第八章 扩散燃烧

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7日主讲人:李国祥教授博导白书战副教授博士

第八章

扩散燃烧柴油机的燃烧属于扩散燃烧，燃油边蒸发，边燃烧。液滴蒸发是燃烧的前提，本章首先介绍单个液滴的燃烧，然后是气相燃料射流的燃烧。8.1空间油滴的着火和燃烧高温中的油滴，一方面从周围介质中吸收热量，一方面汽化。在油滴附近的燃料浓度场、温度场都是变化的燃料浓度在液滴表面处最大，逐渐向外扩散与空气混合而变小温度则在油滴表面处最低逐渐随远离油滴而提高与浓度和温度相对应，着火温度也有相应的变化。在温度和浓度匹配最恰当处，着火温度应有最小值。TA为环境温度TB为油滴温度TAB为扩散层温度pB为油蒸汽分压TZ为着火温度某时刻，混合气焰前反应产生热量，使周围温度上升的比单纯靠传热快，超过Tz处，发生着火，着火形成的火焰面与油滴表面有一定的距离，这个距离与燃料挥发性等因素有关。油滴的燃烧油滴的着火过程就是油滴边蒸发、边燃烧的过程假设火焰面内只有燃料而没有氧，在火焰外部只有氧而没有燃料。即火焰面是位于混合气化学当量比出，而且化学反应可在瞬间完成。假设火焰位置是稳定的，因此燃烧速度和蒸发速度相等，而对燃烧速度的研究，就转化成对液滴在火焰包围下蒸发速度的研究。球坐标下的守恒方程能量方程组分守恒方程燃料氧产物连续方程扩散项对流项源项对于球坐标中的守恒方程，8-1至8-4，比液滴蒸发过程的方程中多了“源项”。该项是由于燃烧而产生的。施瓦勃-泽里多维奇变换：经过变换，从形式上将添加的源项消去，获得同样的规范化方程，与第七章无燃烧时形式一致。

8-10边界条件：气液分界面上的能量平衡方程和表示组分守恒的方程，不论是否发生燃烧，都会成立

8-11同理，可以得出组分守恒方程和其边界条件，通式如下：上式中的b可以为bFT，bOT，bPT经过泽尔多维奇变换后，有燃烧时变量b的守恒方程及其边界条件均与无燃烧时一致，因此可以用无燃烧时的情况下求出b。传质速度的表达式8-11以上推导的中心思想是把能量方程和组分守恒该方程，通过变换消去化学反应中的源项，得到综合参数的方程，使其在形式上与无化学反应时完全相同。在燃烧学文献中，这种变换成为泽尔多维奇变换。燃烧速度：扩散燃烧室边蒸发边燃烧，蒸发速度决定了燃烧速度，因此燃烧速度就是蒸发速度传质的速度表达式8-16若求出驱动力（传质数）B，就可求得传质表达式，也就知道了燃烧速度B的算法：利用BFO=BOT和饱和蒸汽压方程仿照无燃烧时的方法求B；也可以用近似的方法求B8-20提高燃烧速度的方法：减小d，提高介质温度，富氧，提高燃料温度火焰位置假设在火焰处，燃料和氧化剂的浓度为化学计量比将其带入8-14求解，得火焰壳半径或燃烧速度大时，即B大，火焰离燃烧表面较远。液体燃料的火焰永远不能达到液体表面。对于烃类燃料，若其中不包含气体，则wFR=1，f=0.32，则火焰壳半径：压力增加使火焰壳半径稍有降低，但使燃烧速度稍有增加温度分布火焰面内R<r<rc,wO=0,bOT和T有一一对应的关系，因此T可有bOT推出8-25b火焰面外rc<r<r∞,根据bFT的定义和火焰外没有燃料的特性，即wF=0,推出8-27火焰面上，r=rc,8-28成立的假设：气体比热容与温度和组分无关燃烧焓与温度无关路易斯数为1与第一章提出的绝热火焰温度对比一下，设有fwO∞克的燃料与单位质量的空气组合并反应，其最终的火焰温度可用能量平衡求得如下：fwO∞克的燃料释放的能量为△HfwO∞J，能量用于如下三个方面：提高单位质量的空气的温度提高燃料蒸汽的温度将液体燃料变成界面上的燃料蒸汽按此推出的能量方程与8-28完全相同，因此扩散火焰和预混火焰的物理过程虽不同，但最高火焰温度确是相同的。燃料和氧的质量分数分布火焰内没有氧，火焰外没有燃料R<r<rC，wO=0，rC<r<

