燃烧学-51扩散燃烧及火焰

扩散燃烧火焰类型气体扩散燃烧火焰液体燃料的喷射燃烧火焰基本概念扩散火焰高度燃料雾化的喷射特性单液滴燃烧油雾燃烧燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧燃料膜的蒸发燃烧第五章扩散燃烧及火焰

（diffusioncombustion）

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，单液滴燃烧模型喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点单液滴燃烧模型的建立与求解喷雾燃烧观察与分析概念扩散燃烧基本概念燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称为扩散控制燃烧，扩散燃烧，其火焰称为扩散火焰。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和燃料与氧化剂混合的过程。根据燃烧过程进展条件的不同：燃烧过程化学动力燃烧

（混合速度大于燃烧速度）扩散燃烧

（混合速度大于燃烧速度）基本性质：控制燃烧速率的是混合过程的快慢。（更为常见）分类气体扩散燃烧扩散燃烧液体喷雾燃烧层流扩散燃烧（分子扩散）湍流喷雾燃烧（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：a）自由射流火焰

(freejetflame)

b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰）

(concentricjetflame)

c）逆向喷流扩散火焰

(counter-flowdiffusionflame)

层流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰优点：不会发生回火现象，稳定性又好，在燃烧前又不必要把燃料与氧化剂进行预先混合，操作方便，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

扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中，燃料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点燃后相互接触。着火前燃料气和空气分子的扩散过程着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散

在具有理论燃烧剂量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃烧表面。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。

实验现象富氧扩散火焰：火焰表面逐渐收缩到圆管的轴线上，成为圆锥形火焰。贫氧扩散火焰：空气中的氧气不足，这时火焰扩展到外管的壁上形成喇叭形的。

同心圆管内的扩散火焰

空气燃料空气1-富氧火焰2-贫氧火焰现象解释：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能稳定。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。二、扩散火焰高度

1.实验观察

火焰特征随气流喷射速度的变化

层流扩散火焰推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的燃料质量M2成比例。2.数学模型火焰高度喷管尺寸（直径d）流率（u）

（5-2）湍流扩散火焰

用湍流涡团扩散系数ε代替（5-2）式内的层流扩散系数D，即：（5-4）

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L/d=定值。实验结果证实了这一点。

5.3液体燃料的喷射燃烧火焰

燃烧气态蒸发燃料雾化原因：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烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性能好的要求。

因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧性质及燃烧效率都有重要影响。一、燃料雾化的喷射特性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。液体燃料的喷射雾化方法用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内；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；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。燃油的破碎机理通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱(stream)或锥形空心油片(sheets)；在油柱或油片的表面出现波纹和扰动；在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面形成油线或空洞；

油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴；由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力，气体动力，表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，分散成小油滴；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油束(spray)。喷雾特性燃料喷射到静止空气中的影像

空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角，输送的空气或氧气的速度场等)；喷射横截面上的液体分布；雾化液体的液滴大小；雾化液体液滴大小的均匀性。

θ喷油器LB1.喷雾油束的空间形状油束锥角(sprayangle)——喷油嘴孔口处油束外包络线的两条切线之间的夹角Sitkei给出的经验公式：

θs喷油器LB增大喷射压差则流出喷孔燃油流速增大，使Re增加，造成增大。增加喷孔直径与喷孔通道长度比也可增大。

喷雾油束的贯穿距离(spraypenetration)——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雾油束的贯穿距离。

经验公式：分析：1°喷射压差↗：u0

↗L↗2°喷孔直径d0

↗：液滴直径dp

↗L↗

3°ρa、μa

↗：空气阻力↗L↘

4°ρf、μf

↗：液滴直径dp↗

L↗

2．喷雾油束的燃油分布特性

燃油分布特性：通过给出燃料浓度沿油束横截面径向分布和沿油束轴线分布的规律来反应。燃料浓度分布

：rx轴线上：横截面径向上：Cfm——r=0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，通过试验来确定。浓度分布特点：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

液滴的平均直径：衡量雾化程度的指标。

经验公式（柴油机）：总体积及表面积平均直径

[索特（Sauter）平均直径]算术平均直径

体积平均直径

表面积平均直径

（最为通用）4.喷雾油束中液滴尺寸分布特性

液滴尺寸分布特性：喷雾液滴尺寸大小及各种尺寸的液滴数量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函数关系表示。液滴尺寸分布曲线——液滴数量的微分分布。常用的喷雾油束液滴尺寸分布函数有：(1)罗森(Rosin)—瑞姆勒(Rammler)分布函数；(2)拔山—棚泽分布函数。液滴直径液滴数量液滴直径二、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：1）油滴的蒸发燃烧

——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。（蒸发速度、燃烧速度）2）油滴的热解和裂化——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）；未蒸发前剧烈受热，发生裂化，产生焦粒或沥青（重油烧嘴的“结焦”现象）。高温气流中液滴的蒸发蒸发模型假设(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，燃料浓度和温度随离开液滴中心的距离作线性变化。理论计算1°质量蒸发率对于半径为r

的球面，由热量平衡可知：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r求导数：对球形火焰区积分，即从r0到r（r≤r1），从T0到T（T≤T1）：（5-19）导热热量被用作蒸发热，则：（5-20）式(5-20)代人式(5-19)中，并在r0到r（r≤r1），从T0到T（T≤T1）间积分：

（5-20）2°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间，这个时间称为蒸发时间或油滴生存时间，油滴蒸发时间对燃烧室设计来说是一个很重要的参数。对于半径为r0的油滴，其质量：（5-22）（5-23）对r0微分：将式(5-21)代人：（5-24）r1>r0，故可以忽略：

（5-25）将上式自0到t，r0到r之间进行积分：

（5-26）（5-27）（5-28）——蒸发常数

油滴的燃烧过程

油滴燃烧示意图根据油滴扩散燃烧理论获知，油滴的燃烧速度决定它的蒸发速度。

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关系：

（5-30）氧与燃油的化学当量比从无穷远处(r=∞)与火焰面(r=r1)之间积分：（5-32）（火焰锋面的位置）

将式(5-32)代人式(5-21)中并求解：（5-33）——直径为2r的油滴在燃烧时，从油滴表面上蒸发的油汽量，也就是它在单位时间内在焰面中燃烧掉的燃油量。式中T1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。令：（5-34）（5-35）（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其重量燃烧速度，即：（5-36）式(5-35)和式(5-36)联立：（5-37）

——直径平方直线规律从0到t，d0到d的范围内积分上式，得经过t时间燃烧后所剩余的油滴颗粒大小：

从初始直径为d0的油滴燃烧到直径为d所需的燃烧时间：油滴燃尽

所需的时间：结论：油滴燃烧所需时间与油滴初始直径平方成正比，故燃料雾化质量对液体燃料燃烧的影响是很大的。三、油雾燃烧油雾——由许多粒度不等的油滴组成。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。液雾燃烧的特点液滴大小不均匀；液滴有一定速度，处于强迫流动；除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热；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；液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧气扩散，一般使燃烧速度变慢；小液滴易燃尽，大液滴不易燃尽。油雾的燃烧规律轻质油基本符合直径平方—直线定律；重质油（重油）燃烧时首先受热产生碳黑壳，接着内部气化、膨胀、破裂，再燃烧，但最终总结果，燃尽时间基本符合直径平方—直线定律关系。油雾燃烧的三种形式(a)油滴之间距离很远时的燃烧(b)表示“初态油滴群燃烧”