒标量方 法推广到复杂多步化学反应的问题。
直接封闭方法
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2013-10-24
湍流非预混火焰－概述
湍流扩散火焰：
L
ud
2
l 'u '
ud
2
l'd u'u
ud L d ud
2013-10-24
湍流非预混火焰－概述
湍流扩散火焰的特点： 火焰前沿为颤动的、皱折的、破裂的。因此 测定火焰高度很不容易。 火焰前沿厚度较宽，并处于激烈脉动中。
火焰高度与射流速度无关，仅仅与喷嘴直径 成正比。
2013-10-24
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空气
2013-10-24
燃料
空气
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湍流非预混火焰－概述
燃烧最高温度低于理 论燃烧温度
对称轴
理想火焰前沿 实际火焰前沿
T
燃料
O2
燃料浓度高于 氧浓度，燃料 热分解，生成 烟炱
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－概述
层流扩散火焰：
ud Lf D
2
d －喷口直径 D －扩散系数
湍流扩散火焰：
L
ud
2
d －喷口直径 ε －湍流涡团系数
如果过分增加射 流速度，火焰会 脱离喷口直至吹 熄。
保持层流。 在射流速度较低 时，火焰保持层 流状态，火焰前 沿面光滑、稳定 、明亮。
2013-10-24
The State Key Lab. of Coal Combustion, HUST Wuhan 430074, P. R. CHINA
湍流非预混火焰－概述