燃烧理论基础第五章

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烧的一般特征 液体

2、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、内燃机、涡轮机、消防气象、降尘、化妆

3、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） 方法。 SMD方法的定义：按SMD计的全部油滴的体积与

4、表面积之比与实际喷雾的V/A相等 单个油滴：V1/A1d/6 V1N/A1NV/A3121.66kiiikiiidnVS M DAdn3121.kiiikiiidnS MDdnni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

5、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)。.,aBS M DfPm0.1350.1210.131.()aS M DApBa 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dm 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

6、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

7、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

8、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TRTYFR5.3.1 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

9、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FFDFwFRYYbYY gWD DFdbdr（4） ,FWf YTT 这说明WW（传质率）与温度梯度和组分梯度有关。 耦合能量与组分方程，将(1)(2)改写 成统一形式：（5） （6） B.C：当r R时wTTFFwYY()PSTTwCTTbbQFFDDwFwFRYYbbYYwgWD 0)(22 drdbRWdrdbrdrdTWwTgg0)(22 drdbRWdrdbrdrdDDWwDFg 当r 时TT0F

10、FYY0TTbb0Dbb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。 eL g/ DF122()0ggddbdbrW RdrdrdrL（7） TDbbb 作一次积分 221ggdbrW RbCdrL（*） 将式（3）代入，初值条件壁面1C g2(/gwR WLg2)gwwW RbL式（*）为： 22(1)0wggwdbrW RbbdrL 积分，并用r 时的B.C条件2111wwwggbbW RnbbrL（*） 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 。 （*） 1ggwWn BRLwR

11、WwTWFwYW 从式（*）、（*）消除 得 B 值不同时， 与 是线性关系。wW(1)(1)(1)RrwbbB(1)wn bb(1)Rr()()WFFwDFwFRYYTBYTY()()WPgwTPlwRCTTBCTTL 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, B

12、D=,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。 ()()pgBTplBRcTTBBLcTTFRppFDYTYTYYBB)()( 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TTB 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 t，直径为d 的油滴，经过 t 时间，共直径

13、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 。2wWd 222(1)2( )2gglwddWdn BddtL4(1)ggldn BtdL 积分： 2208(1)gglddn BtL令 8(1)ggVln BL 220Vddt蒸发常数当 时， 0d 22008(1)lVVggddtn BLVdtlVt可用壁面处，气液相处于平衡状态，即两相LgVt的化学势、温度、压力相等，故有VTt21WCTFPC e， AFPPPFVYt1()1(1)FwFwAFFYYTMPPMwVTtAMFM、 空气

14、、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）。0W1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222()()gPgddTdrCW rTrqdrdrdr（1） 3组分方程 F： D （2） O： D （3） P： D （4）34V =3r334V()3drdrr322334(33)3rr drrdrdrr24 r drg2

15、22()()0FFFFdYddrW rYr Wdrdrdrg222()()0OOOOdYddrW rYr Wdrdrdrg222()()0PPPPdYddrW rYr Wdrdrdr 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/K ：m2/s D：m2/s）（a） 1FPOstststWWqWfff 0FqW0stOqf W（b） ()01stPstf Wqf （c） 0FstWf 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 2r q2Fr W2Or W2P

16、r WeL LggPggC L22()()0PgFPFggd C TYd C TYdrW RdrdrdrL（5） 力求有燃烧与纯蒸发的有一“标准形式”。()PgggCTTdWdrQ LgWD ()FFgFwFRYYddr YY 将式（5）同除以 ()FwFRQYY 定义保守变量 ()()()PgFFFTFwFRCTTYYbQYY22()0FTFTggdbdbdrW RdrdrdrL（ ） 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

17、相变气相的汽化热。211()1wggW RBnbbrL(1)()(1)1RrPgwCTTQB(1)()()(1)1RrPgwFwFRFwCTTQYYBY()()stOstOPgCPgCwstOFRFRf Yf YCTTCTTQf YYY 4）燃料和氧的浓度分布 火焰壳内（ Rr r r ）,YF=0 。2( )() 1 exp()/FFRstOwggstOYrYf YW Rrf YL20( )exp()/()1FRstOggOstYf Yr rW RrYfL 5）油滴燃烧时间的确定 与纯蒸发完全相似，假定燃烧是二维稳定的。 b为一燃烧常数，见表5-4 燃烧时间 220bddt8(1)ggbln