液体燃料燃烧

液体燃料燃烧第1页，共75页，2023年，2月20日，星期六第一节液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧系统1、供油系统2、供气系统3、燃烧系统第2页，共75页，2023年，2月20日，星期六第一节液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧特点1、扩散燃烧2、非均相燃烧液体燃料燃烧过程1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧第3页，共75页，2023年，2月20日，星期六第二节燃油雾化过程燃油雾化现象第4页，共75页，2023年，2月20日，星期六第二节燃油雾化过程燃油雾化现象第5页，共75页，2023年，2月20日，星期六第二节燃油雾化过程燃油雾化现象第6页，共75页，2023年，2月20日，星期六第二节燃油雾化过程燃油雾化过程液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。第7页，共75页，2023年，2月20日，星期六第二节燃油雾化过程油珠破碎过程气动力表面张力第8页，共75页，2023年，2月20日，星期六第二节燃油雾化过程油珠破碎准则油珠破碎两种力：外力：气动力、惯性力内力：表面张力、粘性力第9页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴一、喷嘴类型直流喷嘴离心喷嘴气动喷嘴旋转喷嘴第10页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴直流喷嘴特点：结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便雾化角小，雾化质量差多用于加力燃烧室、冲压发动机等第11页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴离心喷嘴特点：雾化锥角大，雾化质量好采用双油路，可获得更大的供油能力第12页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴离心喷嘴第13页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴气动喷嘴特点：雾化质量高排气冒烟少贫油熄火范围窄可采用特殊的气化剂第14页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴其它喷嘴第15页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴一、喷嘴类型第16页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论流体为无粘性的理想流体；不计喷嘴内部流动的径向分速度；喷嘴处于最大流量状态工作。基本假设：

1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论：第17页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论第18页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程

根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为

不计粘性时，流体的动量守恒，故有

空气涡核第19页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆形，其值为

取轴向长度为1的环形微元体，其质量为

微元体旋转时产生离心力正好与径向压力差相平衡，故有

轴向速度第20页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论积分得

（与r无关）

第21页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用ε表示

在燃油与空气核的交界面上有

第22页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论空气核界上的切向速度为

又据连续方程有

A称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则

第23页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论为轴向速度系数

为流量系数

流量第24页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论最大流量原理

流量系数第25页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论雾化锥角雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定第26页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴二、离心喷嘴理论第27页，共75页，2023年，2月20日，星期六第三节燃油雾化装置－喷嘴三、离心喷嘴设计计算程序设计程序：1、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数A2、确定流量系数3、确定喷嘴的孔径4、确定喷嘴其它尺寸已知条件：供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性参数（密度、粘度）第28页，共75页，2023年，2月20日，星期六第四节燃油喷嘴的雾化特性一、油珠群的平均直径算术平均直径：表面积平均直径：体积平均直径：第29页，共75页，2023年，2月20日，星期六第四节燃油喷嘴的雾化特性一、油珠群的平均直径Sauter平均直径：质量中间直径MMD：大于与小于MMD的油珠质量各占50%。第30页，共75页，2023年，2月20日，星期六第四节燃油喷嘴的雾化特性二、油珠群的尺寸分布积分分布：小于（或大于）给定直径的油珠所具有的质量M占油珠群总质量M0的百分数

微分分布：直径在范围内的油珠质量所占有的百分数

第31页，共75页，2023年，2月20日，星期六第四节燃油喷嘴的雾化特性三、油珠群几种典型分布Rosin-Rammler:P(psi)均匀指数第32页，共75页，2023年，2月20日，星期六第四节燃油喷嘴的雾化特性三、油珠群几种典型分布Nukiyama-Tanasawa:正态分布：第33页，共75页，2023年，2月20日，星期六第四节燃油喷嘴的雾化特性四、计算SMD的经验公式离心喷嘴在静止空气中雾化：离心喷嘴在气流中雾化：直流喷嘴在静止空气中雾化：第34页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧蒸发或燃烧时的油珠温度Twb为蒸发平衡温度（或湿球温度）第35页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧Stefan流在油珠表面：为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反向的流动称为Stefan流。且有：在油珠表面上净空气通量为零

