燃燒學(xué)-5.擴(kuò)散燃燒及火焰

1、擴(kuò)散燃燒火焰類型擴(kuò)散燃燒火焰類型氣體擴(kuò)散燃燒火焰氣體擴(kuò)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(kuò)散火焰高度擴(kuò)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)燃燒第五章 擴(kuò)散燃燒及火焰（diffusion combustion） 擴(kuò)散燃燒概念，擴(kuò)散火焰類型，氣體擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)，擴(kuò)散燃燒概念，擴(kuò)散火焰類型，氣體擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)， 擴(kuò)散火焰高度，噴霧燃燒，單液滴燃燒模型擴(kuò)散火焰高度，噴霧燃燒，單液滴燃燒模型噴霧燃燒原理，氣體擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)噴霧燃燒原理，氣體擴(kuò)散燃燒特

2、點(diǎn)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n概念概念擴(kuò)散燃燒基本概念 燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過(guò)程是邊混燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過(guò)程是邊混合邊燃燒。也即燃燒時(shí)燃料與空氣尚未混合，而是合邊燃燒。也即燃燒時(shí)燃料與空氣尚未混合，而是，燃燒所用的氧氣全靠外界擴(kuò)散獲得，稱，燃燒所用的氧氣全靠外界擴(kuò)散獲得，稱為擴(kuò)散控制燃燒，為擴(kuò)散控制燃燒，其火焰稱為，其火焰稱為。n特征特征燃燒過(guò)程的進(jìn)展包括兩方面：燃燒氧化的化學(xué)動(dòng)力過(guò)程燃燒過(guò)程的進(jìn)展包括兩方面：燃燒氧化的化學(xué)動(dòng)力過(guò)程和燃料與氧化劑混合的過(guò)程。和燃料與氧化劑混合的過(guò)程。根據(jù)燃燒過(guò)程進(jìn)展條件的不

3、同：根據(jù)燃燒過(guò)程進(jìn)展條件的不同： 燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程 （ ） （ ）：控制燃燒速率：控制燃燒速率的的 是混合過(guò)程的快慢。是混合過(guò)程的快慢。（更為常見(jiàn)）（更為常見(jiàn)）n分類分類氣體擴(kuò)散燃燒氣體擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒液體噴霧燃燒液體噴霧燃燒層流擴(kuò)散燃燒層流擴(kuò)散燃燒（分子擴(kuò)散）（分子擴(kuò)散）湍流噴霧燃燒湍流噴霧燃燒（渦團(tuán)擴(kuò)散）（渦團(tuán)擴(kuò)散）5.1擴(kuò)散燃燒火焰的類型按照燃料與空氣分別供入的方式，擴(kuò)散火焰可以有：按照燃料與空氣分別供入的方式，擴(kuò)散火焰可以有： a a）自由射流火焰自由射流火焰 (free jet flame)(free jet flame) b b）同軸流擴(kuò)散火焰（受限射流擴(kuò)散火焰）同軸流擴(kuò)散

4、火焰（受限射流擴(kuò)散火焰） (concentric jet flame) c c）逆向噴流擴(kuò)散火焰）逆向噴流擴(kuò)散火焰 (counter-flow diffusion flame)層流射流擴(kuò)散火焰層流射流擴(kuò)散火焰紊流射流擴(kuò)散火焰紊流射流擴(kuò)散火焰：不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象：不會(huì)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(jìn)行預(yù)先混合與氧化劑進(jìn)行預(yù)先混合 ，操作，操作 方便方便 ，所以在工業(yè)上應(yīng)用很廣。，所以在工業(yè)上應(yīng)用很廣。 5.2 氣體擴(kuò)散燃燒火焰一、基本概念 擴(kuò)散火焰分布在寬度很小的區(qū)域中，在這一區(qū)域中，擴(kuò)散火焰分布在寬度很小的區(qū)域中，在這一區(qū)域中，

5、它們最初是分開(kāi)的。，它們最初是分開(kāi)的。 已燃?xì)怏w從一個(gè)燃燒區(qū)散布到另已燃?xì)怏w從一個(gè)燃燒區(qū)散布到另個(gè)燃燒區(qū)，因而個(gè)燃燒區(qū)，因而，以便在點(diǎn)燃后相互接，以便在點(diǎn)燃后相互接觸。觸。n著火前燃料氣和空氣分子的擴(kuò)散過(guò)程著火前燃料氣和空氣分子的擴(kuò)散過(guò)程n著火后燃料氣與空氣向燃燒產(chǎn)物中的分子擴(kuò)散著火后燃料氣與空氣向燃燒產(chǎn)物中的分子擴(kuò)散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(kuò)散速度和活性中心的擴(kuò)散速度。燃燒速度取決于燃料與氧化劑的擴(kuò)散速度和活性中心的擴(kuò)散速度。 n實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象n富氧擴(kuò)散火焰：火焰表面逐漸富氧擴(kuò)散火焰：

