第八章 擴(kuò)散燃燒

內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)基礎(chǔ)

氣有浩然，學(xué)無止境

求真務(wù)實(shí)，開放拓新2023年2月7日主講人:李國祥教授博導(dǎo)白書戰(zhàn)副教授博士

第八章

擴(kuò)散燃燒柴油機(jī)的燃燒屬于擴(kuò)散燃燒，燃油邊蒸發(fā)，邊燃燒。液滴蒸發(fā)是燃燒的前提，本章首先介紹單個液滴的燃燒，然后是氣相燃料射流的燃燒。8.1空間油滴的著火和燃燒高溫中的油滴，一方面從周圍介質(zhì)中吸收熱量，一方面汽化。在油滴附近的燃料濃度場、溫度場都是變化的燃料濃度在液滴表面處最大，逐漸向外擴(kuò)散與空氣混合而變小溫度則在油滴表面處最低逐漸隨遠(yuǎn)離油滴而提高與濃度和溫度相對應(yīng)，著火溫度也有相應(yīng)的變化。在溫度和濃度匹配最恰當(dāng)處，著火溫度應(yīng)有最小值。TA為環(huán)境溫度TB為油滴溫度TAB為擴(kuò)散層溫度pB為油蒸汽分壓TZ為著火溫度某時刻，混合氣焰前反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使周圍溫度上升的比單純靠傳熱快，超過Tz處，發(fā)生著火，著火形成的火焰面與油滴表面有一定的距離，這個距離與燃料揮發(fā)性等因素有關(guān)。油滴的燃燒油滴的著火過程就是油滴邊蒸發(fā)、邊燃燒的過程假設(shè)火焰面內(nèi)只有燃料而沒有氧，在火焰外部只有氧而沒有燃料。即火焰面是位于混合氣化學(xué)當(dāng)量比出，而且化學(xué)反應(yīng)可在瞬間完成。假設(shè)火焰位置是穩(wěn)定的，因此燃燒速度和蒸發(fā)速度相等，而對燃燒速度的研究，就轉(zhuǎn)化成對液滴在火焰包圍下蒸發(fā)速度的研究。球坐標(biāo)下的守恒方程能量方程組分守恒方程燃料氧產(chǎn)物連續(xù)方程擴(kuò)散項(xiàng)對流項(xiàng)源項(xiàng)對于球坐標(biāo)中的守恒方程，8-1至8-4，比液滴蒸發(fā)過程的方程中多了“源項(xiàng)”。該項(xiàng)是由于燃燒而產(chǎn)生的。施瓦勃-澤里多維奇變換：經(jīng)過變換，從形式上將添加的源項(xiàng)消去，獲得同樣的規(guī)范化方程，與第七章無燃燒時形式一致。

8-10邊界條件：氣液分界面上的能量平衡方程和表示組分守恒的方程，不論是否發(fā)生燃燒，都會成立

8-11同理，可以得出組分守恒方程和其邊界條件，通式如下：上式中的b可以為bFT，bOT，bPT經(jīng)過澤爾多維奇變換后，有燃燒時變量b的守恒方程及其邊界條件均與無燃燒時一致，因此可以用無燃燒時的情況下求出b。傳質(zhì)速度的表達(dá)式8-11以上推導(dǎo)的中心思想是把能量方程和組分守恒該方程，通過變換消去化學(xué)反應(yīng)中的源項(xiàng)，得到綜合參數(shù)的方程，使其在形式上與無化學(xué)反應(yīng)時完全相同。在燃燒學(xué)文獻(xiàn)中，這種變換成為澤爾多維奇變換。燃燒速度：擴(kuò)散燃燒室邊蒸發(fā)邊燃燒，蒸發(fā)速度決定了燃燒速度，因此燃燒速度就是蒸發(fā)速度傳質(zhì)的速度表達(dá)式8-16若求出驅(qū)動力（傳質(zhì)數(shù)）B，就可求得傳質(zhì)表達(dá)式，也就知道了燃燒速度B的算法：利用BFO=BOT和飽和蒸汽壓方程仿照無燃燒時的方法求B；也可以用近似的方法求B8-20提高燃燒速度的方法：減小d，提高介質(zhì)溫度，富氧，提高燃料溫度火焰位置假設(shè)在火焰處，燃料和氧化劑的濃度為化學(xué)計(jì)量比將其帶入8-14求解，得火焰殼半徑或燃燒速度大時，即B大，火焰離燃燒表面較遠(yuǎn)。液體燃料的火焰永遠(yuǎn)不能達(dá)到液體表面。對于烴類燃料，若其中不包含氣體，則wFR=1，f=0.32，則火焰殼半徑：壓力增加使火焰殼半徑稍有降低，但使燃燒速度稍有增加溫度分布火焰面內(nèi)R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此T可有bOT推出8-25b火焰面外rc<r<r∞,根據(jù)bFT的定義和火焰外沒有燃料的特性，即wF=0,推出8-27火焰面上，r=rc,8-28成立的假設(shè)：氣體比熱容與溫度和組分無關(guān)燃燒焓與溫度無關(guān)路易斯數(shù)為1與第一章提出的絕熱火焰溫度對比一下，設(shè)有fwO∞克的燃料與單位質(zhì)量的空氣組合并反應(yīng)，其最終的火焰溫度可用能量平衡求得如下：fwO∞克的燃料釋放的能量為△HfwO∞J，能量用于如下三個方面：提高單位質(zhì)量的空氣的溫度提高燃料蒸汽的溫度將液體燃料變成界面上的燃料蒸汽按此推出的能量方程與8-28完全相同，因此擴(kuò)散火焰和預(yù)混火焰的物理過程雖不同，但最高火焰溫度確是相同的。燃料和氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布火焰內(nèi)沒有氧，火焰外沒有燃料R<r<rC，wO=0，rC<r<

