液體燃料霧化與燃燒概述課件

一、

課程概述 北京交通大學(xué)·

機(jī)電學(xué)院·

能源與動力工程系主講人：虞育松---液體燃燒霧化與燃燒AtomizationandCombustionofLiquidFuelSprays一.課程簡介通過本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握液體燃料霧化與燃燒理論方面的基本知識，掌握研究液體燃料霧化與燃燒問題的基本方法。主要內(nèi)容包括：液體燃料的種類與基本特性液體射流的表面波穩(wěn)定性理論液體射流分裂機(jī)制及其破碎機(jī)理液體燃料霧化過程的基本研究方法液滴的蒸發(fā)液體燃料燃燒基礎(chǔ)理論等。1.課程目的及任務(wù)本課程屬于能源與動力方向研究生的專業(yè)課。通過本課程的學(xué)習(xí)，擴(kuò)展和加深學(xué)生在多相流流動、射流失穩(wěn)及破碎、液滴蒸發(fā)及液霧燃燒等方面的理解和認(rèn)識，使學(xué)生掌握液體燃料霧化與燃燒理論方面的基本知識，掌握研究液體燃料霧化與燃燒問題的基本方法。為今后從事相關(guān)研究提供必要的基礎(chǔ)知識。2.具體內(nèi)容及安排第一章：緒論介紹本課程的教學(xué)內(nèi)容與目的。液體燃料霧化與燃燒的應(yīng)用背景和前景。液體燃料霧化與燃燒的研究熱點與挑戰(zhàn)等。第二章：液體燃料的種類與基本特性油類燃料和其它液體燃料的基本物理性質(zhì)。亞臨界和超臨界條件下的液體燃料熱力學(xué)性質(zhì)。液體燃料熱力學(xué)性質(zhì)的確定等。第三章：液體射流的表面波穩(wěn)定性理論線性穩(wěn)定性理論概述。液體射流的穩(wěn)定性分析。擾動時間和空間增長的穩(wěn)定性分析。平面液膜、圓柱射流和環(huán)形射流碎裂的線性穩(wěn)定性分析。色散方程的求解與分析等第四章：液體射流分裂機(jī)制及其破碎機(jī)理無量綱量數(shù)的建立。液體射流分裂機(jī)制的劃分。不同機(jī)制下的分裂模式及其影響因素。液體燃料噴霧場的結(jié)構(gòu)劃分。初次霧化與二次霧化?？諝鈩恿ψ饔?、噴孔內(nèi)流對液體射流分裂的影響。噴油器種類及其對噴孔內(nèi)流和霧化的影響。噴孔內(nèi)流與噴孔外射流霧化的耦合作用機(jī)制分析。液滴的碰撞與聚合作用對液體燃料噴霧過程的影響、噴霧撞壁問題等。3.具體內(nèi)容及安排第五章：液體燃料霧化過程的實驗與數(shù)值模擬研究噴霧實驗裝置與測量技術(shù)。噴霧宏觀和微觀特性。噴霧場的實驗測量方法。燃油霧化模型的種類。燃油噴霧過程的數(shù)值求解方法（拉格朗日和歐拉方法）和初始邊界條件。燃油霧化過程數(shù)值模擬結(jié)果的分析。第六章：液體燃料的蒸發(fā)相對靜止環(huán)境中液滴的蒸發(fā)。液滴蒸發(fā)時的斯蒂芬流。強迫氣流中液滴的蒸發(fā)。液滴群的蒸發(fā)。超臨界環(huán)境中的液滴蒸發(fā)。多組分燃油液滴的蒸發(fā)。附壁液膜的蒸發(fā)。液體蒸發(fā)的實驗與數(shù)值模擬研究概述。第七章：液體燃料燃料的基礎(chǔ)理論混合與傳質(zhì)。著火的基本概念、著火方式與機(jī)理、著火條件的數(shù)學(xué)描述。層流擴(kuò)散燃燒。湍流擴(kuò)散燃燒。非預(yù)混燃燒的實驗和數(shù)值模擬研究方法等。第八章：液體燃料的燃燒靜止液滴的燃燒。強迫氣流中液滴的燃燒。液滴群的燃燒。附壁液膜的燃燒。液體燃料燃燒的實驗與數(shù)值模擬研究方法等。5.參考文獻(xiàn)[1]曹建明.液體噴霧學(xué)[M].北京：

北京大學(xué)出版社，2013[2]徐通模.燃燒學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011[3]解茂昭.內(nèi)燃機(jī)計算燃燒學(xué)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2005[4]Glassman,Irvin.Combustion[M].California:AcademicPress,2008[5]AlanWilliams.Combustionofliquidfuelsprays.London:Butterworths,1990[6]ChristopherE.Brennen.FundamentalsofMultiphaseFlow.NewYork:CambridgeUniversityPress,2005…………..…………..…………..6.關(guān)于作業(yè)與課題討論內(nèi)容的思考討論點1：圓柱或平面液體射流表面波線性失穩(wěn)的分析過程及當(dāng)前存在的不足分析與改進(jìn)思路。討論點2：主流液滴破碎模型的推演建立過程及當(dāng)前存在的不足分析與改進(jìn)思路。討論點3：液滴蒸發(fā)理論分析及數(shù)學(xué)模型的推演建立過程及當(dāng)前存在的不足分析與改進(jìn)思路。討論點4：關(guān)于液霧燃燒模型建立的推演建立過程及當(dāng)前存在的不足分析與改進(jìn)思路。6.關(guān)于作業(yè)與課題討論內(nèi)容的思考算例練習(xí)：表面波失穩(wěn)案例測試：1）理論解析解的特征分析；2）數(shù)值解對解析解的近似求解；基于CFD的液霧燃燒算例計算測試與討論。二、液體燃料霧化與燃燒理論的應(yīng)用背景普遍存在于熱能動力裝置中：

