擴(kuò)散火焰與液體燃料的燃燒

1、燃燒理論基礎(chǔ)課件第五章 擴(kuò)散火焰與液體燃料的燃燒汽車與交通工程學(xué)院王維強(qiáng)主要內(nèi)容 各種火焰類型的回顧 擴(kuò)散火焰與預(yù)混合火焰的區(qū)別 (以柴油機(jī)為例)擴(kuò)散燃燒過程的幾個(gè)階段 液體燃料的噴霧特性 單個(gè)油滴的蒸發(fā)與燃燒各種火焰類型的回顧 四種分類方法 可燃混合氣的制備：預(yù)混合火焰、擴(kuò)散火焰 燃燒過程中火焰的相對(duì)位置：定置火焰、行進(jìn)火焰 混合氣的流動(dòng)狀態(tài)：層流燃燒、湍流燃燒 著火方式：點(diǎn)燃、壓燃5.1 擴(kuò)散火焰與預(yù)混合火焰的區(qū)別 混合氣形成方式不同 燃燒速度的決定因素不同 預(yù)混合燃燒受控于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及傳熱與擴(kuò)散 擴(kuò)散火焰中混合與燃燒同時(shí)進(jìn)行，燃燒受控于燃料與氧 化劑的擴(kuò)散液體燃料燃燒的一般特征 液體

2、燃料燃燒的著火溫度遠(yuǎn)高于它的沸點(diǎn)溫度（如汽油，干點(diǎn)溫度200C，著火溫度780K）。 燃料的活化能遠(yuǎn)大于氣化熱(如汽油，1281335 kJ/kg) 因此，液體燃料總是先蒸發(fā)后著火的，即燃燒總是在氣態(tài)下進(jìn)行的。 汽油機(jī)為準(zhǔn)預(yù)混合的燃燒。柴油機(jī)以擴(kuò)散燃燒為主。 提高擴(kuò)散速度是提高擴(kuò)散火焰燃燒的關(guān)鍵。工程上采用壓力噴射法。如柴油機(jī)，為200MPa，實(shí)現(xiàn)細(xì)化。柴油機(jī)擴(kuò)散燃燒過程的幾個(gè)階段滯燃期I：混合、焰前反應(yīng)急燃期II：多點(diǎn)著火燃燒緩燃期III：擴(kuò)散速度控制后燃期IV：殘余混合氣燃燒，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能不利5.2 液體燃料的噴霧特性 全國有噴霧學(xué)會(huì)(醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、鍋爐、內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、消防氣象、降塵、化妝

3、品、熱處理等)。 如1ml的燃油，表面積為245mm2。若霧化成40m油滴，油滴總數(shù)為2.99107個(gè)，其表面積為1.5106 mm2。表面積增大5090倍。 有了足夠大的表面積有利于導(dǎo)熱（吸熱），擴(kuò)散。（肉絲與肉塊為例） 表征噴霧特征的三個(gè)參數(shù)：噴霧粒度、貫穿距離及噴霧錐角（一） 噴霧粒度 噴霧粒度：表示燃料噴散霧化的程度，一般指噴散的細(xì)度和噴散的均勻度。如何求得噴霧中的油粒平均直徑。 采用激光全息、CT技術(shù)加計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)。 表征粒度的方法：算術(shù)平均法、質(zhì)量平均法、體積平均法、表面積平均法等，用的最多的是SMD（索特平均直徑） 方法。 SMD方法的定義：按SMD計(jì)的全部油滴的體積與

4、表面積之比與實(shí)際噴霧的V/A相等 單個(gè)油滴：V1/A1d/6 V1N/A1NV/A3121.66kiiikiiidnVS M DAdn3121.kiiikiiidnS MDdnni為直徑為di被測量的油粒數(shù)量；k為直徑分檔數(shù)；N為被測油滴總數(shù)。 影響柴油噴霧粒度的因素： 噴油壓力、背壓、油泵轉(zhuǎn)速、噴油量、燃料性質(zhì)、噴孔面積、噴孔粗糙度等 在一定的背壓下，噴油泵轉(zhuǎn)速提高，噴油壓力增大，燃油從噴油器的出口速度增加，就能減小油滴的直徑； 背壓提高，則噴油速度降低且噴霧貫穿距離減小，會(huì)使液滴出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，油滴直徑增大； 增加噴油量，噴霧液滴產(chǎn)生團(tuán)聚的可能性增大，從而也增大了液滴的直徑。 SMD可以用經(jīng)

