燃燒學擴散燃燒及火焰

1、燃燒學擴散燃燒及火焰 擴散燃燒火焰類型擴散燃燒火焰類型 氣體擴散燃燒火焰氣體擴散燃燒火焰 液體燃料的噴射燃燒火焰液體燃料的噴射燃燒火焰 基本概念基本概念 擴散火焰高度擴散火焰高度 燃料霧化的噴射特性燃料霧化的噴射特性 單液滴燃燒單液滴燃燒 油霧燃燒油霧燃燒 燃料液滴在壁上的蒸發(fā)和燃燒燃料液滴在壁上的蒸發(fā)和燃燒 燃料膜的蒸發(fā)燃燒燃料膜的蒸發(fā)燃燒 （diffusion combustion） 燃燒學擴散燃燒及火焰 擴散燃燒概念，擴散火焰類型，氣體擴散燃燒特點，擴散燃燒概念，擴散火焰類型，氣體擴散燃燒特點， 擴散火焰高度，噴霧燃燒，單液滴燃燒模型擴散火焰高度，噴霧燃燒，單液滴燃燒模型 噴霧燃燒原理，

2、氣體擴散燃燒特點噴霧燃燒原理，氣體擴散燃燒特點 單液滴燃燒模型的建立與求解單液滴燃燒模型的建立與求解 噴霧燃燒觀察與分析噴霧燃燒觀察與分析 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過程是邊混燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過程是邊混 合邊燃燒。也即燃燒時燃料與空氣尚未混合，而是合邊燃燒。也即燃燒時燃料與空氣尚未混合，而是 ，燃燒所用的氧氣全靠外界擴散獲得，稱，燃燒所用的氧氣全靠外界擴散獲得，稱 為擴散控制燃燒，為擴散控制燃燒，其火焰稱為，其火焰稱為。 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒過程燃燒過程 （ ） （ ） ：控制燃燒速率的：控制燃燒速率的 是混合過程的快慢。是混合過程的快慢。 （

3、更為常見）（更為常見） 燃燒學擴散燃燒及火焰 氣體擴散燃燒氣體擴散燃燒 擴散燃燒擴散燃燒 液體噴霧燃燒液體噴霧燃燒 層流擴散燃燒層流擴散燃燒 （分子擴散）（分子擴散） 湍流噴霧燃燒湍流噴霧燃燒 （渦團擴散）（渦團擴散） 燃燒學擴散燃燒及火焰 層流射流擴散火焰層流射流擴散火焰 紊流射流擴散火焰紊流射流擴散火焰 ：不會發(fā)生回火現(xiàn)象：不會發(fā)生回火現(xiàn)象 ，穩(wěn)定性又，穩(wěn)定性又 好，在燃燒前又不必要把燃料好，在燃燒前又不必要把燃料 與氧化劑進行預先混合與氧化劑進行預先混合 ，操作，操作 方便方便 ，所以在工業(yè)上應用很廣。，所以在工業(yè)上應用很廣。 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒學擴散燃燒及

4、火焰 n 在具有理論燃燒劑量（在具有理論燃燒劑量（）的表面上）的表面上，形成燃燒，形成燃燒 表面。表面。 n 燃燒速度取決于燃料與氧化劑的擴散速度和活性中心的擴散速度。燃燒速度取決于燃料與氧化劑的擴散速度和活性中心的擴散速度。 燃燒學擴散燃燒及火焰 同心圓管內(nèi)的擴散火焰同心圓管內(nèi)的擴散火焰 空氣空氣 燃料燃料 空氣空氣 1-富氧火焰富氧火焰 2-貧氧火焰貧氧火焰 ：一個穩(wěn)定的火焰邊界只能是燃：一個穩(wěn)定的火焰邊界只能是燃 料和氧化劑按化學計量比混合的表面，在料和氧化劑按化學計量比混合的表面，在 火焰邊界上不能有過剩的空氣，也不能有火焰邊界上不能有過剩的空氣，也不能有 過剩的燃料，否則，火焰邊界的

5、位置便不過剩的燃料，否則，火焰邊界的位置便不 能穩(wěn)定。能穩(wěn)定。 燃燒學擴散燃燒及火焰 擴散火焰只有在燃料與氧化劑以化擴散火焰只有在燃料與氧化劑以化 學劑量比混合的表面上才是穩(wěn)定的。學劑量比混合的表面上才是穩(wěn)定的。 燃燒學擴散燃燒及火焰 火焰特征隨氣流噴射速度的變化火焰特征隨氣流噴射速度的變化 燃燒學擴散燃燒及火焰 火焰高度火焰高度 噴管尺寸（直徑噴管尺寸（直徑d） 流率（流率（u） 22 1 4/udduM d DLdM 1 2 d DLdud 1 2 D ud L 2 （5-2） 2 udL 燃燒學擴散燃燒及火焰 2 ud L udu l （5-4） d ud L 2 湍流火焰的高度與噴管直