6、火焰表面逐漸收縮到圓管的軸線上，成為圓收縮到圓管的軸線上，成為圓錐形火焰。錐形火焰。n貧氧擴(kuò)散火焰：空氣中的氧氣貧氧擴(kuò)散火焰：空氣中的氧氣不足，這時(shí)火焰擴(kuò)展到外管的不足，這時(shí)火焰擴(kuò)展到外管的壁上形成喇叭形的。壁上形成喇叭形的。同心圓管內(nèi)的擴(kuò)散火焰同心圓管內(nèi)的擴(kuò)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(gè)穩(wěn)定的火焰邊界只能是燃：一個(gè)穩(wěn)定的火焰邊界只能是燃料和氧化劑按化學(xué)計(jì)量比混合的表面，在料和氧化劑按化學(xué)計(jì)量比混合的表面，在火焰邊界上不能有過(guò)剩的空氣，也不能有火焰邊界上不能有過(guò)剩的空氣，也不能有過(guò)剩的燃料，否則，火焰邊界的位置便不過(guò)剩的燃料，否則，火焰邊界

7、的位置便不能穩(wěn)定。能穩(wěn)定。 擴(kuò)散火焰只有在燃料與氧化劑以化擴(kuò)散火焰只有在燃料與氧化劑以化 學(xué)劑量比混合的表面上才是穩(wěn)定的。學(xué)劑量比混合的表面上才是穩(wěn)定的。二、擴(kuò)散火焰高度 1.實(shí)驗(yàn)觀察實(shí)驗(yàn)觀察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 n層流擴(kuò)散火焰層流擴(kuò)散火焰2. 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型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） 2214/udduMdDLdM12dDLdud12DudL2（5.3.3）2udL n湍流擴(kuò)散火焰湍流擴(kuò)散火焰用湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)用湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)代替（代替（5.3.3）式內(nèi)的層流擴(kuò)散系）式內(nèi)的層流擴(kuò)散系數(shù)數(shù)D，即，即 ： 2udL u

8、du l（5-4）dudL2 湍流火焰的高度與噴管直徑成正比，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(tuán)擴(kuò)散系數(shù)無(wú)關(guān)，即氣流速度、湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)無(wú)關(guān)，即 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。 5.3 液體燃料的噴射燃燒火焰燃燒燃燒氣態(tài)氣態(tài)蒸發(fā)蒸發(fā)使燃料破碎成細(xì)小的液滴以擴(kuò)大它與空氣使燃料破碎成細(xì)小的液滴以擴(kuò)大它與空氣接觸表面，同時(shí)還盡可能將液滴合理地分布在燃接觸表面，同時(shí)還盡可能將液滴合理地分布在燃燒室空間內(nèi)，強(qiáng)化液體燃料的燃燒，滿足燃燒性燒室空間內(nèi)，強(qiáng)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(guò)程、噴霧特性對(duì)擴(kuò)散燃燒因此，液體燃料的

9、噴射過(guò)程、噴霧特性對(duì)擴(kuò)散燃燒性質(zhì)及燃燒效率都有重要影響性質(zhì)及燃燒效率都有重要影響 。一、燃料霧化的噴射特性n霧化定義霧化定義 靠外界作用將連續(xù)的液流破碎成霧狀的油液滴群的過(guò)程?？客饨缱饔脤⑦B續(xù)的液流破碎成霧狀的油液滴群的過(guò)程。n液體燃料的噴射霧化方法液體燃料的噴射霧化方法n用機(jī)械方法或用壓縮空氣對(duì)燃料加壓噴散到燃燒室內(nèi)；用機(jī)械方法或用壓縮空氣對(duì)燃料加壓噴散到燃燒室內(nèi)；n對(duì)燃料施加高壓并用旋轉(zhuǎn)加速方法從噴嘴噴出使其粉對(duì)燃料施加高壓并用旋轉(zhuǎn)加速方法從噴嘴噴出使其粉碎和分散；碎和分散；n采用高壓將燃料噴射在固體壁或擋板上產(chǎn)生飛濺破碎采用高壓將燃料噴射在固體壁或擋板上產(chǎn)生飛濺破碎等等。等等。n燃油的破

