内燃机燃烧基础课件(液体燃料雾化和蒸发)

内燃机燃烧学基础

气有浩然，学无止境

求真务实，开放拓新2023年2月5日主讲人:李国祥教授博导白书战副教授博士

第七章

液体燃料的雾化和蒸发燃料的雾化和蒸发对燃烧过程有着重要影响液体燃料要汽化，需要破碎成更小的液滴，增加比表面积。柴油机的喷油、雾化、蒸发等过程只占一个循环中几十度曲轴转角，在如此短的时间内，必须有足够的燃料蒸发完毕并与空气进行混合，为燃烧做好物理准备液体燃料的雾化有多种方式：压力雾化、启动雾化、撞击雾化柴油机实际应用的各种喷嘴，都属于压力雾化：利用高压使液体燃料从喷嘴的小孔中高速喷出，由于液体自身的紊动和液体与周围介质的相互作用，液体燃料碎裂成大量的小雾滴。喷雾的研究内容：从喷嘴喷出的燃料是怎样雾化的，雾化质量如何评价和受哪些因素影响燃料碎裂成液滴以后什么样的规律运动，它们和周围介质怎样相互作用液滴的蒸发过程如何7.1液体燃料的雾化特性物理描述对于喷雾外形的宏观特点，可用贯穿度和扩张角来描述，有时还用“分散度”来描述在喷雾空间中燃料分布的情况液滴本身的雾化质量，则通常是用粒度和均匀度来表征，代表着喷雾的特性柴油机的喷雾特性，一方面取决于喷嘴的性能，是喷嘴性能的直接体现，另一方面又与燃料性质、气缸内的空气运动等互相配合，决定着燃料的蒸发、混合以及燃烧过程，最后对发动机性能产生重大影响。雾化的粒度和均匀度对喷雾的贯穿度也有影响，雾滴大时，贯穿度也大。平均粒径从喷嘴喷出的液雾中含有大量尺寸不同的雾滴，为了在总体上表征雾滴的大小，常需把这些尺寸不同的雾滴折合成某一平均值。算术平均直径索特平均直径：其他常用的平均直径雾滴的尺寸分布喷雾中含有大量不同尺寸的雾滴，若把雾滴直径分成若干尺寸段，求出各尺寸段中雾滴个数等参数与尺寸的函数关系，即得出雾滴的尺寸分布，又称粒度分布。按不同的方式整理实验数据，可以得到不同形式的分布曲线频数分布曲线设直径在D至D+dD范围内的液滴数为dN，则在此直径范围内的频数为

频数分布也成液滴数量的微分分布频率分布曲线将频数除以总液滴数N，即得频率：频率分布即某尺寸范围内液滴个数在全部液滴中所占分数的微分分布类似的，还可求出液滴体积（或质量）分数的微分分布，称为体积增量分布累积频率分布曲线直径小于某一特定尺寸的液滴出现频率称为累积频率，实验中常用累积体积分数

它代表直径小于某一特定尺寸D1的液滴所占体积分数，如图所示，Vc为液滴的总体积直径大于某一特定尺寸的液滴所占体积分数，称为剩余体积分数，液体燃料是不可压缩流体，体积分数实际上与质量分数是相同的。在Vc-D图上，R=50%对应的直径以D50代表，相应的D10和D90也代表Vc=10%和Vc=90%。D50就是指中间直径MMD在频率分布和剩余体积分布两者之中，通常可根据所选用测试方法的特点，视其方便与否，首先求出一种，另一种便可换算出来，同时还可算出体积增量分布。根据这些分布可直接定出许多表征雾化粒度的参数，如中间直径MMD，算术平均直径D10，索特平均直径SMD等，对应的频率分布曲线峰值的液滴直径也可求出。同时还可得出表征雾滴均匀性的一些参数。因此雾滴尺寸分布的测定，可看作是雾化特性试验研究的中心内容。粒度分布的实验方法：凝固法摄影法散射法和衍射法浸液法印痕法直接测量液滴尺寸为基础测量与液滴有关的其他物理量，换算出液滴直径分布函数分布函数：是一种可以用来拟合前述液滴直径分布实验曲线的解析式。通常包含两个主要的待定常数，须有实验求得，其中一个可用来表示滴径的大小，另一个表示雾滴的均匀性。代表滴径大小的常数与常用的算术平均直径、索特平均直径并不相同，习惯上很少应用，但在某些分布函数中，他和索特平均直径等有一定的简单换算关系。若分布函数已确定，即可把索特平均直径求出。罗森-拉米勒分布（R-R分布）剩余体积分数索特平均直径可表示为