6、徑成正比，而與湍流火焰的高度與噴管直徑成正比，而與 氣流速度、湍流渦團擴散系數(shù)無關，即氣流速度、湍流渦團擴散系數(shù)無關，即 。實驗結果證實了這一點。實驗結果證實了這一點。 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒燃燒氣態(tài)氣態(tài)蒸發(fā)蒸發(fā) 使燃料破碎成細小的液滴以擴大它與空氣使燃料破碎成細小的液滴以擴大它與空氣 接觸表面，同時還盡可能將液滴合理地分布在燃接觸表面，同時還盡可能將液滴合理地分布在燃 燒室空間內(nèi)，強化液體燃料的燃燒，滿足燃燒性燒室空間內(nèi)，強化液體燃料的燃燒，滿足燃燒性 能好的要求。能好的要求。 因此，液體燃料的噴射過程、噴霧特性對擴散燃燒因此，液體燃料的噴射過程、噴霧特性對擴散燃燒 性質及燃燒效率都有重

7、要影響性質及燃燒效率都有重要影響 。 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃料噴射到靜止空氣中的影像燃料噴射到靜止空氣中的影像 燃燒學擴散燃燒及火焰 噴油器噴油器 L B 燃燒學擴散燃燒及火焰 7 . 0 1 . 0 3 . 0 2 103 e f ac s R l d s (spray angle) 噴油嘴孔口處油束外包絡噴油嘴孔口處油束外包絡 線的兩條切線之間的夾角線的兩條切線之間的夾角 Sitkei給出的經(jīng)驗公式：給出的經(jīng)驗公式： ss 噴油器噴油器 L B 增大噴射壓差則流出增大噴射壓差則流出 噴孔燃油流速增大，使噴孔燃油流速增大，使Re 增加，造成增加，

8、造成 增大。增大。 增加噴孔直徑與噴孔增加噴孔直徑與噴孔 通道長度比也可增大通道長度比也可增大 。 s s 燃燒學擴散燃燒及火焰 0 2 1 / 2 1.5 0 2.4 1 aa ff u t L d t d 經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式： ： 1噴射壓差噴射壓差 ：u0 L 2噴孔直徑噴孔直徑d0 ：液滴直徑：液滴直徑dp L 3a、a ：空氣阻力：空氣阻力 L 4 f 、 f ：液滴直徑：液滴直徑 dp L 燃燒學擴散燃燒及火焰 r x 22 exp ffm CCh r 燃燒學擴散燃燒及火焰 軸線上：軸線上： 橫截面徑向上：橫截面徑向上： x C f 1 r 22 exprhCC fmf Cfm r

9、=0處軸線上的燃料濃度值處軸線上的燃料濃度值 h 常數(shù)，綜合反映具體噴射過程的各種因素的影響，通過常數(shù)，綜合反映具體噴射過程的各種因素的影響，通過 試驗來確定。試驗來確定。 ：在橫截面內(nèi)燃料濃度沿徑向分布服從正態(tài)分：在橫截面內(nèi)燃料濃度沿徑向分布服從正態(tài)分 布規(guī)律。在軸線上燃料濃度有最大值，隨軸線方向距離的增布規(guī)律。在軸線上燃料濃度有最大值，隨軸線方向距離的增 加濃度迅速減小，靠近噴孔燃料濃度變化大，離噴孔越遠的加濃度迅速減小，靠近噴孔燃料濃度變化大，離噴孔越遠的 橫截面內(nèi)燃料濃度變化越小，以至整個截面趨于均勻。橫截面內(nèi)燃料濃度變化越小，以至整個截面趨于均勻。 燃燒學擴散燃燒及火焰 0 / mi

10、i dn dn 31/3 0 / v mii dn dn 21/2 0 / s mii dn dn 3 2 i i s i i n d d n d 算術平均直徑算術平均直徑 體積平均直徑體積平均直徑 表面積平均直徑表面積平均直徑 （最為通用）最為通用） 0.25 0 70.513.31 f c s fc vg d dg ufd 燃燒學擴散燃燒及火焰 液滴直徑液滴直徑 液液 滴滴 數(shù)數(shù) 量量 液滴直徑液滴直徑 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒學擴散燃燒及火焰 燃燒學擴散燃燒及火焰 對于半徑為對于半徑為r 的球面，由熱量平衡可知：的球面，由熱量平衡可知： LTTCm dr dT r p 0 2 4 導熱

11、率 油的質量 蒸發(fā)率 油滴的氣化潛熱 油滴表面溫度 液滴直徑的無限小，兩邊對液滴直徑的無限小，兩邊對r求導數(shù)：求導數(shù)： dr dT Cm dr dT r dr d p 4 2 燃燒學擴散燃燒及火焰 dr dT r dr d dr dT Cm p 2 4 對球形火焰區(qū)積分對球形火焰區(qū)積分 ，即從，即從r0到到r（rr1），從），從T0到到T（TT1）：）： （5-19） 01 22 0 4 rrrr p dr dT r dr dT rTT Cm 01 22 0 4 rrrr p dr dT r dr dT rTT Cm 導熱熱量被用作蒸發(fā)熱，則：導熱熱量被用作蒸發(fā)熱，則： （5-20）Lm dr

