燃气燃烧的气流混合过程

在燃烧技术中，燃气燃烧过程是一个复杂的物理、化学过程。就其过程进展条件不同，可分为动力燃烧和扩散燃烧，前者为燃气和空气预先充分、均匀混合，然后送入燃烧室进行燃烧；后者为燃气和空气分别送入燃烧装置，在燃烧室内一边混合，一边进行燃烧，由于燃烧速度较慢，一般有明显的火焰，也称为有焰燃烧。
　　对于有焰燃烧，燃气和空气混合的物理过程，是决定燃烧特性的重要因素。如，火焰长度、宽度及它的温度分布等等。所以，研究燃烧过程，必须讨论与燃烧化学反应密切相关的物理过程。
　　从燃烧器喷嘴喷出的燃气流或然气、空气混合流，都是一股射出流体，简称为射流。射流分为各种类型。按射流方式可分为直流射流、旋转射流；按出流方向可分为平行射流、环状同心射流、相交射流；按流动状态可分为层流射流、紊流射流等等。
　　本章属燃烧空气动力学内容，介绍气流混合的基本概念和自由射流、相交气流。

 

　　当气流由管嘴或孔口喷射到充满静止或速度非常小介质的无限空间时，所形成的气流，称为自由射流。自由射流中，气流混合的实质是喷出气体与周围介质进行的动量和质量的交换。按射出流体与环境介质的温度和密度，可分为等温自由射流和非等温自由射流；按流动状态不同，自由射流又可分为层流自由射流和紊流自由射流等。

　　一、层流自由射流

　　当喷嘴口径较小，喷出流量也较低，喷出流体的Re数在临界值以下时，形成层流自由射流。
　　某种燃气从燃烧器喷嘴以质量流量q_m、速度v₀、温度T₀、密度ρ₀、浓度C₀喷出，其前进方向与x轴方向相同，并且初速度v₀在喷嘴出口处呈均匀分布。
　　在射流进入空间后，因与周围介质有速度差，且有粘性，产生层流混合边界层，引起射流和周围介质的质量、动量交换，使介质分子也跟随射流运动，即被射流卷吸，使射流流量逐渐增加，射流流场不断加宽；而射流断面上的平均速度却逐渐下降。图3—3—1为等温层流自由射流流场结构示意图。
　　图中，OB、OC为射流外部边界，是射流与周围静止介质的交界面。在此，射流的轴向速度为零：外部边界的交点为极点O；夹角α₁为射流张角；AD、ED是射流内部边界，为射流核心的边界；内外边界之间，则为层流混合区，即边界层。AED区域，保持出口的T₀、C₀等参数，且轴心速度保持v₀，称为射流核心区。D点所在的FDG截面为过渡截面。∠ADE(α₂)为射流核心收缩角。从出口到过渡截面为初始段。过渡截
面FDG上的轴心速度v_m=v₀后，射流沿程各截面速度分布开始不断变化，直到呈相似速度分布。过渡截面FDG之后，则为基本段。对于周围介质的温度和密度与喷出气流不同的非等温自由射流，水平出流时由于重力差使流场发生弯曲，如图3—2—2，热射流水平出流至冷介质时，射流轴线往上弯曲；而对冷射流出流，则轴线下弯。