上限分布函数（ULDF）这种分布拟合较准确，但是复杂计算平均液滴直径的经验公式棚泽泰公式喷嘴直径、喷射速度、燃料表面张力、燃料的粘度、燃料的密度、环境介质密度神本修正公式

C为修正常数，dn=0.2mm时，C=0.721dn=0.3mm时，C=0.455利舍夫斯基公式注意单位要统一莱特公式广安博之公式索特平均直径随着喷油速度的变化喷油速度越大，粒径越小但喷油速度对粒径的影响规律相当复杂不同喷油速度下的喷雾7.2液滴的蒸发2023/2/526一些应用柴油机、火箭、燃气轮机、燃油锅炉、工业窑炉、加热器。喷雾燃烧---而不是---单个液滴燃烧在研究复发火焰之前，了解单个液滴的燃烧是必要的。2023/2/5272023/2/528柴油机柴油发动机有两种基本类型：间接喷射型和直接喷射型。间接喷射的内燃机，燃料首先注入预燃室，燃料液滴开始蒸发并和空气混合。一部分燃料空气混合物自燃形成非预混燃烧。随着热量的释放，预燃室压力升高，将里面各组分通过气管或孔压到主燃室。在主燃室里这些部分反应后的燃料空气混合物及一些剩余的燃料液滴，与新加的空气混合，进行完全燃烧。直接喷射的内燃机，燃料是由一个多孔燃料喷射器来导入的。2023/2/529燃料空气的混合是在燃烧区里由喷射进程和空气流动同时控制的。从前面可以看出，内燃机燃烧既有预混模式又有扩散模式。柴油机所用燃料比火花点燃所用燃料挥发性差，但更容易点燃。燃料蒸发及其与空气混合的速率对形成自燃的化学反应速率有很大影响。因此，最先注入燃烧室的燃料，在它成为点燃源（已经自燃的气体）前会先预混并生成预混火焰；而后注入的燃料就会在扩散模式下燃烧，因为当燃料喷射时已经有点燃源（已经生成的火焰）存在。很明显，液滴的蒸发和燃烧在直接和间接喷射的发动机里都很重要。

2023/2/530燃气轮机使用液体燃料的燃气轮机是航空器中最主要的动力设备。右图就是一个航天涡轮发动机的内部结构图。尽管燃烧器在发动机系统中起着关键作用，它占用的空间小得令人惊讶。在环形的燃烧器中，燃料喷入并被雾化。由于旋转空气形成了一个回流区，火焰特别稳定。

2023/2/531industrialgasturbinesmicrogasturbines2023/2/532航空燃气轮机燃烧器的设计要考虑以下几个因素：燃烧效率，燃烧稳定性，高处再燃能力，排放等。值得一提的是，航空发动机采用非预混燃烧系统，由接近化学当量的一次风火焰区，接合二次风以彻底燃烧并在产物进入涡轮前稀释到合适温度。

2023/2/533一些设计和实验系统采用不同程度的预混来避免高温NOx形成区。预混燃烧要先将燃料气化并混合部分空气，然后混合物进入高温燃烧区，点燃并燃烧。上图描述了一个航空用燃气轮机燃烧器的一次风区、二次风区以及稀释区。

