燃烧学-5[1]扩散燃烧及火焰

1、扩散燃烧火焰类型扩散燃烧火焰类型 气体扩散燃烧火焰气体扩散燃烧火焰 液体燃料的喷射燃烧火焰液体燃料的喷射燃烧火焰 基本概念基本概念 扩散火焰高度扩散火焰高度 燃料雾化的喷射特性燃料雾化的喷射特性 单液滴燃烧单液滴燃烧 油雾燃烧油雾燃烧 燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧 燃料膜的蒸发燃烧燃料膜的蒸发燃烧 第五章 扩散燃烧及火焰 （diffusion combustion） 扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点，扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点， 扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型 喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点喷雾

2、燃烧原理，气体扩散燃烧特点 单液滴燃烧模型的建立与求解单液滴燃烧模型的建立与求解 喷雾燃烧观察与分析喷雾燃烧观察与分析 n概念概念 扩散燃烧基本概念 燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混 合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是 ，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称 为扩散控制燃烧，为扩散控制燃烧，其火焰称为，其火焰称为。 n特征特征 燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过程燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过程 和燃料与氧化剂混合的过程。和燃料

3、与氧化剂混合的过程。 根据燃烧过程进展条件的不同：根据燃烧过程进展条件的不同： 燃烧过程燃烧过程 （ ） （ ） ：控制燃烧速率：控制燃烧速率 的的 是混合过程的快慢。是混合过程的快慢。 （更为常见）（更为常见） n分类分类 气体扩散燃烧气体扩散燃烧 扩散燃烧扩散燃烧 液体喷雾燃烧液体喷雾燃烧 层流扩散燃烧层流扩散燃烧 （分子扩散）（分子扩散） 湍流喷雾燃烧湍流喷雾燃烧 （涡团扩散）（涡团扩散） 5.1扩散燃烧火焰的类型 按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有： a a）自由射流火焰自由射流火焰 (free jet flame)(free j

4、et flame) b b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰） (concentric jet flame) c c）逆向喷流扩散火焰）逆向喷流扩散火焰 (counter-flow diffusion flame) 层流射流扩散火焰层流射流扩散火焰 紊流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰 ：不会发生回火现象：不会发生回火现象 ，稳定性又，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料好，在燃烧前又不必要把燃料 与氧化剂进行预先混合与氧化剂进行预先混合 ，操作，操作 方便方便 ，所以在工业上应用很广。，所以在工业上应用很广。 5.2 气体扩散燃烧火焰 一、基本概念 扩散火焰分布

5、在宽度很小的区域中，在这一区域中，扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中， ，它们最初是分开的。，它们最初是分开的。 已燃气体从一个燃烧区散布到另已燃气体从一个燃烧区散布到另个燃烧区，因而个燃烧区，因而 ，以便在点燃后相互接，以便在点燃后相互接 触。触。 n着火前燃料气和空气分子的扩散过程着火前燃料气和空气分子的扩散过程 n着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散 n 在具有理论燃烧剂量（在具有理论燃烧剂量（）的表面上）的表面上，形成燃烧，形成燃烧 表面。表面。 n 燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。燃烧速度取决于燃料与氧化

6、剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。 n实验现象实验现象 n富氧扩散火焰：火焰表面逐渐富氧扩散火焰：火焰表面逐渐 收缩到圆管的轴线上，成为圆收缩到圆管的轴线上，成为圆 锥形火焰。锥形火焰。 n贫氧扩散火焰：空气中的氧气贫氧扩散火焰：空气中的氧气 不足，这时火焰扩展到外管的不足，这时火焰扩展到外管的 壁上形成喇叭形的。壁上形成喇叭形的。 同心圆管内的扩散火焰同心圆管内的扩散火焰 空气空气 燃料燃料 空气空气 1-富氧火焰富氧火焰 2-贫氧火焰贫氧火焰 ：一个稳定的火焰边界只能是燃：一个稳定的火焰边界只能是燃 料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在 火焰边界上不能有

7、过剩的空气，也不能有火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有 过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不 能稳定。能稳定。 扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化 学剂量比混合的表面上才是稳定的。学剂量比混合的表面上才是稳定的。 二、扩散火焰高度 1.实验观察实验观察 火焰特征随气流喷射速度的变化火焰特征随气流喷射速度的变化 n层流扩散火焰层流扩散火焰 2. 数学模型数学模型 火焰高度火焰高度 喷管尺寸（直径喷管尺寸（直径d） 流率（流率（u） 22 1 4/udduM d DLdM 1 2 d DLdud 1 2 D ud L 2 （5-2）

