扩散火焰与液体燃料的燃烧

1、燃烧理论基础课件 第五章 扩散火焰与液体燃料 的燃烧 汽车与交通工程学院 王维强 主要内容 各种火焰类型的回顾 扩散火焰与预混合火焰的区别 (以柴油机为例)扩散燃烧过程的几个阶段 液体燃料的喷雾特性 单个油滴的蒸发与燃烧 各种火焰类型的回顾 四种分类方法 可燃混合气的制备：预混合火焰、扩散火焰 燃烧过程中火焰的相对位置：定置火焰、行进火焰 混合气的流动状态：层流燃烧、湍流燃烧 着火方式：点燃、压燃 5.1 扩散火焰与预混合 火焰的区别 混合气形成方式不同 燃烧速度的决定因素不同 预混合燃烧受控于化学反应动力学及传热与扩散 扩散火焰中混合与燃烧同时进行，燃烧受控于燃料与氧 化剂的扩散 液体燃料燃

2、烧的一般特征 液体燃料燃烧的着火温度远高于它的沸点温度（如汽 油，干点温度200C，着火温度780K）。 燃料的活化能远大于气化热(如汽油，1281335 kJ/kg) 因此，液体燃料总是先蒸发后着火的，即燃烧总是在 气态下进行的。 汽油机为准预混合的燃烧。柴油机以扩散燃烧为主。 提高扩散速度是提高扩散火焰燃烧的关键。工程上采 用压力喷射法。如柴油机，为200MPa，实现细化。 柴油机扩散燃烧过程的几个阶段 滞燃期I：混合、焰前反应 急燃期II：多点着火燃烧 缓燃期III：扩散速度控制 后燃期IV：残余混合气 燃烧，对发动机性能不利 5.2 液体燃料的喷雾特性 全国有喷雾学会(医学、农业、锅炉

3、、内燃机、 涡轮机、消防气象、降尘、化妆品、热处理等)。 如1ml的燃油，表面积为245mm2。若雾化成40m油滴， 油滴总数为2.99107个，其表面积为1.5106 mm2。 表面积增大5090倍。 有了足够大的表面积有利于导热（吸热），扩 散。（肉丝与肉块为例） 表征喷雾特征的三个参数：喷雾粒度、贯穿距 离及喷雾锥角 （一） 喷雾粒度 喷雾粒度：表示燃料喷散雾化的程度，一般指喷散的细 度和喷散的均匀度。如何求得喷雾中的油粒平均直径。 采用激光全息、CT技术加计算机数据采集处理技术。 表征粒度的方法：算术平均法、质量平均法、体积平均 法、表面积平均法等，用的最多的是SMD（索特平均直径）

4、方法。 SMD方法的定义：按SMD计的全部油滴的体积与表面积 之比与实际喷雾的V/A相等 单个油滴：V1/A1d/6 V1N/A1NV/A 3 1 2 1 .6 6 k ii i k ii i dn VS M D A dn 3 1 2 1 . k ii i k ii i dn S MD dn ni为直径为di被测量的油粒数量；k为直径分档数；N为被测油滴总数。 影响柴油喷雾粒度的因素： 喷油压力、背压、油泵转速、喷油量、燃料性质、喷 孔面积、喷孔粗糙度等 在一定的背压下，喷油泵转速提高，喷油压力 增大，燃油从喷油器的出口速度增加，就能减 小油滴的直径； 背压提高，则喷油速度降低且喷雾贯穿距离减

5、 小，会使液滴出现团聚现象，油滴直径增大； 增加喷油量，喷雾液滴产生团聚的可能性增大， 从而也增大了液滴的直径。 SMD可以用经验公式表示 A为常数，对孔形喷嘴A=2.3310-3，节 流轴针喷嘴A=2.1810-3，轴针喷嘴 A=2.4510-3；p为喷孔前后平均压差 (MPa)；B为循环喷油量(mm3/循环)； 为 周围介质密度(kg/m3)。 ., aB S M DfPm 0.1350.1210.131 .() a S M DApB a 表征油滴粒度的方 法： 油滴粒度分布曲线 油滴质量分布曲线 粒子数累积分布曲线 质量累积分布曲线 直径从x到x+dx之间 的油滴数称作dn， 其质量为d