熱機(jī)：燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的機(jī)器動力機(jī)械的一類，如蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)等。思考1：液體燃料的霧化燃燒的具體過程？燃油液滴燃燒過程液體燃料的物理與化學(xué)變化過程液體燃料噴射液體燃料破碎液體燃料蒸發(fā)氣態(tài)燃料化學(xué)反應(yīng)連續(xù)大體積液體液滴氣體團(tuán)火焰思考2：液體燃料燃燒的主要影響因素？液態(tài)燃油的霧化液態(tài)燃油的蒸發(fā)氣態(tài)燃油與氧化劑的混合燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)三、液體燃料霧化與燃燒的研究熱點與挑戰(zhàn)目前面臨的挑戰(zhàn)：更高的燃燒效率；更低的污染物排放（CO、CO2、HC、PM、NOX、SO2…）研究熱點：清潔替代燃料燃燒技術(shù)；高壓噴射技術(shù)；均質(zhì)/分層燃燒技術(shù)；缸內(nèi)直噴技術(shù)；液體燃料摻混；高增壓技術(shù)………節(jié)能減排！空氣中粒徑10微米（0.01毫米）以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑2.5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進(jìn)入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出，另外也會被鼻腔內(nèi)部的絨毛阻擋；粒徑2.5微米（0.0025毫米，相當(dāng)于頭發(fā)粗細(xì)的1/10）以下的細(xì)顆粒物，被人吸入后會進(jìn)入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管病等。2011年，全國機(jī)動車排放的PM達(dá)62.1萬噸，而汽車貢獻(xiàn)了94.9%，排放量達(dá)59萬噸。其中，按排放標(biāo)準(zhǔn)劃分，保有量占9.5%的國I前標(biāo)準(zhǔn)汽車貢獻(xiàn)了其中的48.9%。而按燃料類型來分，保有量占17.0%的柴油車則貢獻(xiàn)了99%以上。車用發(fā)動機(jī)的污染物排放問題：NOx（氮氧化合物）、排放限制的對象

NO、NO2、N2O、N2O2等等化合物的總稱。在高溫下氮和氧結(jié)合后產(chǎn)生。越接近完全燃燒產(chǎn)生的量越多，所以必須降低燃燒溫度。LTC(LowTemperatureCombustion）低溫燃燒HCCI（HomogeneousChargeCompressionIgnition）均質(zhì)充量壓燃PCCI(PremixedChargeCompressionIgnition)預(yù)混充量壓燃PM（ParticulateMatter=微粒子狀物質(zhì)）/黑煙、排放限制的對象

PM是柴油發(fā)動機(jī)排放的微粒子狀物質(zhì)的總稱。主要由黑煙、被稱為SOF（可溶有機(jī)成分）的燃燒殘留下來的燃料及潤滑油的成分、硫化物等構(gòu)成。（過濃缺氧燃燒下形成）燃油霧化效果不佳油氣混合不充分、混合氣局部過濃燃燒效率不高、擴(kuò)散燃燒、高溫火焰液體燃料霧化與燃燒理論液體燃料的燃燒特點概述一、液體燃料的燃燒過程燃油槽車/油管工廠油罐過濾油泵燒嘴爐膛或燃燒室—————

供油系統(tǒng)

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—燃燒裝置——燃油的燃燒過程：沸點低于燃點、受熱后先蒸發(fā)、汽化、然后燃燒油的霧化油滴蒸發(fā)、高溫?zé)峤馀c裂解與空氣混合著火燃燒油的蒸發(fā)：提供反應(yīng)需要的可燃物質(zhì)油的燃燒：提供油蒸發(fā)所需要的熱量蒸發(fā)與混合的速度——燃燒速度

當(dāng)燃油、空氣等條件一定時，控制油的燃燒過程主要控制霧化和混合過程。二、液體燃料燃燒形式分類根據(jù)液體燃料蒸發(fā)的特點，分為:液面燃燒燈芯燃燒蒸發(fā)燃燒霧化燃燒三、液面燃燒1.燃燒過程：液面燃燒是直接在液體燃料表面上發(fā)生的燃燒。液體燃料容器熱源或火源液體表面輻射和對流受熱蒸發(fā)液面上方的燃料蒸汽增加可燃混合氣一定濃度周圍空氣燃燒著火溫度受熱2.特點燃燒狀況不好，將導(dǎo)致燃料嚴(yán)重?zé)岱纸庵刭|(zhì)燃料未燃燒污染、冒黑煙火災(zāi)油罐火災(zāi)、海面浮油火災(zāi)等工程燃燒中不宜采用該燃燒方式四、燈芯燃燒燈芯吸附燃油燈芯表面燃燒燃燒功率小、適用于家庭、小規(guī)模燃燒器（煤油燈、煤油爐）容器蒸汽五、蒸發(fā)燃燒1.類似于氣體燃料燃燒：燃料蒸發(fā)－－象氣體燃料燃燒2.過程液體燃料管道蒸氣氣體燃燒高溫?zé)煔夤艿?.適用燃料：粘度不太大沸點不太高輕質(zhì)液體燃料