概述在线视频

好 同学们

到现在为止

我们已经进入到

课程的最后的阶段

那么我们这是进入到最后一讲

给大家介绍一下

湍流燃烧的一些基本的概念

湍流燃烧是一个非常复杂的问题

那么我们通过前面

四种基本的火焰

层流预混燃烧

层流非预混燃烧

液滴的燃烧和固体的燃烧

那么我们对这些基本问题

有了理解以后

实际上我们知道

在自然界

或者说工业装置里边

大部分的燃烧装置

都是湍流的

那么这些工业装置

几乎没有 如果不跟湍流相关

是非常困难的

而湍流的话

又跟燃烧紧密结合在一起

使得问题非常之复杂

所以这一讲

我只能给大家

引入一些基本的概念

和基本的思考

而没有办法展开

有机会的话

大家如果学更深入的课程的时候

那么可以作为一门课程来学习

应该说湍流这本身

它就是一个百年的难题

到现在为止

还是投入了大量的研究

那么目前有很多简化的方法

模型的方法

但是应该说它的结果

还不能够满足我们的需求

所以现在很多实验的方法

模型的方法

还是不断在进步

那么也有人提出来

我们有没有可能用计算机

进行大规模的这种

直接的数值模拟

认为我们是不是就可以解决

但很遗憾

到现在为止

世界上应该还没有

这样大型的计算机

可以进行这样对工业装置的

这样一个大规模的计算

所以这一讲的话

我基本上首先给大家一起来

简单的回忆一下湍流的基本概念

后面的话就讲一些

比如像自由射流的这样一个

湍流的预混火焰

和湍流的非预混火焰的

一些基本概念

那么再介绍一下

我们湍流的一般的

湍流燃烧的一些基本的

这样一些方法

给大家做一个介绍

那么真正的深入

如何去真正的把这些方法掌握

这样一堂课是不可能做到的

但希望能够作为一个导引

大家今后能够去学习

非常之复杂

但是也非常引人入胜的

这么一个领域

湍流燃烧比比皆是

我可以举出很多例子来

比如像我们最最常用的

动力装置里边

比如像内燃机

我们汽车用的内燃机

燃气轮机

不管是航空的

航空的发动机

还是地面的燃气轮机发电

包括船用的燃气轮机

那么里边这些燃烧

统统是什么 湍流的

包括我们工业当中

使用的各种各样的

比如工业用的气体燃烧

燃烧器

包括大型的锅炉

不管是燃气的锅炉

燃油的锅炉

燃煤的锅炉

包括很多的工业装置

比如像很多的轧钢炉

包括水泥窑等等

这些燃烧装置

无一不是湍流的

最典型的比如是电火花的发动机

发动机它实际上是一个

非常复杂的一个

非常短的一个时间之内

以毫秒级记的这么一个时间之内

要完成所有的

从把燃料喷入进去

到燃烧 到做功

最后这么一个整体的

一个完成的过程

就是非常（短） 毫秒级的

实际上就应该完成

而且是要怎么样

是要在这么短的时间之内

要发生非常复杂的湍流

而且它是一个动态的过程

那么这一个就是

比如非常简单的

它燃烧时的很多很多的

不同的结构

比如我们很多燃气轮机

这是一个非常小型的燃机

是一个筒仓式的

看有一个人在这

那么就可以看出燃气轮机

是一个比较小型的燃气轮机

那么图中你就可以看出来

燃烧室 透平

它后面的整个的大小

你就可以判断出来

那么这上面就是由多个燃烧器

所组成的燃烧器所组成的

后面有一个燃烧室

可以有很多的火焰管

最后的话

在透平里边进行做功

这是一个非常典型的一个

吸入式的一个混合装置

实际上这是一个

用高压的气体

来把空气携带进去

燃料进行混合

燃料混合以后的话

后面就可以进入到燃烧器

这是一种非常典型的装置

还有很多了

就比如像左边就是一个

工业用的一个喷嘴式的

混合式的燃烧室

那么右边

它带有这种吸入式的

这种预混的燃烧燃烧室

有很多很多的这样的燃烧室

那么非常常见

那么它的目标

实际上非常清楚

要实现什么

快速的非常快速的

高强度的燃烧

同时还要降低

污染物的形成

提高燃烧效率

这是我们做燃烧的一个

最主要的两个方面

包括我们在实验室做研究的时候

常常要把过程进行简化

使得一些基本的现象

能够突出出来

比如这是一个典型的

用一个小棍作为稳燃器

产生的一个非常典型的

一个V型的湍流的预混火焰

看上去很漂亮

就是你看

如果你拍出照来看上去

就是很稳定的一个火焰

但实际上你如果非常非常快速的

去拍照的话

那你就可以看出来

它怎么样

火焰就发生

非常漂亮的很多图案

它实际上不断在进行变化

实际上你长期曝光

左边那张图实际上

