液体燃料讲义雾化与燃烧概述

R
2
]
dbD dr

0
bT bTW
bD

bDW

WW

g g
dbT dr
W

WW g Dg
dbD dr
W
bT bD

bT bD
0 0
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 g DF ，对求坐标下的蒸发能量方程式
（7-30）进行积分，得：
ggr 2
db dr
[WWR2 ]b

cons(与r无关的常数）
利用壁面处的边界条件求出该常数
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。
B cg (T TW ) (wF wFW ) l cl (TW TR ) (wFW wFR )
1
1
0
Nu

h0d kg

2

0.6
ud vg
2

vg
g
3
s R
h0d 2 kg
h0 kg s

连续方程: 连续方程: 4πr02 ρ 0 v 0 = 4πr 2 ρv = G 动量方程: 动量方程: 扩散方程 能量方程
2．基本方程及求解
p = const
2
G —总蒸发速率
（液滴与环境无相对速度） 液滴与环境无相对速度）
df i d df i 2 4πr ρv − (4πr Di ρ )=0 dr dr dr
水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流， 水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流，即Stefan流。 流
22
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
C + O2 → CO 2
12
碳表面
32
44
f O2 + f CO2 = 1
( ∂f O2 ∂y )0 = −( ∂f CO2 ∂y )0
23
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
氧扩散流
（1）液滴与环境无相对速度，只有Stefan流引起 的球对称一维流动； （2）忽略热辐射和热解离（例：CH4→C+2H2）； （3）过程是准定常的，即不考虑液面的内移效应； （4）火焰面为一几何面，火焰面上 f f = f ox = 0 。
28
2．基本方程及求解
基本方程（球坐标下） （1）基本方程
2
—单位质量液体的蒸发热 单位质量液体的蒸发热， q e = L + C l (T0 − Tl ) 单位质量液体的蒸发热
df i 2 − 4πr0 Di 0 ρ 0 ( ) 0 + 4πr0 f i 0 ρ 0 v0 = f il (4πr02 ρ 0 v0 ) dr
气体扩散流 Stefan流 流 携带的该组分 液体蒸发引起的 液滴消耗量
bD = bT = b
bT ≡ C P (T − T∞ ) qe 2

前面的计算只考虑导热，未考虑对流等相对运动。考虑相对运动 后，油滴与周围气体间热量和质量交换增强，燃油蒸发加快。
考虑相对运动后，油滴蒸发常数k2：
k2 k1(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
SC—施密特数，即气体介质运动黏度v与扩散系数D的比值； Re—雷诺数，Re=ud0/v，适用于Re=0~200。 不同直径油滴在不同空气温度下的蒸发速率对比见图6-4和表6-1
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对难蒸发或蒸发速率要求高的液体燃料，像柴油、重油等， 采用预热或高压喷射实现雾化；
由于喷雾的动态特性本质 上是大量单一液滴蒸发特 性的统计总和，故深入理 解单液滴的蒸发特性是研 究喷雾的必要前提。
6.1.2 液体燃料的蒸发过程
（1）单个油滴的蒸发
雾化
燃烧
单油滴吸热 温度升高 蒸发（气化） 混合 燃烧
是使液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时放出的一部分 热量加热管中的燃料，使其蒸发，然后再像气体燃料那样进行燃烧。 （4）雾化燃烧
是利用各种形式的雾化器将液体燃料破碎雾化为大量直径为几 微米到几百微米的小液滴，并使它们悬浮在空气中边蒸发边燃烧。
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对不同液体燃烧，根据其蒸发的难易程度采用不同的雾化方式。 易蒸发液体，采用汽化器或低压喷射；
6 液体燃料的燃烧
6.1 液体燃料燃烧原理 6.2 液体燃料的雾化过程及装置 6.3 配风原理及装置 6.4 液体燃料雾化燃烧的组织及布置
6.1 液体燃料燃烧原理
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
液体燃料有哪些
液体燃料为什么要雾化?
液体燃料的燃烧方式和过程 ?
雾化
气化
混合
燃烧
根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点 液面燃烧