2023/2/534在这里研究的所有燃烧设备中，现代火箭发动机中的燃烧过程是最剧烈的，也就是说，单位体积的燃烧空间释放了最多的能量。有两种类型的液体火箭：压力供料，这类火箭的燃料和氧化剂在高压气体作用下被推入燃烧室；泵供料，由涡轮泵提供推动力。这两种方案如上图液体火箭发动机2023/2/535起源于中国2023/2/536液体火箭发动机2023/2/5372023/2/538不像前面讨论过的其他燃烧设备，火箭发动机的氧化剂是液体，燃烧之前要求燃料和氧化剂都汽化。一种通常的喷射器方案是由两种液体喷射撞击合成一个液体膜。这个片很不稳定，容易发散成线或带状，然后分裂成液滴。另外，需要用很多喷射器来分配燃烧室直径方向的推动物及氧化剂。预混和扩散燃烧在火箭发动机燃烧中都很重要。由于检测燃烧器的内部非常困难，对燃烧过程的细节知道得也相对要少。使用激光探测器及其它技术研究火箭燃烧室中的进程的工作仍在继续。液滴喷入静止或流动的高温空气中，会出现两个过程：由于空气阻力，液滴与空气间相对运动的速度减小介质的热量传递给液滴，使其蒸发两者同时进行，相互影响相对速度将影响传质过程，而液滴蒸发产生的物质流又会影响边界层的状态，因此对液滴受到的气体阻力也有影响。将一个液滴放入高温气体中，液滴内部和环境中的温度、燃料组分将出现如图所示的分布蒸发单位质量液体的热平衡：在蒸发开始阶段，传向液滴内部的热流较大，液滴一边蒸发，一边升温，但随着温度的升高，蒸发速度也增大，物质流带走的热量增多，用来使液滴升温的热量愈来愈少，而液滴的温度将趋近于一个稳定值。这一温度称为“平衡温度”，因此此时的蒸发过程可看作是定常的。Wakil得出的液滴相对速度、温度和蒸发量随时间变化的曲线。液滴的初始直径为50um，温度为283K，速度为30m/s可以将蒸发分为两个阶段，开始是不稳定阶段，随后是稳定阶段。2023/2/542假设下面的这些关于热气体中液滴蒸发的假设经常会用到，因为它们能极大的简化问题，主要原因是排除了处理质量传递的必要，而且仍与实验结果符合得很好。1、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。2、蒸发过程是准稳态的。这意味着蒸发过程在任一时刻都可以认为是稳态的。这一假设去掉了处理偏微分方程的必要。3、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。2023/2/5434、液滴内各处温度均匀一致，而且假定该温度是燃料的沸点，Td=Tboil

。在许多问题里，液体短暂加热过程不会对液滴寿命有很大影响。而且许多严密的计算证明，液体表面温度只比液体在燃烧条件下的沸点略低。这一假设去掉了求解液相（液滴）能量方程的必要，而且更重要的是，去掉了求解气相中燃料蒸气（组分）传递方程。这一假设的隐含条件是Td>Tboil