∞,WF＝０燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布8-31氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布8-32液滴燃燒時間燃燒速度計(jì)算時，傳質(zhì)數(shù)B按照無燃燒時的推導(dǎo)，液滴直徑隨時間的變化規(guī)律：燃燒時間t：燃燒常數(shù)的數(shù)量級一般為10-2cm2/s,燃料化學(xué)結(jié)構(gòu)所發(fā)生的很大變化，對燃燒常數(shù)并不構(gòu)成系統(tǒng)的影響。8.2高溫壁面處油滴的著火和燃燒液滴和壁面碰撞，可能會出現(xiàn)兩種情況：壁溫較低時，濕壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上壁溫較高時，比濕潤碰撞，超過了雷登弗羅斯特溫度，出現(xiàn)閃瞬蒸發(fā)，液滴脫離壁面此外，若液滴接觸壁面時有一定的速度，則根據(jù)韋伯?dāng)?shù)的不同來定義，它代表慣性力和表面張力之比。ρ為流體密度(kg/m^3)，v為特征流速

(m/s)，l為特征長度

(m)，σ為流體的表面張力系數(shù)

(N/m)不濕潤碰撞下，若韋伯?dāng)?shù)小于15，液滴在表面張力控制下仍可保持球形，若韋伯?dāng)?shù)大于150，將出現(xiàn)液滴破碎。液滴壽命與壁溫的關(guān)系液膜蒸發(fā)區(qū)沸騰蒸發(fā)區(qū)過渡區(qū)球形蒸發(fā)區(qū)試驗(yàn)表明，環(huán)境溫度、環(huán)境壓力、和壁面的粗糙度等都對液滴壽命有影響著火延遲期隨壁溫的變化著火與壁面蒸發(fā)有密切的關(guān)系，不過兩條線并不重合8.3油霧燃燒油霧中滴群的燃燒要比單滴燃燒復(fù)雜的多單滴來說，環(huán)境溫度、氧氣濃度、和相對速度均可視為不變滴群中則存在油滴間的相互干擾，這三者都是隨時改變的有人企圖應(yīng)用人工排列的方式模擬滴群，但與真實(shí)噴霧相差甚遠(yuǎn)，只能部分說明問題真實(shí)噴霧中，液滴直徑不同，速度不同，著火和燃燒的時刻也不同，而且在整個油霧的不同區(qū)域內(nèi)，油滴的密集程度也不同油滴的密集區(qū)域，可能出現(xiàn)一個火焰包圍多個油滴的情形，而不再是一個火焰面包圍一個油滴，在稀疏區(qū)則不同。在液滴小，揮發(fā)性好，環(huán)境溫度高的條件下，可能在油滴周圍尚未出現(xiàn)火焰之前就蒸發(fā)完畢，就不會出現(xiàn)火焰包圍油滴的現(xiàn)象油霧的燃燒特征是與包括燃燒設(shè)備工作狀態(tài)在內(nèi)的各種因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可以觀察到連續(xù)藍(lán)色背景和黃色光道曝光時間越短，黃色光道越短若降低空氣預(yù)熱溫度，則黃色光道部分所占比重較大，藍(lán)色背景變得不連續(xù)當(dāng)空氣燃料比足夠大，空氣預(yù)熱溫度很低且霧滴較大時，只剩下藍(lán)色光道。藍(lán)色背景可認(rèn)為是由于已蒸發(fā)的燃料蒸汽和空氣在燃燒前已混合好而形成的預(yù)混合火焰，黃色光道則是液滴群擴(kuò)散燃燒形成的二者的比例與燃燒條件有關(guān)軸對稱的空氣霧化噴嘴上進(jìn)行的噴霧燃燒表明，整個火焰可大致分為三個區(qū)域最外側(cè)的穩(wěn)定火焰，可觀察到火焰群在閃光、熄滅最內(nèi)側(cè)的A區(qū)有液滴存在中間的B區(qū)幾乎不存在液滴，只是由A區(qū)供給的可燃?xì)猓ㄖ饕荂O）來燃燒詳細(xì)參數(shù)研究表明，并不是滴群中每個油滴都被火焰包圍，二是在接近單純蒸發(fā)的狀態(tài)下汽化，燃料蒸汽作為一個整體進(jìn)行擴(kuò)散燃燒，形成噴霧火焰在采用壓力霧化噴嘴進(jìn)行的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)其燃燒速度比氣體火焰速度快這種現(xiàn)象的一種解釋為，液滴在穿過高溫介質(zhì)時邊蒸發(fā)，邊運(yùn)動與介質(zhì)混合，在氣流中留下了與液滴直徑一樣粗細(xì)的流線，其均勻混合速度較快，因此燃燒速度也高，在氣流的紊流程度很小，油滴和氣體的相對速度很大時，這種效果更加明顯8.4紊流射流的基本性質(zhì)和計(jì)算射流對于內(nèi)燃機(jī)的燃燒問題有重要的參考價值有些噴霧模型就是以氣體射流理論為基礎(chǔ)的在討論噴霧燃燒時，噴霧火焰和氣體擴(kuò)散火焰在物質(zhì)成分和溫度的分布上很相似。