Pw—回油压力（回油管上回油调节 阀之前）
一、回油雾化器
设计方法：
Gmin 喷孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积） 1、Pwl=0状态： GB 回油孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积）
算出最大回油量GB、最小喷油量Gmin，则最大进油量= GB+ Gmin
2、 Gmax（点）由最大负荷决定。
二、蒸汽—机械雾化器
3 2
A的关系见图4-2。
一、机械雾化器
雾化角：出口处油雾两侧 边缘边界切线的交角。
tg

2

(1 ) 8 (2 1 )
一、机械雾化器
对流量系数，经验公式有 : A 东锅： 0.125 (公式适用范围:G 300, 且A 0.5 ~ 3.0) 30 热工所： 0.88 哈锅： 0.815
(4-25)
式中，、 、、 、、均为与雾化器结构有关的常数。 西安热工所试验得到相关经验公式。见（4-24）
Y 形雾化器的雾化粒度、雾化角均由试验确定。
• 据新华社北京奥运专电(记者高鹏) • 北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、 大风等极端不利条件。在珠峰之巅漂亮地燃烧， 举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚 着无数智慧与辛劳。早在2001年7月13日北京申 奥成功，航天科工集团就成立了一个科技奥运领 导小组。2006年1月17日，北京奥组委正式致函 航天科工集团。委托其就奥运火炬珠峰燃烧技术 进行科研攻关，迄今已两年多。
wz=常数
一、机械雾化器
喷孔势位流动的中心处是一个空气漩涡，其直径是根据最大流量 的原则来确定的。 根据最大流量原则，就可以定出喷孔截面上扣除空气漩涡后的充 满度：

碳粒燃烧
碳粒表面气体消耗速率计算：
W k Cb
反应气体向反应表面的扩散速度：
W扩 C0 Cb
稳定燃烧时：
W W扩
W 1 1 k 1 C0
碳表面气体（氧）燃烧反应速 度：
碳粒燃烧
C 碳的燃烧速度： KS m
1 1
1 k 碳的燃烧减少量：dG 4 r 2 r dr
2 2 0

g r r 2 ln1 BT 2a( ) ln1 BT c p, g L L
g
油粒燃烧时间
用油粒直径表示：D 2 D 2 8 0 进一步简化：
g
c p,g L
ln1 BT
D 2 D02 k D 2 D02 k
蒸发速率
C p T TL mv 4rs ln 1 Cp Ll

油粒的蒸发与燃烧
C p T TL mv 4rs ln 1 Cp Ll C p T TL （传输系数）

令 BT
Ll
BT无因次准则－推动势
碳粒燃烧
碳粒燃烧过程的 5个环节：
（1）氧分子扩散到达碳的表面 （2）氧被碳吸附，形成活化络合物CXOY。 （3）CXOY在高温下分解为CO2和CO，也可与氧发生 反应形成CO2和CO。 （4）燃烧产物（CO2、CO）从固体炭表面解吸（脱 离吸附） （5）解析后的燃烧产物（CO2、CO）从固体表面向 周围扩散。
煤的燃烧方式
旋风燃烧
燃料悬浮于旋转空气中的燃烧方式。
旋风炉燃烧特点
改善了空气和燃料混合条件，延长了燃料在燃烧室内逗留时 间，燃烧强度达，燃烧温度高，炉温达1600~1700℃； 液体排渣，飞灰大大减少； 积灰严重； 液态灰渣热损大。