。在我们随后的分析中，当我们去掉液滴处于沸点这一假设后，你会发现分析起来会有多复杂。5、我们假设二元扩散的Lewis数具有一致性（=D

）。这使得我们可以使用以前介绍过的简单的Shvab-Zeldovich能量方程。2023/2/5446、我们还假设所有的热物理属性，如热传导系数、密度、比热等都是常数。虽然从液滴到周围远处的气相中，这些属性的变化很大，但常属性的假定使我们可以求得简单分析解。在最后的分析中，对平均值合理的选择可以得到相当精确的结果。液滴的稳态蒸发静止介质中的传热和传热具有相似性液滴蒸发问题，属于斯蒂芬流问题，因此简单的相似关系就不存在了，但可以通过参数变换的办法，来描述传热和传质过程，保持相似性，称为“广义雷诺比拟”。界面处的能量平衡在稳定蒸发的条件下，，热平衡方程式7-19简化为：设r=R处的气相温度梯度为，Kg为界面处气相导热系数，为界面处法向质量流量（即蒸发速度），根据傅立叶定律和Q的定义，传入液面的热流强和迁移出来的质量流强之间的关系：热扩散率，带入上式得：定义无量纲温度（标准温度）考虑到T∞是常数，则7-21b可改写为：该式为界面处传质速度和温度梯度间的关系。界面处的组分平衡燃料从液滴向自由流中的迁移，是单向扩散过程。自由流中的空气虽然通过扩散作用向液面迁移，但不能穿过液面，而燃料的迁移则由扩散和对流两部分组成。此式为传质速度和质量分数梯度间的关系液滴中燃料组分F减少的质量界面处的对流迁移的物质流率界面处的扩散速度描述液滴蒸发的微分方程在稳态、定常物性和无燃烧的情况下，用球坐标系表示的液滴蒸发能量守恒方程为组分守恒方程为引入标准温度和标准质量分数及连续方程，上面两式可改写为导热、扩散引起的对流引起的对于壁面或者自由流，有如下边界条件：r=R时当r=∞时，在传热和传质过程之间，其边界条件的表达式在形式上完全相同，路易斯数Le=1，即αg=DF，则能量方程和组分方程就完全一样了。燃烧问题中，常做如此假设。b称之为“守恒变量”方程的求解求解二阶常微分方程需要两个条件，另外还有界面传质速度和温度两个未知量，需要四个边界条件，前面的边界条件提供了三个，另外一个可以从液面处气液两相平衡的热力学关系得出，即利用饱和蒸汽压和温度的函数关系给出补充条件假设Le=1，即，对求坐标下的蒸发能量方程式（7-30）进行积分，得：利用壁面处的边界条件求出该常数故上式变为：分离变量积分得：当时，等式右端第一项趋于零，于是可定积分常数C，得出b随r的分布为：当r=R时，b=bW，由上式可求出蒸发速度为：

b随r变化的显式表达式：

对于不同的（b∞-bw）值，（b-bw+1）与（1-R/r）的变化关系如图所示（b∞-bw）的值决定着b的大小，此值称为“驱动力”或“传质数”，

“Spalding数”。用B表示，r=

∞时，bT∞=bD

∞=0。则B=-bW再考虑到b的定义和Le=1的假设，B的表达式：静止介质中单滴的蒸发对于球体：

当液滴对气流的相对速度很小，即u=0是，方程可简化为换热系数h0具有导热系数与热边界层厚度（静膜厚度）之比的含义，设δs代表静膜厚度，则：，带入上式，

则在静止介质中有：即围绕圆球和热边界层的厚度应使球壁上的温度梯度等于围绕液滴的边界层示意图如图所示。实际上这种对称分布的边界层只有在没有流速、也没有浮力的条件下才可能存在。应用热扩散率的定义带入到蒸发速度公式中，得传质方程传热因子热力学因子从能量角度考虑：从组分角度考虑：假设路易斯数等于1，即BT=BD四个未知数，三个方程根据燃料表面上的液相和蒸汽间的相平衡，用克劳修斯-克拉贝隆方程把饱和蒸气压表为温度的函数，作为另一个补充条件假设混合物为理想气体，则分密度之和等于总密度，分压之和等于总压力BT和BD都已表示为了TW的函数。把TW作为参考量，得出曲线如图所示，再利用BT=BD的条件，由两图线的交点即可求出界面处的BD和TW，因此，wFW也可求出。BT（TW）是TW的线性函数，斜率为负值，与横坐标轴相交于T∞。当TW=0时，饱和蒸汽压pFW=0，因而wFW=0，于是BD=-wF∞/wFR当TW等于沸点TB时，pFW等于总压，因此wFW=wFR，此时BD=∞，因此在Tw≈TB时，BD的变化就很剧烈事实上，在物理上驱动力不可能无穷大，表明蒸发液体表面不可能达到沸点温度，而只能趋近于它当T∞》TB时，BT和BD的曲线决定的界面温度TW几乎等于TB，如图所示，当T∞《TB时，BT和BD的曲线决定的界面温度TW几乎等于T∞，如图所示，把相当于T∞时的饱和蒸汽压带入：蒸发液体的表面温度总是低于其沸点温度，但当环境温度远大于沸点温度时，Tw将接近于TB，wFW相当接近wFR，闪瞬蒸发现象就是这种情况下引申出来的。莱顿弗莱特斯效应（视频）负的BD，表示从环境自由流向液体的传质。雨滴增大等冷凝现象液滴蒸发时间相对静止的介质中，小的球形液滴的蒸发速度前面已求出，式7-37，有此式可以估算出已知直径的液滴完全蒸发所需要的时间，称为液滴存在时间或液滴蒸发时间。

