燃燒學(xué)第5章：液體燃料燃燒

1、1 第五章第五章 液體燃料燃燒液體燃料燃燒 5.1 液體燃料的特性 5.2 液體燃料的霧化 5.3 液滴的蒸發(fā) 5.4 液滴燃燒 第二節(jié)液體燃料的霧化 一、霧化過程及機(jī)理 1、霧化過程：液體燃料碎裂成細(xì)、小液滴群的過程。 2、影響因素：（1）流體的湍流擴(kuò)散 （2）液滴穿越氣體介質(zhì)時所受到的空氣阻力 3、重要參數(shù)：（1）液體燃料射流與周圍氣體間的相對速度 （2）霧化噴嘴前后的壓力差 液 體 液體 柱 或 液膜 液體 碎片 或 細(xì)絲 球形 液滴 進(jìn)一 步 碎裂 4、四個階段： 圖5-3液滴的分裂過程 5、液滴分離的基本原理 液體表面不斷增大，直到它變得不穩(wěn)定并破碎。 液滴從液體產(chǎn)生的過程，依賴于液

2、體在霧化噴嘴中 的流動性質(zhì)（即是層流還是湍流）、給液體加入能 量的途徑、液體的物理性質(zhì)以及周圍氣體的性質(zhì)。 4 5、控制霧化的量綱一的數(shù)韋伯（Weber）數(shù) 22 lg1lg 1 ()() gg g vvd vv We d 作用于液滴表面的外力 液滴內(nèi)力 液滴的變形和碎裂的程度取決于作用在液滴上的力和形成 液滴的液體表面張力之間的比值。 3 g 氣體密度（kg/m ） lg svv 、液體、氣體速度（m/ ） 液體表面張力（N/m） l d 液滴的直徑（m） 上式表明，燃燒室中的壓力增高、相對速度增加以及液體的 表面張力系數(shù)減小，均對霧化過程有利。 5 （1）提高液體燃料的噴射壓力，壓力越高，

3、霧化得越細(xì) 6、 強(qiáng)化液體燃料霧化的方法 （2）降低液體燃料的粘度與表面張力，如提高燃油的溫 度可降低燃油的粘度與其表面張力 （3）提高液滴對空氣的相對速度。而且增強(qiáng)液體本身的 湍流擾動也可提高霧化效果 22 lg1lg 1 ()() gg g vvd vv We d 作用于液滴表面的外力 液滴內(nèi)力 二、霧化方式和噴嘴二、霧化方式和噴嘴 按照油的霧化機(jī)理，工程上油的霧化方式分為：壓力式、旋按照油的霧化機(jī)理，工程上油的霧化方式分為：壓力式、旋 轉(zhuǎn)式和氣動式等。前兩種又稱為機(jī)械式霧化。如下圖所示。轉(zhuǎn)式和氣動式等。前兩種又稱為機(jī)械式霧化。如下圖所示。 1 1、壓力式霧化噴嘴、壓力式霧化噴嘴 壓力式霧

4、化噴嘴又稱為離心式機(jī)械霧化器。它可以用在航空壓力式霧化噴嘴又稱為離心式機(jī)械霧化器。它可以用在航空 噴氣發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)以及鍋爐和工業(yè)窯爐噴氣發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)以及鍋爐和工業(yè)窯爐上。上。 工作原理：液體燃料在一定壓力差作用下沿切向孔（或槽） 進(jìn)入噴嘴旋流室，在其中產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)獲得轉(zhuǎn)動量，這個轉(zhuǎn) 動量可以保持到噴嘴出口。當(dāng)燃油流出孔口時，壁面約束突 然消失，于是在離心力作用下射流迅速擴(kuò)展，從而霧化成許 多小液滴。 2 2、旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴、旋轉(zhuǎn)式霧化噴嘴 壓力油流通過空心軸進(jìn)入噴嘴頭部高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)，其轉(zhuǎn)壓力油流通過空心軸進(jìn)入噴嘴頭部高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯內(nèi)，其轉(zhuǎn) 速約為速約為3000600