1、雾化角 喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称
为喷雾锥角。α
喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥， 喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并 形成扩展的气流边界。
图5-9 雾化角示意图
条件雾化角。以喷口为圆心，距离r为半径（大流量喷嘴r 取100~150mm；小流量喷嘴r取40~80mm ）作弧，与边界线得
R 100 exp(bd1n ) R 100 exp[( dli )n ]
dlm R：液滴群中，颗粒直径大于dli的质量分数 n：均匀系数，一般数值2~4。 愈大，均匀性好
dlm：特征尺度（相当于 R 36.8% 时油滴直径）
dli：与R相应的液滴直径
雾化均匀度较差，则大液滴数目较多，这对燃烧是不 利的。但是，过分均匀也是不相宜的，因为这会使大 部分液滴直径集中在某一区域，使燃烧稳定性和可调 节性变差。最有利的雾化分布应根据燃烧设备类型、 构造和气流情况等具体条件而定。
1、压力式雾化喷嘴
• 压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。它可以用在航空 喷气发动机、燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。
工作原理：液体燃料在一定压力差作用下沿切向孔（或槽） 进入喷嘴旋流室，在其中产生高速旋转获得转动量，这个转 动量可以保持到喷嘴出口。当燃油流出孔口时，壁面约束突 然消失，于是在离心力作用下射流迅速扩展，从而雾化成许 多小液滴。
5、控制雾化的量纲一的数——韦伯（Weber）数
液滴的变形和碎裂的程度取决于作用在液滴上的力和形成
液滴的液体表面张力之间的比值。
g 气体密度（kg/m3）
Weg
g d1(vl vg )2
vl、vg 液体、气体速度（m/s）
液体表面张力（N/m）
dl 液滴的直径（m）

N 3 3 V dSMD Ni dli 6 6
2 2 A N dSMD Ni dli
dSMD
2 N d i li
3 N d i li
（2）质量中间直径（MMD） 大于或等于这一直径的所有液滴的总质量与小于或等于 这一直径的所有液滴的总质量相等。
M
K1,0
K1,0
8g ln(1 BT ) c pg 1

4qml ,0
d1,0 1
0
2 d1,0
K1,0
第四节 液滴燃烧
液滴的燃烧模型
• 单个液滴的燃烧模型，假设： – 液滴为均匀对称球体； – 液滴随风飘动，与空气间无相 对运动； – 燃烧极快，火焰面薄； – 火焰温度较高，向内向外同时 传热，液滴表面温度接近饱和 温度，燃烧温度等于理论燃烧 温度； – 忽略对流与辐射换热； – 忽略液滴周围的温度场不均匀 对热导率和扩散系数的影响； – 忽略斯蒂芬流。
g dT qml,0 dr 2 4 r c pg (T T1 ) Qlg
边界条件
r r1, T Tbw r , T Tg
qml,0 1 g Tg ( )r1 ln[c pg (Tg T1 ) Qlg ]Tbw 4 r c pg qml,0 4 r1
3、气动式雾化喷嘴
• 气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利用压缩空气或高 压蒸汽为雾化介质，将其压力转化为高速气流，使液体喷散 成雾状气流。 • 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾化和蒸汽—机械 （压力）综合雾化两类喷嘴。
三、液体燃料雾化性能
• 一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性能。即雾化角、 雾化液滴细度、雾化均匀度、喷雾射程和流量密度分布等。 1、雾化角 喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称 为喷雾锥角。α 喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥， 喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并 形成扩展的气流边界。

二、喷雾型燃烧的特点
•液体燃烧的沸点低于着火温度,先蒸发后燃烧,总是燃烧其蒸气。 •燃烧过程分为三步: -蒸发：较慢 -混合：油蒸汽与氧相互扩散,较快 -燃烧：速度高 油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度 •加速液体燃料燃烧过程的基本措施 （1）加速液体燃料的蒸发过程 （2）加速液体燃料与空气的混合过程 （3）防止或减少液体燃料化学热分解
（3）使雾化的液滴尽量细。达到迅速蒸发和扩散混合，避 免高温缺氧区的扩大。
4.2 单个液滴燃烧模型
单个液滴的燃烧模型,假设： 液滴为均匀对称球体; 液滴随风飘动,与空气间无相对
运动; 燃烧非常快 ,火焰面薄; 火焰温度高,向内向外同时传热,
液滴表面温度接近饱和温度,燃 烧温度等于理论燃烧温度; 忽略对流与辐射换热； 忽略液滴周围的温度场不均匀 对热传导和扩散系数的影响; 忽略斯蒂芬流；
（b）转杯式机械雾化喷嘴
如图5-38所示，油通过空心轴进入一个高速旋 转(3000~6000转/分)的旋转杯的内壁。在离心力的 作用下，油从旋转杯的四周甩出。由于甩出速度 很高，使油雾化。在旋转杯四周还有一股由一次 风机鼓进的高速气流，同时促进雾化。
（c）蒸汽雾化喷嘴 蒸汽雾化喷嘴可分为纯蒸汽雾化喷嘴和蒸汽机
2、旋流式配风器
3、平流式配风器
4、配风回流区的稳焰特性
调风器应：
① 有根部风（在油还未着火燃烧 之前，在油雾根部已有一部分 空气混入油雾中，15~30%一次 风 ） —— 油 料 易 燃 ， 应 该 及 早 与氧气混合
② 早期混合要强烈——扩散燃烧， 应重点强化空气与油雾的混合
③ 有一大小位置适当的回流区— —防止脱火
•液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应,只能在表面蒸 发, 并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃烧,液体表面 无火焰,内部无火焰。 •液体燃料燃烧时,如果缺氧,会产生热分解