∞,WF＝０燃料质量分数分布8-31氧质量分数分布8-32液滴燃烧时间燃烧速度计算时，传质数B按照无燃烧时的推导，液滴直径随时间的变化规律：燃烧时间t：燃烧常数的数量级一般为10-2cm2/s,燃料化学结构所发生的很大变化，对燃烧常数并不构成系统的影响。8.2高温壁面处油滴的着火和燃烧液滴和壁面碰撞，可能会出现两种情况：壁温较低时，湿壁碰撞，液滴可以粘附在壁面上壁温较高时，比湿润碰撞，超过了雷登弗罗斯特温度，出现闪瞬蒸发，液滴脱离壁面此外，若液滴接触壁面时有一定的速度，则根据韦伯数的不同来定义，它代表惯性力和表面张力之比。ρ为流体密度(kg/m^3)，v为特征流速

(m/s)，l为特征长度

(m)，σ为流体的表面张力系数

(N/m)不湿润碰撞下，若韦伯数小于15，液滴在表面张力控制下仍可保持球形，若韦伯数大于150，将出现液滴破碎。液滴寿命与壁温的关系液膜蒸发区沸腾蒸发区过渡区球形蒸发区试验表明，环境温度、环境压力、和壁面的粗糙度等都对液滴寿命有影响着火延迟期随壁温的变化着火与壁面蒸发有密切的关系，不过两条线并不重合8.3油雾燃烧油雾中滴群的燃烧要比单滴燃烧复杂的多单滴来说，环境温度、氧气浓度、和相对速度均可视为不变滴群中则存在油滴间的相互干扰，这三者都是随时改变的有人企图应用人工排列的方式模拟滴群，但与真实喷雾相差甚远，只能部分说明问题真实喷雾中，液滴直径不同，速度不同，着火和燃烧的时刻也不同，而且在整个油雾的不同区域内，油滴的密集程度也不同油滴的密集区域，可能出现一个火焰包围多个油滴的情形，而不再是一个火焰面包围一个油滴，在稀疏区则不同。在液滴小，挥发性好，环境温度高的条件下，可能在油滴周围尚未出现火焰之前就蒸发完毕，就不会出现火焰包围油滴的现象油雾的燃烧特征是与包括燃烧设备工作状态在内的各种因素有关的实验研究发现，可以观察到连续蓝色背景和黄色光道曝光时间越短，黄色光道越短若降低空气预热温度，则黄色光道部分所占比重较大，蓝色背景变得不连续当空气燃料比足够大，空气预热温度很低且雾滴较大时，只剩下蓝色光道。蓝色背景可认为是由于已蒸发的燃料蒸汽和空气在燃烧前已混合好而形成的预混合火焰，黄色光道则是液滴群扩散燃烧形成的二者的比例与燃烧条件有关轴对称的空气雾化喷嘴上进行的喷雾燃烧表明，整个火焰可大致分为三个区域最外侧的稳定火焰，可观察到火焰群在闪光、熄灭最内侧的A区有液滴存在中间的B区几乎不存在液滴，只是由A区供给的可燃气（主要是CO）来燃烧详细参数研究表明，并不是滴群中每个油滴都被火焰包围，二是在接近单纯蒸发的状态下汽化，燃料蒸汽作为一个整体进行扩散燃烧，形成喷雾火焰在采用压力雾化喷嘴进行的试验中，发现其燃烧速度比气体火焰速度快这种现象的一种解释为，液滴在穿过高温介质时边蒸发，边运动与介质混合，在气流中留下了与液滴直径一样粗细的流线，其均匀混合速度较快，因此燃烧速度也高，在气流的紊流程度很小，油滴和气体的相对速度很大时，这种效果更加明显8.4紊流射流的基本性质和计算射流对于内燃机的燃烧问题有重要的参考价值有些喷雾模型就是以气体射流理论为基础的在讨论喷雾燃烧时，喷雾火焰和气体扩散火焰在物质成分和温度的分布上很相似。