燃燒學-5.擴散燃燒及火焰課件

擴散燃燒火焰類型氣體擴散燃燒火焰液體燃料的噴射燃燒火焰基本概念擴散火焰高度燃料霧化的噴射特性單液滴燃燒油霧燃燒燃料液滴在壁上的蒸發(fā)和燃燒燃料膜的蒸發(fā)燃燒第五章擴散燃燒及火焰

（diffusioncombustion）

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噴霧燃燒觀察與分析概念擴散燃燒基本概念

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，而是邊擴散邊燃燒，燃燒所用的氧氣全靠外界擴散獲得，稱為擴散控制燃燒，擴散燃燒，其火焰稱為擴散火焰。特征燃燒過程的進展包括兩方面：燃燒氧化的化學動力過程和燃料與氧化劑混合的過程。根據(jù)燃燒過程進展條件的不同：燃燒過程化學動力燃燒

（混合速度大于燃燒速度）擴散燃燒

（混合速度小于燃燒速度）基本性質(zhì)：控制燃燒速率的是混合過程的快慢。（更為常見）分類氣體擴散燃燒擴散燃燒液體噴霧燃燒層流擴散燃燒（分子擴散）湍流噴霧燃燒（渦團擴散）5.2氣體擴散燃燒火焰一、基本概念

擴散火焰分布在寬度很小的區(qū)域中，在這一區(qū)域中，燃料氣和氧化劑互相擴散，它們最初是分開的。已燃氣體從一個燃燒區(qū)散布到另—個燃燒區(qū)，因而燃料氣和氧化劑需要穿過形成的已燃氣層，以便在點燃后相互接觸。著火前燃料氣和空氣分子的擴散過程實驗現(xiàn)象富氧擴散火焰：火焰表面逐漸收縮到圓管的軸線上，成為圓錐形火焰。貧氧擴散火焰：空氣中的氧氣不足，這時火焰擴展到外管的壁上形成喇叭形的。

同心圓管內(nèi)的擴散火焰

空氣燃料空氣1-富氧火焰2-貧氧火焰現(xiàn)象解釋：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，火焰邊界的位置便不能穩(wěn)定。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。二、擴散火焰高度

1.實驗觀察

火焰特征隨氣流噴射速度的變化

湍流擴散火焰

用湍流渦團擴散系數(shù)ε代替（5.3.3）式內(nèi)的層流擴散系數(shù)D，即：（5-4）

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(guān)，即L/d=定值。實驗結(jié)果證實了這一點。

5.3液體燃料的噴射燃燒火焰

燃燒氣態(tài)蒸發(fā)燃料霧化原因：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。

因此，液體燃料的噴射過程、噴霧特性對擴散燃燒性質(zhì)及燃燒效率都有重要影響。燃油的破碎機理通過噴孔或環(huán)形縫隙，把燃油伸展成油柱(stream)或錐形空心油片(sheets)；

在油柱或油片的表面出現(xiàn)波紋和擾動；在上述表面波和擾動的作用下，在油柱或油片的表面形成油線或空洞；

油線的分裂(collapse)或空洞的擴大產(chǎn)生較大的油滴；由于大油滴在各種外力(運動液體的慣性力，氣體動力，表面張力，粘性力等)的作用下發(fā)生振動，分散成小油滴；小油滴之間的碰撞可能產(chǎn)生更小油滴或聚合成較大油滴，這些油滴的綜合體稱為油束(spray)。噴霧特性空間輪廓(長度、寬度、噴射的錐角，輸送的空氣或氧氣的速度場等)；噴射橫截面上的液體分布；霧化液體的液滴大??；霧化液體液滴大小的均勻性。1.噴霧油束的空間形狀油束錐角(sprayangle)——

噴油嘴孔口處油束外包絡線的兩條切線之間的夾角Sitkei給出的經(jīng)驗公式：

增大噴射壓差則流出噴孔燃油流速增大，使Re增加，造成增大。增加噴孔直徑與噴孔通道長度比也可增大。

噴霧油束的貫穿距離(spraypenetration)——

在給定時間內(nèi)，油束頂端實際到達的位置與噴油嘴噴孔間的距離稱為噴霧油束的貫穿距離。

經(jīng)驗公式：分析：1°噴射壓差↗：u0

↗L↗2°噴孔直徑d0

↗：液滴直徑dp

↗L↗3°ρa、μa↗：空氣阻力↗L↘4°ρf、μf

↗：液滴直徑dp↗

L↗2．噴霧油束的燃油分布特性

燃油分布特性：通過給出燃料濃度沿油束橫截面徑向分布和沿油束軸線分布的規(guī)律來反應。燃料濃度分布

：軸線上：橫截面徑向上：Cfm——

r=0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

試驗來確定。濃度分布特點：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。4.噴霧油束中液滴尺寸分布特性

液滴尺寸分布特性：噴霧液滴尺寸大小及各種尺寸的液滴數(shù)量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函數(shù)關(guān)系表示。液滴尺寸分布曲線——液滴數(shù)量的微分分布。常用的噴霧油束液滴尺寸分布函數(shù)有：(1)羅森(Rosin)—瑞姆勒(Rammler)分布函數(shù)；(2)拔山—棚澤分布函數(shù)。液滴直徑液滴數(shù)量液滴直徑二、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：1）油滴的蒸發(fā)燃燒

——

油滴在不是很高的溫度下，蒸發(fā)成氣態(tài)后，與氧氣分子接觸達到著火溫度著火燃燒。（蒸發(fā)速度、燃燒速度）2）油滴的熱解和裂化——

和氧接觸前便達高溫、熱解、產(chǎn)生固體碳和氫氣（燃油爐子所見到的黑煙）；未蒸發(fā)前劇烈受熱，發(fā)生裂化，產(chǎn)生焦?；驗r青（重油燒嘴的“結(jié)焦”現(xiàn)象）。三、油霧燃燒油霧——由許多粒度不等的油滴組成。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。液霧燃燒的特點液滴大小不均勻；液滴有一定速度，處于強迫流動；除導熱外，還有對流換熱，溫度高時還有輻射換熱；液滴內(nèi)溫度較低，表面溫度未達到飽和溫度，升溫吸熱不能忽略；液霧燃燒時，液滴相互靠近，互相傳熱，同時妨礙氧氣擴散，一般使燃燒速度變慢；小液滴易燃盡，大液滴不易燃盡。油霧的燃燒規(guī)律輕質(zhì)油基本符合直徑平方—直線定律；重質(zhì)油（重油）燃燒時首先受熱產(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，燃盡時間基本符合直徑平方—直線定律關(guān)系。油霧燃燒的三種形式(a)油滴之間距離很遠時的燃燒

(b)表示“初態(tài)油滴群燃燒”(c)表示“整體油滴群燃燒

圖5-13將火焰位置作為顆粒分散度的函數(shù)進行疊加的結(jié)果(燃料為十二烷)強化油霧燃燒的途徑加強霧化，減小油滴直徑，選用合適的霧化器；增加空氣與油滴的相對速度。相對速度越大，越有利于燃料和空氣