第36页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧Stefan流Stefan流－点源：第37页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧Stefan流Stefan流存在的条件：在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个过程要求表面排除或吸入净的质量流上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成第38页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧高温环境中相对静止油珠的蒸发速率物质交换系数：扩散项Stefan流项第39页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧高温环境中相对静止油珠的能量平衡加热油珠至蒸发温度油珠蒸发加热油蒸气第40页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧相对静止油珠的燃烧第41页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧相对静止油珠的燃烧在火焰面上：rf的确定：第42页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧强迫对流条件下油珠的蒸发与燃烧折算薄膜：把一个真实的二维轴对称对流传热、传质问题转化为一个假想的等值球对称分子导热与扩散问题：1、不考虑蒸发和燃烧，把液滴看成只和气流有对流换热的固球2、不考虑对流的存在，只研究这个假想的有分子导热和扩散的球层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸发和燃烧速度第43页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧直径平方定律及油珠的寿命设任一瞬间的油珠直径为d，经过时间后直径减小d:直径平方定律油珠寿命第44页，共75页，2023年，2月20日，星期六第五节油珠的蒸发与燃烧直径平方定律及油珠的寿命在强迫对流条件下：第45页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧油雾燃烧的特点油雾中的每一个油珠所处的环境（温度与浓度等）随时间、空间不断变化两颗油珠体系：随着滴间距离的减小，燃烧常数先增加后减小；多油珠体系：中央燃烧常数高，四周低。1、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高，燃烧过程加速。2、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓。第46页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧油雾燃烧模型预蒸发型燃烧滴群扩散燃烧复合燃烧气相燃烧加液滴蒸发第47页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧油雾燃烧模型预蒸发型燃烧雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。

加力燃烧室第48页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧油雾燃烧模型周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），进入燃烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，此时反应动力学因素影响不大。

滴群扩散燃烧燃气轮机内燃机第49页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧油雾燃烧模型复合燃烧介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧发生作用。火箭发动机冲压发动机第50页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧油雾燃烧模型部分预蒸发型气体燃烧加液滴蒸发

部分小油珠已经蒸发完毕，另一部分液滴进入火焰区时其直径已过小而着不了火，只能蒸发，因此没有滴群扩散火焰，只有部分预混的气体火焰。工业炉第51页，共75页，2023年，2月20日，星期六第六节油雾燃烧滴群扩散燃烧Probert滴群扩散燃烧模型：影响燃烧效率的因素：均匀油珠群：1、雾化细度2、燃烧常数3、均匀指数第52页，共75页，2023年，2月20日，星期六第七节乳化油及其燃烧基本概念燃油与水在少量乳化剂及乳化装置的搅拌下形成稳定、均匀的油水乳化液。乳化油目的1、提高燃烧效率、节约燃料2、降低污染类型1、油包水型HLB＝2~62、水包油型HLB＝12~18HLB－乳化剂的亲憎平衡值HLB＞20亲水、不溶于油HLB＝0不亲水、只溶于油第53页，共75页，2023年，2月20日，星期六第七节乳化油及其燃烧乳化油的燃烧特点1、二次雾化2、水的催化作用碳氢燃料在高温缺氧条件下下析碳，水气对析出碳粒有催化作用：第54页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气（涡）轮（发动）机第55页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气（涡）轮（发动）机第56页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气（涡）轮（发动）机第57页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室第58页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室作用：主燃烧室：把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高温度，然后流向涡轮膨胀做功。加力燃烧室：利用经涡轮膨胀后燃烧室燃烧所剩余的氧气再补充喷油燃烧，提高气流温度，增加做功能力，使发动机增加推力。燃料的化学能热能机械能动能大气第59页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室工作特点：1、进口气流速度高，组织燃烧困难。2、燃烧室容积小，且要求在短时间内发出大量的热3、出口气流温度受到限制4、要求工作范围宽第60页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室要求：1、点火可靠点火高度：8~9km，补氧后：12~13km2、燃烧稳定不熄火不产生破坏性的振荡燃烧第61页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室要求：3、燃烧完全燃烧完全系数：燃烧效率：第62页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室要求：4、出口温度场符合要求除点火过程外，火焰不得伸出燃烧室。沿涡轮进口环形通道的圆周方向温度均匀沿叶高温度分布：第63页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室要求：5、压力损失小损失因素：摩擦损失、扩压损失、小孔进气损失、掺混损失、热阻损失等。总压恢复系数：阻力系数：第64页，共75页，2023年，2月20日，星期六第八节典型液体燃料燃烧装置航空燃气轮机燃烧室要求：6、尺寸小、质量轻7、排气污染少8、寿命长第65页，共75页，2023年，2月20日，星