罗森-拉米勒分布（R-R分布）
剩余体积分数

D

R e D
索特平均直径可表示为
SMD D
1 1

n xn1exdx 0
上限分布函数（ULDF）
R 1 1 y e(y)2 d (y) SMD D Nhomakorabea1
1 ae 4 2
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。
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38
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。
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。
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。
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6、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。
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44
液滴的稳态蒸发
2020/1/21

二、雾化方式和喷嘴

按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分 为：压力式、旋转式和气动式等。前两种又 称为机械式雾化。如下图所示。
1、压力式雾化喷嘴

压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。 它可以用在航空喷气发动机、燃气轮机、柴 油机以及锅炉和工业窑炉上。根据使用的对 象、容量以及其它具体情况，这种喷嘴可以 采用不同的结构形式和压力范围，如表6-1所 示，但他们的工作原理是相同的。
雾化过程可分为以下几个阶段： 液体首先由喷嘴流出形成液体柱或液膜； 分离为液体碎片或细丝，液体碎片或细丝收 缩成球形液滴； 大液滴进一步碎裂成小液滴。

液滴的变形和破碎的程度取决于作用在液滴 上的外力和形成液滴的液体表面张力之间的 比值，此值常用维泊（Weber）数（或称破 碎准则）来表示。其定义为：
3、气动式雾化喷嘴


气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利 用压缩空气或高压蒸汽为雾化介质，将其压 力转化为高速气流，使液体喷散成雾状气流。 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾 化和蒸汽—机械（压力）综合雾化两类喷嘴。


纯蒸汽雾化的供油压力用得较低，甚至只需 用高位油箱的压头即可，这种喷嘴常用在小 型工业锅炉上。 蒸汽—机械喷嘴则在电站锅炉上用得较多， 其油压、汽压接近，约在0.5~2.0MPa，它依 靠油流和蒸汽具有的能量将燃油破碎成油滴， 故要求的油压可以比机械雾化喷嘴低，汽耗 率也较低。
措施
1、强化液体燃料的蒸发过程 2、强化液体燃料与空气的混合过程 3、防止或减少液体燃料化学热分解（热裂解）
第二节 液体燃料雾化理论

液体燃料的雾化是液体燃料喷雾燃烧过程的 第一步。
一、雾化原理

雾化过程就是把液体燃料破碎成细小液滴群 的过程。

18
控制雾化的准则数——韦伯数Weber number
W v2l
其中ρ为流体密度，v为特征流速， l为特征长度， σ为流体的表面张力系数。 韦伯数代表惯性力和表面张力效应之比，韦伯数 愈小代表表面张力愈重要，譬如毛细管现象、肥 皂泡、表面张力波等小尺度的问题。一般而言， 大尺度的问题，韦伯数远大于1.0，表面张力的作 用便可以忽略。
16
雾化原理
射流雾化：射流的紊流作用在射流表面的气动力 起主要作用，形成短波扰动，引起部分流体不断 从射流表面剥离而形成细小的液滴。随着射流速 度增加，会在波长较短的扰动波作用下产生射流 破碎，比低速射流破碎得更快，形成的液滴更细， 且液滴从射流表面分离的时间比低速射流时整个 流束破碎的时间短得多，几乎是在射流喷出后就 立即开始雾化，并在整个射流长度上连续进行。
（体面积平均直径）
8
粒度分布的表达形式
– 表格形式（离散） – 直方图（离散） – 函数形式（连续）
9
微分型（频率分布） 积分型（累积分布）
f
d
p
dFd p dd p
F d
p
dp
0
f
d
p
d d
p
f(d ) p
F(d ) p
0.25
1.0
R(d )
p
D(d )
0.20
0.8
p
0.15
0.6
0.10
积分分布
F d e
dp d
n
p
微分分布 f d p
n1
n d e p
dp d
n
dn
11
6.2.1 雾化评价指标 ② 雾化油滴均匀性
0.4
微分 分布