因此研究氣體擴(kuò)散火焰對解決噴霧火焰的問題有重要意義紊流射流的基本性質(zhì)射流是流體以高速流入環(huán)境流體中，并和環(huán)境流體相互作用形成的一種流動現(xiàn)象特征是具有巨大的橫向速度梯度和強(qiáng)烈的橫向動量、熱量和質(zhì)量的交換如果周圍沒有限制，稱為自由射流根據(jù)流動的狀態(tài)分為層流射流和紊流射流半寬度轉(zhuǎn)捩截面射流核心初始段，基本段，極點(diǎn)射流中無量綱速度u/u0等值線在基本段形成噴焰形狀無量綱速度u/um等值線則是一簇通過極點(diǎn)的直線這表明u/um的值知識比值y/x的函數(shù)這意味著如果用無量綱值u/um和y/b描述射流場，則個截面的速度分布應(yīng)有相同的形狀。阿伯拉莫維奇得出的射流橫斷面上的速度分布為：射流中心速度沿x軸方向變化為：射流外邊界直線方程可表示為：上述經(jīng)驗(yàn)公式描述了一些基本計(jì)算方法，但研究燃燒時，需要微分方程及其求解方式才能解決紊流射流的基本方程及求解設(shè)圓柱形自由射流的坐標(biāo)如圖所示，忽略體積力，假設(shè)物性是常量且為定常流動的情況下，圓柱坐標(biāo)系下的質(zhì)量守恒方程為：動量守恒方程：組分守恒方程：能量守恒方程：假設(shè)：Pr=Sc=Le這樣以上守恒方程就都具有同樣的形式，并且邊界條件也是相同的由于各守恒方程具有同樣的形式和邊界條件，則具有同樣的解Um隨x的變化表達(dá)式：射流寬度：速度分布：卷吸速度：8.5氣體射流中的擴(kuò)散燃燒射流擴(kuò)散燃燒是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題目前已有多種模型可以進(jìn)行數(shù)值模擬，并在不斷完善中求解簡單射流擴(kuò)散燃燒問題，可在不帶化學(xué)反應(yīng)的射流解的基礎(chǔ)上進(jìn)行。設(shè)燃料通過圓形噴口噴射進(jìn)入環(huán)境氣體氧中進(jìn)行燃燒，燃料形成的射流如下圖所示該燃燒過程受擴(kuò)散過程的制約，燃料和氧氣在邊界層中相互擴(kuò)散，在燃料和空氣處于化學(xué)當(dāng)量比的位置上燃燒最為迅速，理想的燃燒區(qū)可視為無限薄的區(qū)域（火焰面），對于氧或者燃料，這個面都是不可滲透的，在火焰的燃料一側(cè)不存在氧，在氧氣一側(cè)不存在燃料假設(shè)：忽略輻射熱損失忽略體積力忽略物性隨溫度和組分的變化其守恒方程，邊界條件與無燃燒的射流基本一致火焰形狀燃料和氧以化學(xué)當(dāng)量比在擴(kuò)散火焰面上相遇并發(fā)生反應(yīng)，因此在火焰面上燃料和氧氣的濃度均為0，在噴嘴出口處，僅存在燃料：以上兩式帶入其射流燃燒解中，既得火焰面形狀，它是經(jīng)澤爾多維奇變換后的某一綜合參數(shù)bFO的等值分布線，與氧或燃料組分的某一等值線想對應(yīng)。環(huán)境氣體的不同或化學(xué)當(dāng)量比不同時，等值線的位置也就不同?；鹧娓叨龋毫钍街衦=ro=0，可得圓形的紊流火焰定點(diǎn)至噴口的距離，意即紊流火焰高度xo為層流紊流層流火焰高度與燃料容積供給率成正比，與擴(kuò)散系數(shù)、化學(xué)計(jì)算因子意即空氣純度因子成反比。右圖為不同條件下的層流火焰高度與燃料容積供給率的關(guān)系相同容積供給率條件下，在氧中的燃燒的射流火焰要小的多紊流火焰高度與燃料容積供給率無關(guān)，而與噴嘴直徑成正比，與常數(shù)系數(shù)、化學(xué)計(jì)算因子、空氣純度因子成反比考慮到層