8、2 udL n湍流扩散火焰湍流扩散火焰 用湍流涡团扩散系数用湍流涡团扩散系数代替（代替（5-2）式内的层流扩散系）式内的层流扩散系 数数D，即，即 ： 2 ud L udu l （5-4） d ud L 2 湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与 气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 。实验结果证实了这一点。实验结果证实了这一点。 5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰 燃烧燃烧气态气态蒸发蒸发 使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气 接触表面，同时还尽可能将液滴合理地分布在燃接触表面，同时还尽可能将液

9、滴合理地分布在燃 烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性 能好的要求。能好的要求。 因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧 性质及燃烧效率都有重要影响性质及燃烧效率都有重要影响 。 一、燃料雾化的喷射特性 n雾化定义雾化定义 靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。 n液体燃料的喷射雾化方法液体燃料的喷射雾化方法 n用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内；用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内； n对燃料施加高压并用旋转加速

10、方法从喷嘴喷出使其粉对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉 碎和分散；碎和分散； n采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎 等等。等等。 n燃油的破碎机理燃油的破碎机理 n通过喷孔或环形缝隙，把燃油通过喷孔或环形缝隙，把燃油(stream)或锥或锥 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 在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面 ； n (collapse)或空洞的扩大或空洞的扩大； n 由于大油滴在各种外力由于大油滴在各种外力(运动

11、液体的惯性力，气体动力，运动液体的惯性力，气体动力， 表面张力，粘性力等表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，的作用下发生振动， ； n 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油 滴，这些油滴的综合体称为滴，这些油滴的综合体称为(spray)。 n喷雾特性喷雾特性 燃料喷射到静止空气中的影像燃料喷射到静止空气中的影像 n空间轮廓空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角，输送的空气或长度、宽度、喷射的锥角，输送的空气或 氧气的速度场等氧气的速度场等)； n喷射横截面上的液体分布；喷射横截面上的液体分布； n雾化液体的液滴大小；雾化液体的液滴大小； n雾

12、化液体液滴大小的均匀性。雾化液体液滴大小的均匀性。 喷油器喷油器 L B 1. 1. 喷雾油束的空间形状喷雾油束的空间形状 7 . 0 1 . 0 3 . 0 2 103 e f ac s R l d s (spray angle) 喷油嘴孔口处油束外包络喷油嘴孔口处油束外包络 线的两条切线之间的夹角线的两条切线之间的夹角 Sitkei给出的经验公式：给出的经验公式： ss 喷油器喷油器 L B 增大喷射压差则流出增大喷射压差则流出 喷孔燃油流速增大，使喷孔燃油流速增大，使Re 增加，造成增加，造成 增大。增大。 增加喷孔直径与喷孔增加喷孔直径与喷孔 通道长度比也可增大通道长度比也可增大 。

13、s s 喷雾油束的贯穿距离喷雾油束的贯穿距离(spray penetration) 在给定时间在给定时间 内，油束顶端实际到达的位置与喷油嘴喷孔间的距离称为喷内，油束顶端实际到达的位置与喷油嘴喷孔间的距离称为喷 雾油束的贯穿距离。雾油束的贯穿距离。 0 2 1 / 2 1.5 0 2.4 1 aa ff u t L d t d 经验公式：经验公式： ： 1喷射压差喷射压差 ：u0 L 2喷孔直径喷孔直径d0 ：液滴直径：液滴直径dp L 3a、a ：空气阻力：空气阻力 L 4 f 、 f ：液滴直径：液滴直径 dp L 2喷雾油束的燃油分布特性喷雾油束的燃油分布特性 r x 22 exp ff

14、m CCh r 轴线上：轴线上： 横截面径向上：横截面径向上： x C f 1 r 22 exprhCC fmf Cfm r=0处轴线上的燃料浓度值处轴线上的燃料浓度值 h 常数，综合反映具体喷射过程的各种因素的影响，通过常数，综合反映具体喷射过程的各种因素的影响，通过 试验来确定。试验来确定。 ：在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分：在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分 布规律。在轴线上燃料浓度有最大值，随轴线方向距离的增布规律。在轴线上燃料浓度有最大值，随轴线方向距离的增 加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料浓度变化大，离喷孔越远的加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料浓度变化大，离喷孔越远的 横截面内

