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燃烧学

6-湍流预混火焰湍流预混火焰传播湍流预混火焰传播图域湍流预混火焰传播速度确定湍流火焰传播速度影响因素由于湍流火焰表面积很难准确测量，一般采用下面公式计算火焰传播速度湍流预混火焰传播速度要比层流预混火焰传播速度快湍流火焰的特点均匀、各向同性的湍流流场，可以用两个特征量表示湍流特征：湍流强度和湍流尺度湍流尺度：（1）流动特征尺度（与管径、绕流物体尺度有关）（2）积分尺度（湍流宏观尺度，大涡尺度）（3）泰勒微尺度（与平均应变率有关）（4）柯尔莫戈洛夫尺度（最小尺度，与旋涡耗散有关）**第一节湍流预混火焰传播研究湍流火焰的目的（1）工程中的燃烧装置多为湍流燃烧（2）确定湍流特性对火焰传播的影响雷诺数Re=ρvL/μ直管段中：Re2300时，层流；Re3200时，湍流此时火焰为湍流火焰湍流火焰的特点层流火焰：火焰锋面光滑，焰锋厚度很薄，火焰传播速度小（20-100cm/s）湍流火焰火焰长度缩短，焰锋变宽，并有明显的噪声，焰锋不再是光滑的表面，而是抖动的粗糙表面，火焰传播速度快用Rayleigh激光散射的方法瞬态测量在流动临近平均火焰位置的特定处的气体密度。可见气体密度值在未燃气体与已燃气体值之间快速波动，表明火焰是通过测量位置脉动的薄层湍流预混火焰传播可以描述为在湍流流动中传播的薄的层流预混火焰。湍流流动使火焰发生扭曲，扭曲程度取决于当地湍流强度湍流火焰传播速度：湍流火焰前沿法向相对于新鲜可燃气运动的速度，可用流经火焰的可燃预混气的体积流量除以湍流火焰的表观面积表示ST=Q/Af关键在于确定湍流火焰表面积湍流火焰比层流火焰传播快的原因（1）湍流流动使火焰变形，火焰表面积增加，因而增大了反应区；（2）湍流加速了热量和活性中间产物的传输，使反应速率增加，即燃烧速率增加；（3）湍流加快了新鲜混合气和燃气之间的混合，缩短了混合时间，提高了燃烧速度。湍流火焰理论基于上述概念发展起来的。湍流火焰传播理论主要有两种：（1）表面褶皱理论（邓克尔和谢尔金）（2）容积燃烧理论（萨默菲尔德和谢京科夫）湍流火焰的特点湍流尺度l：在湍流中不规则运动的流体微团的平均尺寸，处于宏观量级若lδ(层流焰面厚度)为小尺度湍流，反之为大尺度湍流湍流强度ε：描述湍流运动的速度为u=U+u’U为平均速度，u’为瞬时脉动速度，u’=[(u’12+u’22+…+u’n2)/n]0.5流体微团的平均脉动速度与主流速度之比为湍流强度ε=u’/u若u’un（层流火焰传播速度）为强湍流，反之为弱湍流第二节湍流预混火焰传播图域湍流预混火焰的性质既依赖于预混层流火焰的特性（如SL和δL），也依赖于湍流的特性，如l和u’Da=τm/τr三种湍流火焰模型湍流火焰小尺度湍流火焰lδL大尺度湍流火焰lδL大尺度弱湍流火焰u’SL大尺度强湍流火焰u’SL第三节湍流预混火焰传播速度确定a）小尺度湍流火焰（2300Re6000）条件：lδL现象：能够保持规则的火焰锋面，火焰前沿仍然平滑，只是增加了厚度，火焰锋面不发生皱折，湍流火焰面厚度δTδn特点：小尺度湍流只是由于湍流增强了物质的输运特性，从而使热量和活性粒子的传输增加，使湍流火焰传播速度比层流火焰传播速度快，而在其它方面没有什么影响小尺度湍流预混火焰传播速度确定湍流火焰传播速度和层流火焰传播速度之比等于二者传输率之比的平方根λt表示湍流热传导系数λl表示层流热传导系数根据相似性原理，分子导温系数α=λn/(ρ0cp),故湍流导温系数αt=λT/(ρ0cp)。在湍流中湍流导温系数取决于湍流尺度和脉动速度乘积，即αt∝lu’对于管流，湍流尺度l与管径成正比，脉动速度u’与气流速度成正比l∝du’∝u而分子导温系数α与运动粘性系数ν成正比，所以小尺度湍流情况下，湍流火焰传播速度不仅与可燃气的物理化学性质有关（即与un成正比），还与流动特性有关（即与Re1/2有关）湍流火焰传播速度b）大尺度弱湍流火焰（Re6000）条件：lδL，u’SL现象：火焰锋面扭曲皱折火焰锋面未被吹破，仍然是连续的大尺度弱湍流传播速度确定——小火焰模型（表面理论）设薄层焰锋的传播速度仍然是un，那么单位时间内焰锋锋面烧掉的混合气是Acun，它应与湍流火焰传播速度ut和湍流焰锋的平均面积Ap的乘积相等，即：Acun=Aput或ut=Acun/Ap因为AcAp,故utun,若把湍流气团设想成凹凸不平的很多小的焰锋，则utun,等于这些小的椎体表面积和底面积之比。——小火焰模型，亦称湍流火焰传播的表面理论增