6、m 一次喷射中的(或作 一次测量的)油滴的 总数和总质量分别 为NT、MT （二） 喷雾贯穿距离 贯穿距离的大小(即贯穿度)对燃料在燃烧室中 的分布影响很大。 贯穿距离不能太大，也不能太小。 贯穿度太大，有较多的燃油喷到燃烧室壁上； 反之，贯穿太小，燃料不能很好地分布到燃烧 室空间，使燃烧室空气得不到充分利用。 贯穿度必须根据混合气形成方式的不同要求与 燃烧室相互配合。 贯穿度是喷雾燃烧品质的重要控制参数。 喷雾方式有两种：无涡流的自由喷射、有涡流 的受限喷射。 无涡流的自由喷雾贯穿距离具体的推导： 根据动量守恒：燃料入口的动量等于出口处燃料与 空气的动量和，很容易建立入口半径与出口半径之间

7、的关系。 无量刚化：同时除以燃料的入口质量，并对密度、 半径、速度无量纲化，由于u=dx/dt，可以得到贯穿距 离x与时间t之间的关系为： xt0.5 （三） 喷雾锥角 喷雾形成的油束一般是各种大小不同的 油滴组成的圆锥体，该圆锥体组成的夹 角即喷雾锥角。 5.3 单个油滴的蒸发与燃烧 研究单个油滴蒸发与燃烧的原因：喷雾燃 烧涉及到很多油滴同时发生热量、质量、动量交换以 及化学变化，过程太复杂，而单个油滴则是其基础， 如果知道单个油滴的喷雾与燃烧，同时知道喷雾中油 滴群的尺寸、个数、速度的时空分布，则喷雾与燃烧 过程很容易得到解析解。 单个油滴蒸发与燃烧的理想化：理想的扩散 燃烧过程，以无限薄

8、的燃烧火焰面为界面，将燃料与 氧化剂分开。 假设单个油滴的蒸发面为壁面，外界热 空气中没有燃料，燃料中无空气：很明显， 燃料的蒸发与燃料的类别、介质温度与成分、 油滴的初始尺寸有关。 稳定蒸发时，液相内温度与组分分布一定：TR为 常数，液相源区 YFR=1 气相区无穷远处燃料的质量分数 YF=0 为求解蒸发速度，必须知道液相及气相的温度与 组分分布 求解原理：组分守恒 能量守恒 设T为温度，Yi为第i个组 分的质量分数， 下标、W、R分别代表周 围介质、油滴表面蒸发处、 油滴内部。 相界面 气相液相 TR T YFR 5.3.1 单个油滴蒸发 过程的解析分析 单个油滴的蒸发过程为Stefen流

9、问题（条件： 存在扩散过程及物理化学过程） 温差（T TW）引起热传递（温度较低的液体 进入温度较高的空气） 浓度差（YFR-YF）引起质量扩散，燃料 蒸气向介质扩散 假设油滴为对称的旋转球体，可以得到稳定、 定物性的能量方程及组分方程 上述两个方程、三个未知数，需要补充方程求解。 求解思路：首先找出传质速度W/ 的表达式。 求解传质数的思路是：液体燃料流出的总热量与导入表面的热通量相等。 以下是传质速度的求解过程： 定义无因次浓度 FF D FwFR YY b YY g W D D F db dr （4） , F Wf YTT 这说明 W W （传质率）与温度梯度和组分梯度有关。 耦合能量与

10、组分方程，将(1)(2)改写 成统一形式： （5） （6） B.C：当 r R时 w TT FFw YY () PS TTw CTT bb Q FF DDw FwFR YY bb YY wg W D 0)( 22 dr db RW dr db r dr d T Ww T gg 0)( 22 dr db RW dr db r dr d D D Ww D Fg 当r 时 TT0 FF YY 0 TT bb 0 D bb 从边界条件分析，若 ，则两方 程变得同义。热边界层厚度与传质边界层厚度相 等。 e L g/ DF 1 22 ()0 gg ddbdb rW R drdrdr L（7） TD bb

11、b 作一次积分 22 1gg db rW RbC dr L （*） 将式（3）代入，初值条件壁面 1 C g 2 (/ gw R W L g 2 ) gww W Rb L 式（*）为： 22 (1)0 w ggw db rW Rbb dr L 积分，并用r 时的B.C条件 2 11 1 ww wgg bbW R n bbr L （*） b=0, 但b - bw 称传质数，在形式上 仍保留（令B= b - bw= - bw ）。 当r w 时， b= bw 。 （*） 1 gg w Wn B R L w R W w T W Fw Y W 从式（*）、（*）消除 得 B 值不同时， 与 是线性 关