dR d(di )
nd
n i
1
dn
exp
di d
n
P ( psi )
第四节 燃油喷嘴的雾化特性 三、油珠群几种典型分布
Nukiyama-Tanasawa:
dN
d(di )
ad
2 i
exp
bdin
a、b为常数
正态分布： dR exp 2 y 2 dy
y ln(di / SMD) 为常数
火箭发动机 冲压发动机
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
第六节 油雾燃烧 滴群扩散燃烧
Probert滴群扩散燃烧模型：
n,
s
s d 2 /Kf
➢ 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
第六节 油雾燃烧 油雾燃烧模型
滴群扩散燃烧 周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），

5、液滴分离的基本原理 液体表面不断增大，直到它变得不稳定并破碎。
图5-3
液滴的分裂过程
液滴从液体产生的过程，依赖于液体在雾化喷嘴中 的流动性质（即是层流还是湍流）、给液体加入能 量的途径、液体的物理性质以及周围气体的性质。
5、控制雾化的量纲一的数——韦伯（Weber）数 液滴的变形和碎裂的程度取决于作用在液滴上的力和形成 液滴的液体表面张力之间的比值。
3、气动式雾化喷嘴
• 气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利用压缩空气或高 压蒸汽为雾化介质，将其压力转化为高速气流，使液体喷散 成雾状气流。 • 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾化和蒸汽—机械 （压力）综合雾化两类喷嘴。
三、液体燃料雾化性能
• 一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性能。即雾化角、 雾化液滴细度、雾化均匀度、喷雾射程和流量密度分布等。 1、雾化角 喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称 为喷雾锥角。 喷嘴出口处的燃料细油滴组成雾化锥， 喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并 形成扩展的气流边界。
2 2 ( v v ) d ( v v ) 作用于液滴表面的外力 g l g g 1 l g Weg 液滴内力
g 气体密度（kg/m ） vl、vg 液体、气体速度（m/s） 液体表面张力（N/m） dl 液滴的直径（m）
3
d1
上式表明，燃烧室中的压力增高、相对速度增加以及液体的 表面张力系数减小，均对雾化过程有利。
4. 喷雾射程
喷雾射程指水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所 能到达的平面与喷口之间的距离。雾化角大和雾化很 细的喷雾炬，射程比较短；密集的喷雾炬，由于吸入 的空气量较少，射程比较远。一般射程长的喷雾炬所 形成的火焰长度也长。

-1-
西北工业大学
航空发动机燃烧学课程组
《航空发动机燃烧学》
雾化特性参数
CONTENTS
-2-
1雾化细度
2液滴尺寸分部
3雾化锥角
4雾化均匀度
5流量密度分布
6雾化射程
质量中间直径(MMD d
m )
1
•液雾中大于这一直径的所有液滴的总质量恰好等于小于这一直径的所有液滴的总质量；
•MMD越小，真实液雾中的小颗粒所占的比例越大
雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线
d m与d32可能存在很大的差别，它
们之间存在一定的关系。

•雾化细度并不是越小越好。

•对于强化燃烧过程，雾化过细，
马上被气流带走，在某一区域形
成过浓的混合物；而在油滴无法
喷射到的地方，混合物的浓度却
很稀。

要求液滴直径在20~200 µm之间，且液滴的中间直径不大于75~100 µm
液滴的尺寸分布。

•液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应,只能在表面蒸 发, 并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃烧,液体表面 无火焰,内部无火焰。 •液体燃料燃烧时,如果缺氧,会产生热分解
如何防止和减轻高温下燃料油的热裂解？ （1）以一定的空气量从喷嘴周围送入，防止火焰根部高温、 缺氧而产生热裂解。 （2）使雾化气流出口区域的温度适当降低，即使产生热裂 解，也能形成对称性的分解产物。 （3）使雾化的液滴尽量细。达到迅速蒸发和扩散混合，避 免高温缺氧区的扩大。