5、0rpm30006000rpm，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使油流從轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使油流從轉(zhuǎn) 杯內(nèi)壁向出口四周的切線方向甩出，因速度較高使油膜被空杯內(nèi)壁向出口四周的切線方向甩出，因速度較高使油膜被空 氣霧化成細(xì)滴。旋轉(zhuǎn)杯式噴嘴的結(jié)構(gòu)示于圖氣霧化成細(xì)滴。旋轉(zhuǎn)杯式噴嘴的結(jié)構(gòu)示于圖6-56-5所所示。示。 圖5-6中間回油式機(jī)械噴嘴 1二次風(fēng)嘴2一次風(fēng)嘴3轉(zhuǎn)杯4風(fēng)機(jī) 5轉(zhuǎn)軸6進(jìn)油管7進(jìn)油體8電動機(jī) 3 3、氣動式霧化噴嘴、氣動式霧化噴嘴 氣動式霧化噴嘴又稱介質(zhì)式霧化噴嘴。它利用壓縮空氣或高氣動式霧化噴嘴又稱介質(zhì)式霧化噴嘴。它利用壓縮空氣或高 壓蒸汽為霧化介質(zhì)，將其壓力轉(zhuǎn)化為高速氣流，使液體噴散

6、壓蒸汽為霧化介質(zhì)，將其壓力轉(zhuǎn)化為高速氣流，使液體噴散 成霧狀氣流。成霧狀氣流。 采用蒸汽為介質(zhì)的霧化噴嘴又分為純蒸汽霧化和蒸汽采用蒸汽為介質(zhì)的霧化噴嘴又分為純蒸汽霧化和蒸汽機(jī)械機(jī)械 （壓力）綜合霧化兩類噴嘴。（壓力）綜合霧化兩類噴嘴。 三三、液體燃料霧化性能、液體燃料霧化性能 一般可用一些特性參數(shù)來表征噴嘴的霧化性能。一般可用一些特性參數(shù)來表征噴嘴的霧化性能。即霧化角、即霧化角、 霧化液滴細(xì)度霧化液滴細(xì)度、霧化均勻度、噴霧射程和流量密度分布等。霧化均勻度、噴霧射程和流量密度分布等。 1 1、霧化角霧化角 噴嘴出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角，也稱噴嘴出口到噴霧炬外包絡(luò)線的兩條切線之間的

7、夾角，也稱 為噴霧錐角。為噴霧錐角。 圖5-9霧化角示意圖 噴嘴噴嘴出口處的燃料細(xì)油滴組成出口處的燃料細(xì)油滴組成霧化錐，霧化錐， 噴出噴出的霧化氣流不斷卷吸爐內(nèi)高溫氣體并的霧化氣流不斷卷吸爐內(nèi)高溫氣體并 形成擴(kuò)展的氣流邊界。形成擴(kuò)展的氣流邊界。 條件條件霧化角。以噴霧化角。以噴口為口為圓心，圓心，距離距離r為為半徑半徑（大流量噴嘴（大流量噴嘴r取取 100150mm；小流量噴嘴；小流量噴嘴r取取4080mm ）作弧，與邊界線得作弧，與邊界線得 兩交點，連接噴口中心與兩邊界線交點的連線，這兩連線間兩交點，連接噴口中心與兩邊界線交點的連線，這兩連線間 的夾角稱為條件霧化角的夾角稱為條件霧化角，可用