12、系。 w W (1) (1)(1) R r w bbB (1) w n bb (1) R r () () W FFw D FwFR YYT B YTY () () W Pgw T PlwR CTT B CTTL 当Le=1时 BT=BD ，热边界层厚度与传质边 界层厚度一样，且浓度分布与温度分布规律 相一致。可用作图法求解Tw，见右下图的 环境温度对壁面条件影响关系图。 当Lcpl(TW-TR)时，BT(TW)为TW的线性函 数，斜率为负，当 TW=T 时，直线与横坐 标交于TW=T 。 可能有两种情况: 当TW 0时，YFW=0,BD=-YF /YFR, 当TW TB时，YFW= YFR,

13、BD=,是以 TB为 目标的渐近线：TW 不可能高于沸点TB ，只 能接近于TB: TW TB 。 两种极端情况： （1）TTB时, TW不可能比沸点TB高， 只可能略低于沸点，可求得B； （2） TTB时,交点与B=0接近，可以 认为壁面处的质量分数YF与T时的饱和 蒸汽压力对应，可以求得B。 () () pgB T plBR cTT BB LcTT FRp pF D YTY TYY BB )( )( 结论： 1正在蒸发液滴表面温度总是低于其沸 点温度 TWTB，故 YFWYFR ；当T TB 时，则TWTB 。且YFW YFR 。 2BT(TW)值为负值相当于凝结现象。 2油滴寿命 设时刻

14、 t，直径为d 的油滴，经过 t 时间，共直径减少了 d， 体积减少了d2 d/2 重量减少了ld2 d/2 ，减少速率为ld2 d/ t/2 。 即重量减少速率与从油滴表面蒸发出的 燃料速率相等，为 。 2 w Wd 222 (1) 2 ( ) 2 gg lw d dWdn Bd d t L 4 (1) gg l d n B td L 积分： 22 0 8 (1) gg l ddn Bt L 令 8 (1) gg V l n B L 22 0V ddt 蒸发常数 当 时， 0d 22 00 8(1) l V Vgg dd t n B L V dt lV t可用壁面处，气液相处于平衡状态，即两

15、相 Lg V t的化学势、温度、压力相等，故有 V Tt 2 1 W C T F PC e， AF PPP FV Yt 1 () 1(1) FwFw A FF YY T MP PM wV Tt A M F M、 空气、燃料的分子量。 (二) 燃烧状态 要考虑化学反应、反应物的能耗、产物 的生成，但 （物质不灭定律）。 近似认为 DF=DO=DP（扩散系数相等）。 0W 1设燃烧按化学计量比进行（即燃空比） 对于简单反应，燃料与氧化剂发生化学反应， 在生成产物的同时产生热量。 fst(kg) 燃料 1(kg) 氧化剂 （1 fst ）(kg 产物 ) fstH（kJ 热量 ） （*） 2能量方程

16、 222 ()() gPg ddTd rCW rTrq drdrdr （1） 3组分方程 F： D （2） O： D （3） P： D （4） 3 4 V = 3 r 33 4 V() 3 drdrr 32233 4 (33) 3 rr drrdrdrr 2 4 r dr g 222 ()()0 F FFF dYdd rW rYr W drdrdr g 222 ()()0 O OOO dYdd rW rYr W drdrdr g 222 ()()0 P PPP dYdd rW rYr W drdrdr 由式（*）可得到 考虑燃料、氧化剂、产物与能量间的关系，有 （：W/m/K CP:kJ/kg

17、/K ：m2/s D：m2/s） （a） 1 FP O ststst WWq W fff 0 F qW 0 stO qf W （b） ()0 1 stP st f W q f （c） 0Fst Wf W （d） 比较有燃烧与纯蒸发的式（1） 式（4）多了最后一项 根据式（a）的关系，式（2） 式（1），若令 g/ DF=1， ， 则有 2 r q 2 F r W 2 O r W 2 P r W e L L ggPgg C L 22 () () 0 PgF PF gg d C TY d C TYd rW R drdrdr L （5） 力求有燃烧与纯蒸发的有一“标准形式”。 () Pg gg CT

18、T d W drQ L g W D () FF g FwFR YYd dr YY 将式（5）同除以 () FwFR QYY 定义保守变量 ()() () PgFF FT FwFR CTTYY b QYY 22 ()0 FTFT gg dbdbd rW R drdrdr L （ ） 2 + + = =1 3）温度分布 火焰壳内（Rrrr）特征，无燃料，YF=0。用bFT(r)保守变量，有 求出 T=f（r)，即 符合化学热力学能量守恒定律。 燃料的热量空气由T加热到TC的热量燃料气由TC-T的热量液 相变气相的汽化热。 2 11 () 1 wgg W R B n bbr L (1) ()(1)1 R r Pgw CTTQB (1) ()()(1)