液滴蒸发过程中质量的减小速度，等于通过表面的蒸发速度液滴直径越小，液滴直径的变化率越大液滴直径的平方随t成线性变化，D2定律，直径越大，蒸发时间越长，较轻的燃料，高的气体导热性和低的气体比热容可使蒸发常数增大，从而缩短蒸发时间。D2定律：液滴直径的平方对时间的微分是一个常数。因此D2随t线性变化，斜率为-(8k/lcpg)ln(Bq+1)，如图所示。该斜率被定义为蒸发常数,λ或K：液滴的不稳定蒸发在液滴喷入高温气体中时，开始的一段时间内，液滴的温度、蒸发速度等都是随时间变化的。时间虽然不长，但在内燃机中却不容忽视，因为对于高速内燃机来说，喷油燃烧的时间本来就只有几个ms的时间。描述这一变化过程,必须用到偏微分方程,如果用常微分方程描述,必须对物理模型做进一步的简化,若液体的导热性比气体大很多,液体内部的温度可以认为是均匀的.总蒸发流强:7-597.3液雾的运动喷雾模型单相流：康明斯模型，和栗模型两相流：CDM模型和DDM模型

喷雾模型柴油机喷雾是由尺寸各异的大量细微油滴、燃油蒸气与空气组成的两相混合物，液相的存在使得气相射流模型不能模拟和反映喷雾的物理本质，因此在多维模型中以两相流喷雾模型为主CDM（连续液滴模型）和DDM（离散液滴模型）连续液滴模型则不仅把流体相作为连续介质，同时也把颗粒相视为拟连续介质或拟流体，认为后者在空间中有连续的速度、温度等参数分布及等价的输运性质(黏性、扩散和导热等)，因而称为欧拉-欧拉法或双流体法离散液滴模型把流体相作为连续介质，以欧拉方式研究其流场，而把颗粒(液滴)相作为离散体系，格朗日运动坐标系研究颗粒或颗粒群在流场中的动力学和热力学特性(如颗粒轨道及其传热传质过程等)，故可称为欧拉-拉氏法。二者的共同点是，它们都从燃油喷雾具有气液两相结构这一基本事实出发，着重模拟发生在气液交界面上的相互作用，即两相之间的质量、动量和能量交换过程。为此，必须同时求解两相的各控制方程，但二者求解的思路和方法是完全不同的