5、驗(yàn)公式表示 A為常數(shù)，對(duì)孔形噴嘴A=2.3310-3，節(jié)流軸針噴嘴A=2.1810-3，軸針噴嘴A=2.4510-3；p為噴孔前后平均壓差(MPa)；B為循環(huán)噴油量(mm3/循環(huán))； 為周圍介質(zhì)密度(kg/m3)。.,aBS M DfPm0.1350.1210.131.()aS M DApBa 表征油滴粒度的方法： 油滴粒度分布曲線 油滴質(zhì)量分布曲線 粒子數(shù)累積分布曲線 質(zhì)量累積分布曲線 直徑從x到x+dx之間的油滴數(shù)稱作dn，其質(zhì)量為dm 一次噴射中的(或作一次測量的)油滴的總數(shù)和總質(zhì)量分別為NT、MT （二） 噴霧貫穿距離 貫穿距離的大小(即貫穿度)對(duì)燃料在燃燒室中的分布影響很大。 貫穿距

6、離不能太大，也不能太小。 貫穿度太大，有較多的燃油噴到燃燒室壁上；反之，貫穿太小，燃料不能很好地分布到燃燒室空間，使燃燒室空氣得不到充分利用。 貫穿度必須根據(jù)混合氣形成方式的不同要求與燃燒室相互配合。 貫穿度是噴霧燃燒品質(zhì)的重要控制參數(shù)。 噴霧方式有兩種：無渦流的自由噴射、有渦流的受限噴射。 無渦流的自由噴霧貫穿距離具體的推導(dǎo)： 根據(jù)動(dòng)量守恒：燃料入口的動(dòng)量等于出口處燃料與空氣的動(dòng)量和，很容易建立入口半徑與出口半徑之間的關(guān)系。 無量剛化：同時(shí)除以燃料的入口質(zhì)量，并對(duì)密度、半徑、速度無量綱化，由于u=dx/dt，可以得到貫穿距離x與時(shí)間t之間的關(guān)系為： xt0.5 （三） 噴霧錐角 噴霧形成的油

7、束一般是各種大小不同的油滴組成的圓錐體，該圓錐體組成的夾角即噴霧錐角。5.3 單個(gè)油滴的蒸發(fā)與燃燒 研究單個(gè)油滴蒸發(fā)與燃燒的原因：噴霧燃燒涉及到很多油滴同時(shí)發(fā)生熱量、質(zhì)量、動(dòng)量交換以及化學(xué)變化，過程太復(fù)雜，而單個(gè)油滴則是其基礎(chǔ)，如果知道單個(gè)油滴的噴霧與燃燒，同時(shí)知道噴霧中油滴群的尺寸、個(gè)數(shù)、速度的時(shí)空分布，則噴霧與燃燒過程很容易得到解析解。 單個(gè)油滴蒸發(fā)與燃燒的理想化：理想的擴(kuò)散燃燒過程，以無限薄的燃燒火焰面為界面，將燃料與氧化劑分開。 假設(shè)單個(gè)油滴的蒸發(fā)面為壁面，外界熱空氣中沒有燃料，燃料中無空氣：很明顯，燃料的蒸發(fā)與燃料的類別、介質(zhì)溫度與成分、油滴的初始尺寸有關(guān)。 穩(wěn)定蒸發(fā)時(shí)，液相內(nèi)溫度與

8、組分分布一定：TR為常數(shù)，液相源區(qū) YFR=1 氣相區(qū)無窮遠(yuǎn)處燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù) YF=0 為求解蒸發(fā)速度，必須知道液相及氣相的溫度與組分分布 求解原理：組分守恒 能量守恒設(shè)T為溫度，Yi為第i個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下標(biāo)、W、R分別代表周圍介質(zhì)、油滴表面蒸發(fā)處、油滴內(nèi)部。 相界面氣相液相TRTYFR5.3.1 單個(gè)油滴蒸發(fā)過程的解析分析 單個(gè)油滴的蒸發(fā)過程為Stefen流問題（條件：存在擴(kuò)散過程及物理化學(xué)過程） 溫差（T TW）引起熱傳遞（溫度較低的液體進(jìn)入溫度較高的空氣） 濃度差（YFR-YF）引起質(zhì)量擴(kuò)散，燃料蒸氣向介質(zhì)擴(kuò)散 假設(shè)油滴為對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)球體，可以得到穩(wěn)定、 定物性的能量方程及組分方程上述