15、燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。横截面内燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。 3.喷雾油束中的液滴尺寸大小喷雾油束中的液滴尺寸大小 衡量雾化程度的指标。衡量雾化程度的指标。 经验公式经验公式（柴油机）（柴油机） ： 0 / mii dn dn 31/3 0 / v mii dn dn 21/2 0 / s mii dn dn 3 2 i i s i i n d d n d 算术平均直径算术平均直径 体积平均直径体积平均直径 表面积平均直径表面积平均直径 （最为通用）最为通用） 0.25 0 70.513.31 f c s fc vg d dg ufd 4.喷雾油束中液滴尺寸分布特性

16、喷雾油束中液滴尺寸分布特性 液滴直径液滴直径 液液 滴滴 数数 量量 液滴直径液滴直径 二、单液滴燃烧(蒸发和燃烧） 破碎后的油滴置于高温含氧介质中所发生的变化：破碎后的油滴置于高温含氧介质中所发生的变化： 油滴在不很高的温度下，蒸发成油滴在不很高的温度下，蒸发成 气态后，与氧气分子接触达到着火温度着火燃烧。（蒸发气态后，与氧气分子接触达到着火温度着火燃烧。（蒸发 速度、燃烧速度）速度、燃烧速度） 和氧接触前便达高温、热解、和氧接触前便达高温、热解、 产生固体碳和氢气（燃油炉子所见到的黑烟）；未蒸发前产生固体碳和氢气（燃油炉子所见到的黑烟）；未蒸发前 剧烈受热，发生裂化，产生焦粒或沥青（重油烧

17、嘴的剧烈受热，发生裂化，产生焦粒或沥青（重油烧嘴的“结结 焦焦”现象）。现象）。 n高温气流中液滴的蒸发高温气流中液滴的蒸发 n蒸发模型假设蒸发模型假设 (1) 液滴是球形的，由一高温球面所包围，相当于 包围燃烧油滴的狭窄燃烧区，见图所示； (2) 蒸发是稳定过程； (3) 蒸发率决定于液滴的加热速率； (4) 蒸发率的大小能满足液滴表面处蒸气和液体处 于平衡的条件； (5) 通过传热和扩散，液滴达到稍低于液体沸点的温度； (6) 蒸发过程是等压的； (7) 燃料蒸发和周围介质气体满足理想气体定律； (8) 导热系数不随温度而改变； (9) 不考虑辐射和对流热损失； (10) 在液滴附近，燃料

18、浓度和温度随离开液滴中心的距离作线性变化。 n理论计算理论计算 1质量蒸发率质量蒸发率 对于半径为对于半径为r 的球面，由热量平衡可知：的球面，由热量平衡可知： LTTCm dr dT r p 0 2 4 导热率 油的质量 蒸发率 油滴的气化潜热 油滴表面温度 液滴直径的无限小，两边对液滴直径的无限小，两边对r求导数：求导数： dr dT Cm dr dT r dr d p 4 2 dr dT r dr d dr dT Cm p 2 4 对球形火焰区积分对球形火焰区积分 ，即从，即从r0到到r（rr1），从），从T0到到T（TT1）：）： （5-19） 01 22 0 4 rrrr p dr

19、dT r dr dT rTT Cm 01 22 0 4 rrrr p dr dT r dr dT rTT Cm 导热热量被用作蒸发热，则：导热热量被用作蒸发热，则： （5-20）Lm dr dT r rr 0 2 4 式式(5-20)代人式代人式(5-19)中，并在中，并在r0到到r（rr1），从），从T0到到T（TT1）间积分：）间积分： （5-20） 0 0 01 10 1ln 4 TT L C rr rr C m p p 2蒸发时间蒸发时间 通过上式我们可求出对于给定直径的油滴完全蒸发所需的时通过上式我们可求出对于给定直径的油滴完全蒸发所需的时 间，这个时间称为间，这个时间称为，油滴蒸发