10、碎機(jī)理燃油的破碎機(jī)理n通過(guò)噴孔或環(huán)形縫隙，把燃油通過(guò)噴孔或環(huán)形縫隙，把燃油(stream)或錐或錐形空心油片形空心油片(sheets)；n 在油柱或油片的表面在油柱或油片的表面；n 在上述表面波和擾動(dòng)的作用下，在油柱或油片的表面在上述表面波和擾動(dòng)的作用下，在油柱或油片的表面；n (collapse)或空洞的擴(kuò)大或空洞的擴(kuò)大；n 由于大油滴在各種外力由于大油滴在各種外力(運(yùn)動(dòng)液體的慣性力，氣體動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)液體的慣性力，氣體動(dòng)力，表面張力，粘性力等表面張力，粘性力等)的作用下發(fā)生振動(dòng)，的作用下發(fā)生振動(dòng)，；n 小油滴之間的碰撞可能產(chǎn)生更小油滴或聚合成較大油小油滴之間的碰撞可能產(chǎn)生更小油滴或聚合成較大油

11、滴，這些油滴的綜合體稱為滴，這些油滴的綜合體稱為(spray)。n噴霧特性噴霧特性n空間輪廓空間輪廓(長(zhǎng)度、寬度、噴射的錐角，輸送長(zhǎng)度、寬度、噴射的錐角，輸送的空氣或氧氣的速度場(chǎng)等的空氣或氧氣的速度場(chǎng)等)；n噴射橫截面上的液體分布；噴射橫截面上的液體分布；n霧化液體的液滴大??；霧化液體的液滴大??；n霧化液體液滴大小的均勻性。霧化液體液滴大小的均勻性。1. 1. 噴霧油束的空間形狀噴霧油束的空間形狀7 . 01 . 03 . 02103efacsRlds(spray angle) 噴油嘴孔口處油束外包絡(luò)噴油嘴孔口處油束外包絡(luò)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(yàn)公式：

12、給出的經(jīng)驗(yàn)公式： 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，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(zhǎng)度比也可增大通道長(zhǎng)度比也可增大 。ss 噴霧油束的貫穿距離噴霧油束的貫穿距離(spray penetration) 在給定時(shí)間內(nèi)，在給定時(shí)間內(nèi)，油束頂端實(shí)際到達(dá)的位置與噴油嘴噴孔間的距離稱為噴霧油油束頂端實(shí)際到達(dá)的位置與噴油嘴噴孔間的距離稱為噴霧油束的貫穿距離。束的貫穿距離。021 / 21.502.41aaffu tLdtd 經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)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

13、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 2噴霧油束的燃油分布特性噴霧油束的燃油分布特性22expffmCCh r軸線上：軸線上：橫截面徑向上：橫截面徑向上：xCf1r22exprhCCfmfCfm r=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(guò)程的各種因素的影響，通過(guò)常數(shù)，綜合反映具體噴射過(guò)程的各種因素的影響，通過(guò) 試驗(yàn)來(lái)確定。試驗(yàn)來(lái)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

14、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(yuǎn)的加濃度迅速減小，靠近噴孔燃料濃度變化大，離噴孔越遠(yuǎn)的橫截面內(nèi)燃料濃度變化越小，以至整個(gè)截面趨于均勻。橫截面內(nèi)燃料濃度變化越小，以至整個(gè)截面趨于均勻。3.噴霧油束中的液滴尺寸大小噴霧油束中的液滴尺寸大小衡量霧化程度的指標(biāo)。衡量霧化程度的指標(biāo)。經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式（柴油機(jī)）（柴油機(jī)） ：0/miidn dn31/30/vmiidn dn21/20/smiidn dn 32iisiin ddn d算術(shù)平均直徑算術(shù)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）0.25070.513.31fcsfcvgd