9、兩個(gè)方程、三個(gè)未知數(shù)，需要補(bǔ)充方程求解。求解思路：首先找出傳質(zhì)速度W/ 的表達(dá)式。求解傳質(zhì)數(shù)的思路是：液體燃料流出的總熱量與導(dǎo)入表面的熱通量相等。 以下是傳質(zhì)速度的求解過程：定義無因次濃度FFDFwFRYYbYY gWD DFdbdr（4） ,FWf YTT 這說明WW（傳質(zhì)率）與溫度梯度和組分梯度有關(guān)。 耦合能量與組分方程，將(1)(2)改寫 成統(tǒng)一形式：（5） （6） B.C：當(dāng)r R時(shí)wTTFFwYY()PSTTwCTTbbQFFDDwFwFRYYbbYYwgWD 0)(22 drdbRWdrdbrdrdTWwTgg0)(22 drdbRWdrdbrdrdDDWwDFg 當(dāng)r 時(shí)TT0F

10、FYY0TTbb0Dbb從邊界條件分析，若 ，則兩方程變得同義。熱邊界層厚度與傳質(zhì)邊界層厚度相等。 eL g/ DF122()0ggddbdbrW RdrdrdrL（7） TDbbb 作一次積分 221ggdbrW RbCdrL（*） 將式（3）代入，初值條件壁面1C g2(/gwR WLg2)gwwW RbL式（*）為： 22(1)0wggwdbrW RbbdrL 積分，并用r 時(shí)的B.C條件2111wwwggbbW RnbbrL（*） b=0, 但b - bw 稱傳質(zhì)數(shù)，在形式上仍保留（令B= b - bw= - bw ）。 當(dāng)r w 時(shí)， b= bw 。 （*） 1ggwWn BRLwR

11、WwTWFwYW 從式（*）、（*）消除 得 B 值不同時(shí)， 與 是線性關(guān)系。wW(1)(1)(1)RrwbbB(1)wn bb(1)Rr()()WFFwDFwFRYYTBYTY()()WPgwTPlwRCTTBCTTL 當(dāng)Le=1時(shí) BT=BD ，熱邊界層厚度與傳質(zhì)邊界層厚度一樣，且濃度分布與溫度分布規(guī)律相一致?？捎米鲌D法求解Tw，見右下圖的環(huán)境溫度對(duì)壁面條件影響關(guān)系圖。 當(dāng)Lcpl(TW-TR)時(shí)，BT(TW)為TW的線性函數(shù)，斜率為負(fù)，當(dāng) TW=T 時(shí)，直線與橫坐標(biāo)交于TW=T ?？赡苡袃煞N情況: 當(dāng)TW 0時(shí)，YFW=0,BD=-YF /YFR, 當(dāng)TW TB時(shí)，YFW= YFR, B

12、D=,是以 TB為目標(biāo)的漸近線：TW 不可能高于沸點(diǎn)TB ，只能接近于TB: TW TB 。 兩種極端情況： （1）TTB時(shí), TW不可能比沸點(diǎn)TB高，只可能略低于沸點(diǎn)，可求得B； （2） TTB時(shí),交點(diǎn)與B=0接近，可以認(rèn)為壁面處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)YF與T時(shí)的飽和蒸汽壓力對(duì)應(yīng)，可以求得B。 ()()pgBTplBRcTTBBLcTTFRppFDYTYTYYBB)()( 結(jié)論： 1正在蒸發(fā)液滴表面溫度總是低于其沸點(diǎn)溫度 TWTB，故 YFWYFR ；當(dāng)TTB 時(shí)，則TWTB 。且YFW YFR 。 2BT(TW)值為負(fù)值相當(dāng)于凝結(jié)現(xiàn)象。 2油滴壽命 設(shè)時(shí)刻 t，直徑為d 的油滴，經(jīng)過 t 時(shí)間，共直徑