20、时间对燃，油滴蒸发时间对燃 烧室设计来说是一个很重要的参数。烧室设计来说是一个很重要的参数。 对于半径为对于半径为r0的油滴，其质量：的油滴，其质量： （5-22） ff r m 3 4 3 0 （5-23） 0 2 0 4drrdmdtm ff 对对r0微分：微分： 将式将式(5-21)代人：代人： （5-24） 0 0 00 1 2 0 1ln 1 TT L C drr r r C dt p fp r1r0，故，故 可以忽略：可以忽略： （5-25） 0 0 00 1lnTT L C drrC dt p fp 1 2 0 /rr 将上式自将上式自0到到t， r0到到r之间进行积分：之间进行

21、积分： （5-26） 0 0 22 0 1ln2TT L C rrC t p fp （5-27） （5-28） fffffp p d m r m rr m rr rrm C TT L C K 001010 01 01 0 1 42 ) 11 ( 22 1ln8 1 22 0 K dd t 蒸发常数 n 油滴的燃烧过程油滴的燃烧过程 油滴燃烧示意图油滴燃烧示意图 根据油滴扩散燃烧理论获知，油滴的根据油滴扩散燃烧理论获知，油滴的 。 油蒸发速度，也就是在单位时间蒸发的油汽量应该与氧从周围向油蒸发速度，也就是在单位时间蒸发的油汽量应该与氧从周围向 火焰面扩散的数量相等，或者说与氧的扩散速度有着如下的

22、关系：火焰面扩散的数量相等，或者说与氧的扩散速度有着如下的关系： （5-30） m dr dC Dr O O 2 2 2 4 氧与燃油的化学当量比 从无穷远处从无穷远处(r=)与火焰面与火焰面(r=r1)之间积分：之间积分： 1 2 2 22 0 4 r O C O r dr mdcD O ) 1 (4 1 2 2 2 0 r O C O r mddcD O 11 04 1 22 r mCD OO （5-32） 22 4 1 OO CD m r （火焰锋面的位置）（火焰锋面的位置） 将式将式(5-32)代人式代人式(5-21)中并求解中并求解 ： （5-33） 22 01 0 0 1ln4 O

23、Op p CD TT L C C r m m 直径为直径为2r的油滴在燃烧时，从油滴表面上蒸发的油汽量，也就是的油滴在燃烧时，从油滴表面上蒸发的油汽量，也就是 它在单位时间内在焰面中它在单位时间内在焰面中。式中。式中T1为火焰面上的温度，为火焰面上的温度， 在所讨论的条件下也就是理论燃烧温度。在所讨论的条件下也就是理论燃烧温度。 令：令：（5-34） 22 01 0 1ln 8 OOp pf CD TT L C C K （5-35） 4 dK m f （燃烧速度常数） 油滴在燃烧过程中其直径不断缩小，由此而减少的燃油重量等于油滴在燃烧过程中其直径不断缩小，由此而减少的燃油重量等于 其重量燃烧速

24、度，即其重量燃烧速度，即 ： （5-36） dt dd d dt ddd d dt d d dt d dt dV dt dm m ff f ff 22 33 4 )( 2 3 6 )( 6 ) 6 ( 式式(5-35)和式和式(5-36) 联立：联立： （5-37）Ktdd 2 从从0到到t，d0到到d的范围内积分上式，得经过的范围内积分上式，得经过t时间燃烧后所剩余的油时间燃烧后所剩余的油 滴颗粒大小：滴颗粒大小： )0( 2 0 2 tKddKtdd 2 0 2 从初始直径为从初始直径为d0的油滴燃烧到直径为的油滴燃烧到直径为d 所需的燃烧时间：所需的燃烧时间： K dd t 22 0 油

25、滴燃尽油滴燃尽 所需的时间：所需的时间： K d tB 2 0 ：油滴燃烧所需时间与油滴初始直径平方成：油滴燃烧所需时间与油滴初始直径平方成 正比，故正比，故 三、油雾燃烧 由许多粒度不等的油滴组成。由许多粒度不等的油滴组成。 n工程上液体燃料的燃烧通常都是一群粒度不等工程上液体燃料的燃烧通常都是一群粒度不等 的液体组成的液雾在燃烧。的液体组成的液雾在燃烧。 n液雾燃烧的特点液雾燃烧的特点 n液滴大小不均匀；液滴大小不均匀； n液滴有一定速度，处于强迫流动；液滴有一定速度，处于强迫流动； n除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热；除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热； n液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸 热不能忽略