15、dgufd 噴油壓力差增大使噴射速度增大，ds減??；黏度增大，霧化質(zhì)量變壞， ds減大；噴孔直徑增大， ds減大4.噴霧油束中液滴尺寸分布特性噴霧油束中液滴尺寸分布特性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二、單液滴燃燒(蒸發(fā)和燃燒） 破碎后的油滴置于高溫含氧介質(zhì)中所發(fā)生的變化：破碎后的油滴置于高溫含氧介質(zhì)中所發(fā)生的變化： 油滴在不是很高的溫度下，蒸發(fā)油滴在不是很高的溫度下，蒸發(fā)成氣態(tài)后，與氧氣分子接觸達(dá)到著火溫度著火燃燒。（蒸成氣態(tài)后，與氧氣分子接觸達(dá)到著火溫度著火燃燒。（蒸發(fā)速度、燃燒速度）發(fā)速度、燃燒速度） 和氧接觸前便達(dá)高溫、熱解、和氧接觸前便達(dá)高溫、熱解、產(chǎn)生固體碳和氫氣（

16、燃油爐子所見(jiàn)到的黑煙）；未蒸發(fā)前產(chǎn)生固體碳和氫氣（燃油爐子所見(jiàn)到的黑煙）；未蒸發(fā)前劇烈受熱，發(fā)生裂化，產(chǎn)生焦?；?yàn)r青（重油燒嘴的劇烈受熱，發(fā)生裂化，產(chǎn)生焦粒或?yàn)r青（重油燒嘴的“結(jié)結(jié)焦焦”現(xiàn)象）?，F(xiàn)象）。：油滴燃燒所需時(shí)間與油滴初始直徑平方成：油滴燃燒所需時(shí)間與油滴初始直徑平方成 正比，故正比，故三、油霧燃燒由許多粒度不等的油滴組成。由許多粒度不等的油滴組成。n工程上液體燃料的燃燒通常都是一群粒度不等工程上液體燃料的燃燒通常都是一群粒度不等的液體組成的液霧在燃燒。的液體組成的液霧在燃燒。n液霧燃燒的特點(diǎn)液霧燃燒的特點(diǎn)n液滴大小不均勻；液滴大小不均勻；n液滴有一定速度，處于強(qiáng)迫流動(dòng)；液滴有一定速度

17、，處于強(qiáng)迫流動(dòng)；n除導(dǎo)熱外，還有對(duì)流換熱，溫度高時(shí)還有輻射換熱；除導(dǎo)熱外，還有對(duì)流換熱，溫度高時(shí)還有輻射換熱；n液滴內(nèi)溫度較低，表面溫度未達(dá)到飽和溫度，升溫吸液滴內(nèi)溫度較低，表面溫度未達(dá)到飽和溫度，升溫吸熱不能忽略；熱不能忽略；n小液滴易燃盡，大液滴不易燃盡小液滴易燃盡，大液滴不易燃盡 。n油霧的燃燒規(guī)律油霧的燃燒規(guī)律n輕質(zhì)油基本符合直徑平方輕質(zhì)油基本符合直徑平方直線定律；直線定律；n重質(zhì)油（重油）燃燒時(shí)首先受熱產(chǎn)生碳黑殼，接著內(nèi)重質(zhì)油（重油）燃燒時(shí)首先受熱產(chǎn)生碳黑殼，接著內(nèi)部氣化、膨脹、破裂，再燃燒，但最終總結(jié)果，燃盡部氣化、膨脹、破裂，再燃燒，但最終總結(jié)果，燃盡時(shí)間基本符合直徑平方時(shí)間基本

18、符合直徑平方直線定律關(guān)系。直線定律關(guān)系。n油霧燃燒的三種形式油霧燃燒的三種形式(a)油滴之間距離很遠(yuǎn)時(shí)的燃燒油滴之間距離很遠(yuǎn)時(shí)的燃燒 (b)表示表示“初態(tài)油滴群燃燒初態(tài)油滴群燃燒” (c)表示表示“整體油滴群燃燒整體油滴群燃燒 圖圖5-13 將火焰位置作為顆粒分散度的函數(shù)進(jìn)行疊加的結(jié)果將火焰位置作為顆粒分散度的函數(shù)進(jìn)行疊加的結(jié)果(燃料為十二烷燃料為十二烷)n強(qiáng)化油霧燃燒的途徑強(qiáng)化油霧燃燒的途徑n加強(qiáng)霧化，減小油滴直徑，選用合適的霧化器；加強(qiáng)霧化，減小油滴直徑，選用合適的霧化器；n增加空氣與油滴的相對(duì)速度。相對(duì)速度越大，越有利增加空氣與油滴的相對(duì)速度。相對(duì)速度越大，越有利于燃料和空氣之間的擴(kuò)散、混合，加強(qiáng)燃燒；于燃料和空氣之間的擴(kuò)散、混合，加強(qiáng)燃燒；n及時(shí)、適量