因此研究气体扩散火焰对解决喷雾火焰的问题有重要意义紊流射流的基本性质射流是流体以高速流入环境流体中，并和环境流体相互作用形成的一种流动现象特征是具有巨大的横向速度梯度和强烈的横向动量、热量和质量的交换如果周围没有限制，称为自由射流根据流动的状态分为层流射流和紊流射流半宽度转捩截面射流核心初始段，基本段，极点射流中无量纲速度u/u0等值线在基本段形成喷焰形状无量纲速度u/um等值线则是一簇通过极点的直线这表明u/um的值知识比值y/x的函数这意味着如果用无量纲值u/um和y/b描述射流场，则个截面的速度分布应有相同的形状。阿伯拉莫维奇得出的射流横断面上的速度分布为：射流中心速度沿x轴方向变化为：射流外边界直线方程可表示为：上述经验公式描述了一些基本计算方法，但研究燃烧时，需要微分方程及其求解方式才能解决紊流射流的基本方程及求解设圆柱形自由射流的坐标如图所示，忽略体积力，假设物性是常量且为定常流动的情况下，圆柱坐标系下的质量守恒方程为：动量守恒方程：组分守恒方程：能量守恒方程：假设：Pr=Sc=Le这样以上守恒方程就都具有同样的形式，并且边界条件也是相同的由于各守恒方程具有同样的形式和边界条件，则具有同样的解Um随x的变化表达式：射流宽度：速度分布：卷吸速度：8.5气体射流中的扩散燃烧射流扩散燃烧是一个相当复杂的问题目前已有多种模型可以进行数值模拟，并在不断完善中求解简单射流扩散燃烧问题，可在不带化学反应的射流解的基础上进行。设燃料通过圆形喷口喷射进入环境气体氧中进行燃烧，燃料形成的射流如下图所示该燃烧过程受扩散过程的制约，燃料和氧气在边界层中相互扩散，在燃料和空气处于化学当量比的位置上燃烧最为迅速，理想的燃烧区可视为无限薄的区域（火焰面），对于氧或者燃料，这个面都是不可渗透的，在火焰的燃料一侧不存在氧，在氧气一侧不存在燃料假设：忽略辐射热损失忽略体积力忽略物性随温度和组分的变化其守恒方程，边界条件与无燃烧的射流基本一致火焰形状燃料和氧以化学当量比在扩散火焰面上相遇并发生反应，因此在火焰面上燃料和氧气的浓度均为0，在喷嘴出口处，仅存在燃料：以上两式带入其射流燃烧解中，既得火焰面形状，它是经泽尔多维奇变换后的某一综合参数bFO的等值分布线，与氧或燃料组分的某一等值线想对应。环境气体的不同或化学当量比不同时，等值线的位置也就不同。火焰高度：令式中r=ro=0，可得圆形的紊流火焰定点至喷口的距离，意即紊流火焰高度xo为层流紊流层流火焰高度与燃料容积供给率成正比，与扩散系数、化学计算因子意即空气纯度因子成反比。右图为不同条件下的层流火焰高度与燃料容积供给率的关系相同容积供给率条件下，在氧中的燃烧的射流火焰要小的多紊流火焰高度与燃料容积供给率无关，而与喷嘴直径成正比，与常数系数、化学计算因子、空气纯度因子成反比考虑到层