8、，可用 表示。表示。 2 2、霧化液滴細(xì)度：表示噴霧炬液滴粗細(xì)程度。、霧化液滴細(xì)度：表示噴霧炬液滴粗細(xì)程度。 由于霧化后的液滴大小是不均勻的，因此只能用液滴由于霧化后的液滴大小是不均勻的，因此只能用液滴 的平均直徑來表示液滴的細(xì)度。的平均直徑來表示液滴的細(xì)度。 （1）索太爾索太爾平均直徑平均直徑（SMD） 3 li SMD 2 li i i N d d N d 33 SMDli 66 i N VdN d 22 SMDlii AN dN d （2）質(zhì)量中間直徑（）質(zhì)量中間直徑（MMD） llmllm dddd MM 大于或等于這一直徑的所有液滴的總質(zhì)量與小于或等于 這一直徑的所有液滴的總質(zhì)量相等

9、。 3、霧化均勻度：燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。、霧化均勻度：燃料霧化后液滴顆粒尺寸的均勻程度。 用均勻性指數(shù)用均勻性指數(shù)n來衡量來衡量 1 100exp() n Rbd li lm 100exp () n d R d 均勻性指數(shù)n可從羅辛拉姆勒（Rosin-Rammler） 分布函數(shù)中求得 R：液滴群中，顆粒直徑大于dli的質(zhì)量分?jǐn)?shù) n：均勻系數(shù)，一般數(shù)值24。 愈大，均勻性好 ：特征尺度（相當(dāng)于 時油滴直徑） ml d 36.8%R dli：與R相應(yīng)的液滴直徑 霧化均勻度較差，則大液滴數(shù)目較多，這對燃燒是不 利的。但是，過分均勻也是不相宜的，因為這會使大 部分液滴直徑集中在某一區(qū)域，

10、使燃燒穩(wěn)定性和可調(diào) 節(jié)性變差。最有利的霧化分布應(yīng)根據(jù)燃燒設(shè)備類型、 構(gòu)造和氣流情況等具體條件而定。 4. 噴霧射程 噴霧射程指水平方向噴射時，噴霧液滴喪失動能時所 能到達(dá)的平面與噴口之間的距離。霧化角大和霧化很 細(xì)的噴霧炬，射程比較短；密集的噴霧炬，由于吸入 的空氣量較少，射程比較遠(yuǎn)。一般射程長的噴霧炬所 形成的火焰長度也長。 5. 流量密度分布 圖5-11燃料分布特性 a)、b)離心式機(jī)械霧化噴嘴c)直流式機(jī)械霧化噴嘴 單位時間內(nèi)，通過與燃料噴射方向相垂直的單位橫截面上燃單位時間內(nèi)，通過與燃料噴射方向相垂直的單位橫截面上燃 料液體質(zhì)量（或體積）沿半徑方向的分布規(guī)律。料液體質(zhì)量（或體積）沿半徑

11、方向的分布規(guī)律。 第三節(jié)液滴的蒸發(fā) 一、液滴蒸發(fā)時的斯蒂芬流 二、相對靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā) 三、強(qiáng)迫氣流中液滴的蒸發(fā) 四、液滴群的蒸發(fā) 一、液滴蒸發(fā)時的斯蒂芬流 1、蒸發(fā)過程液滴周圍成分分布 圖5-12液體周圍成分分布 wxg空氣中空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù) wlg空氣中燃料蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù) wxgs液滴表面的燃料蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù) wlgs液滴表面的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù) 第三節(jié)液滴的蒸發(fā) 2、斯蒂芬（斯蒂芬（Stefan）流）流 由于含量梯度的存在，使燃料蒸氣不斷地從表面向外擴(kuò)散； 相反地，空氣x則從外部環(huán)境不斷地向液滴表面擴(kuò)散。 在液滴表面，空氣力圖向液滴內(nèi)部擴(kuò)散，然而空氣既不能進(jìn)入 液滴內(nèi)部，也不在液滴表面凝結(jié)。 因