12、 dT r rr 0 2 4 式式(5-20)代人式代人式(5-19)中，并在中，并在r0到到r（rr1），從），從T0到到T（TT1）間積分：）間積分： （5-20） 0 0 01 10 1ln 4 TT L C rr rr C m p p 燃燒學擴散燃燒及火焰 通過上式我們可求出對于給定直徑的油滴完全蒸發(fā)所需的時通過上式我們可求出對于給定直徑的油滴完全蒸發(fā)所需的時 間，這個時間稱為間，這個時間稱為，油滴蒸發(fā)時間對燃，油滴蒸發(fā)時間對燃 燒室設計來說是一個很重要的參數(shù)。燒室設計來說是一個很重要的參數(shù)。 對于半徑為對于半徑為r0的油滴，其質量：的油滴，其質量： （5-22） ff r m 3 4

13、 3 0 （5-23） 0 2 0 4drrdmdtm ff 對對r0微分：微分： 將式將式(5-21)代人：代人： （5-24） 0 0 00 1 2 0 1ln 1 TT L C drr r r C dt p fp 燃燒學擴散燃燒及火焰 r1r0，故，故 可以忽略：可以忽略： （5-25） 0 0 00 1lnTT L C drrC dt p fp 1 2 0 /rr 將上式自將上式自0到到t， r0到到r之間進行積分：之間進行積分： （5-26） 0 0 22 0 1ln2TT L C rrC t p fp （5-27） （5-28） fffffp p d m r m rr m rr r

14、rm C TT L C K 001010 01 01 0 1 42 ) 11 ( 22 1ln8 1 22 0 K dd t 蒸發(fā)常數(shù) 燃燒學擴散燃燒及火焰 油滴燃燒示意圖油滴燃燒示意圖 燃燒學擴散燃燒及火焰 油蒸發(fā)速度，也就是在單位時間蒸發(fā)的油汽量應該與氧從周圍向油蒸發(fā)速度，也就是在單位時間蒸發(fā)的油汽量應該與氧從周圍向 火焰面擴散的數(shù)量相等，或者說與氧的擴散速度有著如下的關系：火焰面擴散的數(shù)量相等，或者說與氧的擴散速度有著如下的關系： （5-30） m dr dC Dr O O 2 2 2 4 氧與燃油的化學當量比 從無窮遠處從無窮遠處(r=)與火焰面與火焰面(r=r1)之間積分：之間積分：

15、 1 2 2 22 0 4 r O C O r dr mdcD O ) 1 (4 1 2 2 2 0 r O C O r mddcD O 燃燒學擴散燃燒及火焰 11 04 1 22 r mCD OO （5-32） 22 4 1 OO CD m r （火焰鋒面的位置）（火焰鋒面的位置） 將式將式(5-32)代人式代人式(5-21)中并求解中并求解 ： （5-33） 22 01 0 0 1ln4 OOp p CD TT L C C r m m 直徑為直徑為2r的油滴在燃燒時，從油滴表面上蒸發(fā)的油汽量，也就是它的油滴在燃燒時，從油滴表面上蒸發(fā)的油汽量，也就是它 在單位時間內(nèi)在焰面中在單位時間內(nèi)在焰面

16、中。式中。式中T1為火焰面上的溫度，為火焰面上的溫度， 在所討論的條件下也就是理論燃燒溫度。在所討論的條件下也就是理論燃燒溫度。 燃燒學擴散燃燒及火焰 令：令：（5-34） 22 01 0 1ln 8 OOp pf CD TT L C C K （5-35） 4 dK m f （燃燒速度常數(shù)） 油滴在燃燒過程中其直徑不斷縮小，由此而減少的燃油重量等于油滴在燃燒過程中其直徑不斷縮小，由此而減少的燃油重量等于 其重量燃燒速度，即其重量燃燒速度，即 ： （5-36） dt dd d dt ddd d dt d d dt d dt dV dt dm m ff f ff 22 33 4 )( 2 3 6 )( 6 ) 6 ( 式式(5-35)和式和式(5-36) 聯(lián)立：聯(lián)立： （5-37）Ktdd 2 燃燒學擴散燃燒及火焰 從從0到到t，d0到到d的范圍內(nèi)積分上式，得經(jīng)過的范圍內(nèi)積分上式，得經(jīng)過t時間燃燒后所剩余的油時間燃燒后所剩余的油 滴顆粒大小：滴顆粒大?。?)0( 2 0 2 tKddKtdd 2 0 2 從初始直徑為從初始直徑為d0的油滴燃燒到直徑為的油滴燃燒到直徑為d 所需的燃燒時間：所需的燃燒時間： K dd t 22 0 油滴