CDM模型是通过统计力学中的Louville守恒原理，得到表达所有液滴的运动方程，大多数情况下方程包括不少于8个独立变量，即三个空间坐标、时间、液滴半径、液滴速度矢量的三个分量。此法可以为喷雾场提供全面详尽的描述，然而由于其工作量太大，现阶段难以应用于实际工程问题。目前，研究和应用的重点放在DDM方法上。DDM模型基于蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法，考虑离散液滴中一个有代表性的样本(液体包)，用拉格朗日方式跟踪这些油滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组常微分方程。液滴对气相的影响则在气相守恒方程中加入相应的源项来考虑。这种模型的优点是，能较好地描述液滴的状态及液滴与气相之间的相互作用，并且能够消除液相流动求解中的数值扩散所引起的误差。由于液相控制方程成为液滴控制方程，简化为由液滴质量、动量和能量守恒方程组成的常微分方程组，采用简单的Runge－Kutta法即可求解。对气相流场的求解按其物理观察坐标的不同通常可分为Eulerian法、Lagrangian法和Eulerian-Lagrangian法喷雾过程的多维数值模拟喷雾过程的多维数值模拟主要是依靠两相流和统计力学的理论，从而得到气液两相流中的气相流场和液相流场参数随时空的变化。多维模型则可以很好的模拟整个过程。燃油射出喷孔后发生一系列互相耦合的物理过程，历经初次破碎、二次破碎，同时还经历拉伸、碰撞、聚合、湍流扩散、蒸发等过程或者还发生喷雾碰壁，从而逐步与空气混合。初次破碎在靠近喷嘴且Weber数很高的情况下发生，不仅与液、气两相的交互作用有关，还与喷嘴内部的流动现象如湍流和空化有关。二次破碎在远离喷孔的喷雾下游发生，与喷嘴的类型关系不大，主要取决于外部空气动力作用。常用的破碎模型如WAVE模型、TAB模型、ETAB模型、FIPA模型、KH-RT模型等。

不同蒸发模型比较上图:为不同CA对应的油束发展（从左上至右下依次为714CA，718CA，740CA，756CA，每一图左侧的蒸发模型2，右侧为1）下图为：两种模型某一曲柄转角的当量比切面图（上部蒸发模型为2，下部蒸发模型为1）初期喷雾发展很类似，后期蒸发模型为2时，喷雾前段显得更细，而且在整个阶段都维持比较稳定的位置，而蒸发模型为1时，油束则逐步向燃烧室壁面发展，贯穿距离较远，并且会碰壁，因此在壁面的燃烧也更严重。蒸发模型为2（开启蒸发模型）时，贯穿小，散布角小，蒸发强烈。2的蒸发能力更强但混合气并没能很好地利用蒸发模型1：关闭蒸发模型蒸发模型2：开启蒸发模型不同蒸发模型比较山东大学内燃机研究所当蒸发模型为2(编号0)时，最大爆发压力减小大约1MPa，累积放热量减少682J，液体质量的变化趋势基本相同但峰值要小一半（都出现在716CA）。而在瞬态放热率上，虽然初期上升规律一致，但蒸发模型为2时的放热率峰值要低很多，甚至低于扩散燃烧的峰值。因为压缩比很高所以，滞燃期很短，所以预混合的柴油也较少，导致预混燃烧的放热率峰值不是太高，大部分都被扩散燃烧消耗掉了。不同破碎模型比较山东大学内燃机研究所0ModifiedKH-RT：KH机理负责初次破碎，破碎形成的子液滴的二次破碎则决定于KH和RT的竞争。3KH：液滴的破碎时由于气液两相之间的相对速度导致交互面上KH不稳定波的增长而使液滴从液体表面分离。8RT：在气液界面的法向上也存在由于两相之间密度的巨大差别而产生的惯性力，从而会引起另一种扰动波：RT波。这种波的不稳定增长导致液滴分裂雾化的。11KH-RTBreakupLength：允许用户指定一特征长度，在此长度范围之内，KH不稳定性决定液滴的破碎，而在超出此范围之外，则是KH和RT之间的竞争决定液滴的破碎。15TAB：基于弹性力学理论将液滴的破碎和弹簧系统类比得到的。然而TAB模型适宜于低韦伯数射流，对于特别高的韦伯数，喷雾液滴散落分布，用弹簧质量系统类比是不适合的。不同破碎模型在不同破碎模型比较山东大学内燃机研究所（从左至右依次为编号0、3、8、11、15.从上至下依次为716CA，726CA，740CA，754CA和760CA）0ModifiedKH-RT：与KH类似。3KH：与ModifiedKH-RT相比，蒸发更快，贯穿距离也相对小一些，因此燃烧向壁面的传播收到抑制。8RT：8个喷孔的发展很不均匀，而在喷雾燃烧后期，贯穿距离才又逐步加长。11KH-RTBreakupLength：使得破碎机制分区。该模型的各喷孔发展均匀性较好，贯穿距