是一个长期曝光的一个结果

看上去就很稳定的一个火焰

但实际上你要快速曝光

比如用PIV

直接数值计算算出来

你就可以看出来

它火焰实际上

非常快速的在进行脉动

这个现象是湍流现象里边

非常非常重要的现象

这也是一种燃烧器

这是一种典型的辐射式的燃烧器

也就是它的燃烧管在里边

燃烧在一个管子里边实现

实现了以后

用高强度的对外部进行燃烧辐射

那么底下那个

实际上是另外一个

旋转气流的一个

非预混的一个射流的火焰

那么它快速的可以混合

那么他的火焰的话

非常非常均匀

这也是一种非预混的火焰

那么它是用纯氧的一个火焰

那么它可以去控制

它有纯氧

有空气 有气体燃料

而且它分了不同的级别

就是很多很多的管子

那可以怎么样

它可以通过这种互相的匹配

来控制怎么样

火焰的大小 形状都可以控制

这就是通过湍流来控制

火焰形状和大小的

一个非常典型的案例

大家还看到过很多的自然的现象

比如火灾

火灾是非常典型的一个

大型的一个非预混火焰

或者我们称之为扩散火焰

那么你看它通常会

冒出很多的浓烟对吧

而且这种浓烟你可以看出来

它怎么样

是不稳定的

那么有很多的这种

不同的结构

这种大型的结构

你看右边这张图

它就非常大型的烟出来

这实际上是湍流和火焰怎么样

相互作用的一种结果

你看到刚才我讲的这些火焰

那么你可以想跟我们前面讲的

这种最基本的火焰

就有很大的差别

它的差别在哪里

强度可能提高了

而且火焰不像前面那么稳定

而且有很多怎么样

很多的可能这种大型的这种

不同的这种结构

小涡 大涡的结构所产生了

所以我们很关心怎么样

很关心刚才说了

这种火焰它的稳定

怎么维持等等

包括它的传播

当然包括它的污染物的排放等等

这都是我们非常关注的

而且到现在为止

应该说我们虽然现象

非常广泛

但是到现在去研究它的话

还是有很多很多的不确定性

甚至怎么样

有一些问题还互相矛盾

那么到现在为止

极大部分的对湍流的研究

还是基于现象学的

很多经验的这种关系

当然它有一定的理论基础

所以在整个的

做湍流燃烧到现在为止

很多的这种研究小组

不太敢去碰它

为什么

因为很多

湍流本身就已经够复杂的了

到现在很多人

湍流的基本结构

湍流的现象

还没搞清楚

你就把化学的燃烧

而且又这么高强度

在这么短的时间内

要去把它

它的时间尺度非常难以统一

所以很困难

几乎就认为不可解

但也有很乐观的去研究的

认为实际的燃烧

因为毕竟都是湍流的

而且呈现出什么

统计上还是有它的规律性

不是说我们人类

就一点办法都没有

我刚才举了很多的例子

我们的内燃机

我们的燃气轮机

我们的很多很多这样的

工业装置

实际上都是湍流的

而且我们已经怎么样

掌握了它的一定的规律

我们能够很好的去

根据它的规律去设计出来

说明什么

它还是有规律可循的

那我们这些规律性

应该是可以想到掌握的

当然我们还不能够彻底

去把它所有的细节

全部搞清楚

但宏观的怎么样

统计上很多规律

还是有可能进行研究的

那我们再说湍流燃烧

实际上就是什么意思

湍流实际上

我们再想一想

如果我们大家一起来回忆一下

待会儿我们和大家

一起来回忆一下湍流

湍流实际上

大家都知道

它是一个不同的尺度的概念

比如有大尺度的湍流

有不断的耗散

变成小尺度

跟燃烧火焰

相互作用

那么大尺度的话

可能会改变整个大型的

燃烧的结构

比如我们看到的这种火焰现象

比如火焰一个大卷

或者是整个冒出来

这种现象实际上是大尺度涡

跟火焰的相互作用

但实际上的话的

你再去更细看它

里边的结构的时候

很多小火焰和小涡

也会产生相互的作用

而实际上是

真正加快

燃烧速度的一个非常重要的现象

所以我们需要怎么样

去研究不同的尺度的湍流

不同的涡

跟燃烧的相互作用

难度你可以想象有多大

这是一个动画

是专门通过就是

所谓的大涡模拟模拟出来的

你看中间这一条是火焰面

火焰面前面是一个燃烧

你可以看出来怎么样

通过火焰面以后怎么样

湍流会发生变化

那么整个火焰面怎么样

我们正常如果一个燃烧

火焰面应该是平的

可是你看出来怎么样

这火焰面发生褶皱

不断的在变化

而且湍流涡的话

经过火焰面以后怎么样

你会发生耗散

就涡怎么样

减弱了

说明它怎么样

湍流会作用于火焰

火焰也会作用于湍流

它所以是一个

非常复杂的相互作用