12、此，為平衡空氣的擴(kuò)散趨勢，必然會產(chǎn)生一個反向流動。 根據(jù)質(zhì)量平衡定理，在液滴表面這個反向流動的氣體質(zhì)量正好 與向液滴表面擴(kuò)散的空氣質(zhì)量相等。 這種氣體在液滴表面或任一對稱球面以某一速度vg離開的對流 流動被稱為斯蒂芬（Stefan）流。 xg gggxg 0 dw Dv w dr 假設(shè)液滴為規(guī)則球體，半徑為r1，由于斯蒂芬流引起的 燃料蒸汽向外對流，其數(shù)量為： 2 ml,0gsgs1lgs 4qvr w xg gggxg 0 dw Dv w dr 上式表明，在蒸發(fā)液滴外圍的任意對稱球面上，由斯蒂芬流 引起的空氣質(zhì)量遷移正好與分子擴(kuò)散引起的空氣質(zhì)量遷移相 抵消，因此空氣的總質(zhì)量遷移為0。實際上不

13、存在x組分的宏 觀流動，真的存在的流動是由于斯蒂芬流動引起燃料蒸氣向 外對流。 二、相對靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā) 1、在相對靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 圖5-13高溫下液滴蒸發(fā)的能量平衡圖 高溫氣流中液滴的蒸發(fā)高溫氣流中液滴的蒸發(fā) 蒸發(fā)模型假設(shè)蒸發(fā)模型假設(shè) (1) 液滴是球形的，由一高溫球面所包圍，相當(dāng)于 包圍燃燒油滴的狹窄燃燒區(qū)，見圖所示； (2) 蒸發(fā)是穩(wěn)定過程； (3) 蒸發(fā)率決定于液滴的加熱速率； (4) 蒸發(fā)率的大小能滿足液滴表面處蒸氣和液體處 于平衡的條件； (5) 通過傳熱和擴(kuò)散，液滴達(dá)到稍低于液體沸點的溫度； (6) 蒸發(fā)過程是等壓的； (7) 燃料蒸發(fā)和周圍介質(zhì)氣體滿足理想氣體定律

14、； (8) 導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而改變； (9) 不考慮輻射和對流熱損失； (10) 在液滴附近，燃料濃度和溫度隨離開液滴中心的距離作線性變化。 液滴表面的燃料蒸氣比流速率 1 lg22 ml,0g1gsglg 44 ss r r dw qr Drv w dr 液滴表面和火焰前鋒之間任意半徑球面的蒸氣比流速率 lg22 ml,0ggglg 22 gglg 22 gggxg 2 g glg gg g 44 =44 =44 =4 x qr Drv w rr d v w r w D dw d rv d w rv r v w r （5-15） 則式（5-15）可改寫為 xglg 1ww xg gggxg

15、0 dw Dv w dr lg2 ml,0gml,0lg 4 dw qr Dqw dr lg ml,0g 2 lg 4 1 dw dr qD rw 邊界條件邊界條件 1lglg lglg s rrww rww ， ， lg 1lg ml,0glg 1 ()4ln(1)| s w rw qDw r lg ml,0g 1lg 1 1 4ln 1 s w qD rw lg ml,01g lg 1 4ln 1 s w qrD w lglglg ml,01g lg 1 4ln 1 ss s www qrD w lglg ml,01g lg 4ln(1) 1 s s ww qrD w ml,01g 4ln

16、(1)qrDB lglg lg 1 s s ww B w lg ml,0g 1lg 1 1 4ln 1 s w qD rw 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 2、液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 23 1 ml,01ml,0lg11l 4 4()0 3 gpgp dTdT rqcTTqQrc drd bw1 0 dTdT dd 2 ml,01lg 4() gpg dT rqcTTQ dr ml,0 2 1lg 4() g pg dTq dr rcTTQ 邊界條件 1,bw g , rrTT rTT 導(dǎo)熱量蒸氣升溫需熱量 液滴蒸發(fā)需潛熱 液滴內(nèi)部溫度均勻T1所