13、減少了 d， 體積減少了d2 d/2 重量減少了ld2 d/2 ，減少速率為ld2 d/ t/2 。 即重量減少速率與從油滴表面蒸發(fā)出的燃料速率相等，為 。2wWd 222(1)2( )2gglwddWdn BddtL4(1)ggldn BtdL 積分： 2208(1)gglddn BtL令 8(1)ggVln BL 220Vddt蒸發(fā)常數(shù)當(dāng) 時(shí)， 0d 22008(1)lVVggddtn BLVdtlVt可用壁面處，氣液相處于平衡狀態(tài)，即兩相LgVt的化學(xué)勢、溫度、壓力相等，故有VTt21WCTFPC e， AFPPPFVYt1()1(1)FwFwAFFYYTMPPMwVTtAMFM、 空氣

14、、燃料的分子量。 (二) 燃燒狀態(tài)要考慮化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)物的能耗、產(chǎn)物的生成，但 （物質(zhì)不滅定律）。近似認(rèn)為 DF=DO=DP（擴(kuò)散系數(shù)相等）。0W1設(shè)燃燒按化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行（即燃空比） 對(duì)于簡單反應(yīng)，燃料與氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 在生成產(chǎn)物的同時(shí)產(chǎn)生熱量。 fst(kg) 燃料 1(kg) 氧化劑 （1 fst ）(kg 產(chǎn)物 ) fstH（kJ 熱量 ） （*）2能量方程222()()gPgddTdrCW rTrqdrdrdr（1） 3組分方程 F： D （2） O： D （3） P： D （4）34V =3r334V()3drdrr322334(33)3rr drrdrdrr24 r drg2

15、22()()0FFFFdYddrW rYr Wdrdrdrg222()()0OOOOdYddrW rYr Wdrdrdrg222()()0PPPPdYddrW rYr Wdrdrdr 由式（*）可得到 考慮燃料、氧化劑、產(chǎn)物與能量間的關(guān)系，有 （：W/m/K CP:kJ/kg/K ：m2/s D：m2/s）（a） 1FPOstststWWqWfff 0FqW0stOqf W（b） ()01stPstf Wqf （c） 0FstWf W（d） 比較有燃燒與純蒸發(fā)的式（1） 式（4）多了最后一項(xiàng) 根據(jù)式（a）的關(guān)系，式（2） 式（1），若令g/ DF=1， ，則有 2r q2Fr W2Or W2P

16、r WeL LggPggC L22()()0PgFPFggd C TYd C TYdrW RdrdrdrL（5） 力求有燃燒與純蒸發(fā)的有一“標(biāo)準(zhǔn)形式”。()PgggCTTdWdrQ LgWD ()FFgFwFRYYddr YY 將式（5）同除以 ()FwFRQYY 定義保守變量 ()()()PgFFFTFwFRCTTYYbQYY22()0FTFTggdbdbdrW RdrdrdrL（ ） 2+=1 3）溫度分布 火焰殼內(nèi)（Rrrr）特征，無燃料，YF=0。用bFT(r)保守變量，有 求出 T=f（r)，即 符合化學(xué)熱力學(xué)能量守恒定律。 燃料的熱量空氣由T加熱到TC的熱量燃料氣由TC-T的熱量液

17、相變氣相的汽化熱。211()1wggW RBnbbrL(1)()(1)1RrPgwCTTQB(1)()()(1)1RrPgwFwFRFwCTTQYYBY()()stOstOPgCPgCwstOFRFRf Yf YCTTCTTQf YYY 4）燃料和氧的濃度分布 火焰殼內(nèi)（ Rr r r ）,YF=0 。2( )() 1 exp()/FFRstOwggstOYrYf YW Rrf YL20( )exp()/()1FRstOggOstYf Yr rW RrYfL 5）油滴燃燒時(shí)間的確定 與純蒸發(fā)完全相似，假定燃燒是二維穩(wěn)定的。 b為一燃燒常數(shù)，見表5-4 燃燒時(shí)間 220bddt8(1)ggbln