17、需熱量 液滴達(dá)到平衡蒸發(fā)溫度后液滴達(dá)到平衡蒸發(fā)溫度后 1bw ml,0 1lg 1 ( )ln() 4 g Tg rpggT pg q cTTQ rc bw ml,01 lg () 4ln1 gpgg pg cTT qr cQ 1 pg g g c LeD 若液滴周圍氣體混合物若液滴周圍氣體混合物 g g pg D c bw ml,01 lg () 4ln1 pgg g cTT qrD Q ml,01 4ln(1) gT qrDB bw lg () pgg T cTT B Q （5-24） ml,0 2 1lg 4() g pg dTq dr rcTTQ lglgbw lglg () 1 sp

18、gg s wwcTT wQ T BB 對比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1， 應(yīng)有 ml,01g 4ln(1)qrDB lglg lg 1 s s ww B w （5-18） ml,01 4ln(1) gT qrDB bw lg () pgg T cTT B Q （5-24） 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中

19、液滴的蒸發(fā)速率 bw lg () pgg T cTT B Q 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 （5-24） bw lg () pgg T cTT B Q 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 ml,01 4ln(1) gT qrDB （5-24） bw lg () pgg T cTT B Q 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度

20、后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 （5-18） ml,01 4ln(1) gT qrDB （5-24） bw lg () pgg T cTT B Q 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 對比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1， 應(yīng)有 （5-18） ml,01 4ln(1) gT qrDB （5-24） bw lg () pgg T cTT B Q

21、相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 T BB 對比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1， 應(yīng)有 （5-18） ml,01 4ln(1) gT qrDB （5-24） bw lg () pgg T cTT B Q 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 lglgbw lglg () 1 spgg s wwcTT wQ

22、T BB 對比式（5-24）和式（5-18）可知，當(dāng)平衡蒸發(fā)，且Le=1， 應(yīng)有 （5-18） ml,01 4ln(1) gT qrDB （5-24） bw lg () pgg T cTT B Q 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴已達(dá)蒸發(fā)平衡溫度后的蒸發(fā)速率 lglg lg 1 s s ww B w ml,01g 4ln(1)qrDB 相對靜止的高溫環(huán)境中液滴的蒸發(fā)速率 ml,01 4ln(1) gT qrDB 3、蒸發(fā)時間液滴完全蒸發(fā)所需時間 對于半徑為r1的液滴 2 1 ml,011 4 dr qr d 2 1 111 4ln(1)4 gT dr rDBr d 11 1 ln(1) gT r dd

23、r DB 11 1 ln(1) pg gT c r ddr B 邊界條件 11,0 11 0, , rr rr g g pg D c 1 pg g g c LeD 積分 2222 11,011,01 1,0 () 2ln(1) pg gT crrdd BK ,0 1,0 11,01 8ln(1)4 gTml pg Bq K cd 2 1,0 0 1,0 d K 11 1 ln(1) pg gT c r ddr B 11,0 11 0, , rr rr ml,01 4ln(1) gT qrDB 在相對靜止氣氛中液滴完全蒸發(fā)時間 第四節(jié) 液滴燃燒 液滴的燃燒模型 單個液滴的燃燒模型，假設(shè)： 液滴為均勻?qū)ΨQ球體； 液滴隨風(fēng)飄動，與空氣間無相 對運(yùn)動； 燃燒極快，火焰面薄； 火焰溫度較高，向內(nèi)向外同時 傳熱，液滴表面溫度接近飽和 溫度，燃燒溫度等于理論燃燒 溫度； 忽略對流與輻射換熱； 忽略液滴周圍的溫度場不均勻 對熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)的影響； 忽略斯蒂芬流。 r1 r0 C0 Tr T0 r dr 液滴燃燒模型 推導(dǎo)液滴燃燒時間和液滴尺寸的關(guān)系 對于液滴表面與火焰鋒面之間半徑為r的球面，由熱量平衡可知： 將上式改寫，自液滴表