介质压力：介质压力高，冲击力强，脉动大，雾化好
雾化喷嘴：喷嘴小，油膜薄，雾化好
旋转强度：旋转强，油膜薄，雾化好
油性质：粘度小，雾化好（油温高，粘度小）
三、液体的雾化


雾化指标
雾化细度 质量平均当量直径 索太尔平均当量直径 上式中 δ i---液滴粒径 mi---直径为δ i液滴对应的质量 ni---直径为δ i液滴对应的个数
三、液体的雾化

雾化角 出口雾化角：在喷口处做雾化锥外边界线,两切线间夹角的 一半为出口雾化角。 条件雾化角：以喷口中心线为圆心,距离r为半径作弧,与雾 化锥边界线有两个交点,连接喷口中心线与两个交点获得 两个连线,这两条连线的夹角的一半称为条件雾化角。
雾化喷嘴
（a）离心式机械雾化喷嘴 它也叫做离心式喷嘴。机械雾化喷嘴有很多种型式，图 5-37所示是应用最广泛 的切向槽式简单机械雾化喷嘴。如 图所示，它的主要零件是分流片3、旋流片2和雾化片1。油
第四章
液体燃料的燃烧
4.1 液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
（1） 预蒸发型燃烧 • 燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混 合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装有汽化器，燃气轮 机装有蒸发管。 • 此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。 （2）喷雾型燃烧 • 把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥 气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室 被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧。 • 动力行业多采用此种燃烧方式。

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
分数， R 1Vc
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。
罗森-拉米勒分布（R-R分布）
剩余体积分数

D

R e D
索特平均直径可表示为
SMD D
1 1

n xn1exdx 0
上限分布函数（ULDF）
R 1 1 y e(y)2 d (y)

SMD
D
1
1 ae 4 2
气有浩然，学无止境
内燃机燃烧学基础
主讲人:李国祥 教授 博导 白书战 副教授 博士
2020年1月21日
求真务实，开放拓新
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
平均粒径

不同蒸发时间下，蒸发速度不同，开始蒸发时 速度较快，接近完全蒸发时，速度较慢
液体燃料的蒸发过程
• （2）油滴群的蒸发
– 直径为d的单个油滴，经过时间t 后，剩余油滴直径和 体积
雾化均匀性差的，初 始蒸发速度快，但整 体蒸发时间长；雾化 均匀性好的，初始蒸 发速度稍慢，但整体 蒸发时间短
单个油滴的燃烧过程
灯芯燃烧
• 利用灯芯的毛细吸附作用将燃油从容器中抽吸上 来，并在灯芯表面生成油蒸气，然后油蒸气与空 气混合发生的燃烧 • 功率小，只用于家庭生活或其他小功率燃烧器， 如煤油灯、煤油炉等
蒸发燃烧
• 使液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时放 出的一部分热量加热管中的燃料，使其蒸发，然 后再像气体燃料那样进行燃烧 • 适合粘度不高、沸点不太高的轻质液体燃料
雾化均匀性好的初始蒸发速度稍慢但整体蒸发时间短单个油滴的燃烧过程油滴的燃烧速度由油滴的蒸发速度决定油滴的燃烧时间油滴的燃尽时间与油滴初始直径的平方成正比油滴群的燃烧根据油滴之间的统计平均距离大小可分为滴间燃烧和滴状燃烧油滴之间的统计平均距离较小油滴火焰面的半径较之油滴半径又很大时则每个油滴不可能保持自己单独的球状火焰面油气混合物在油滴间进行均相燃烧即滴间燃烧当油滴群中油滴间的平均统计距离大于油滴直径的20倍时着火后的油滴均可保持自己单独的球状火焰面如同单个油滴燃烧一样即滴状燃烧62液体燃料的雾化过程及装置雾化原理及方法液体燃料在通过喷嘴时被破碎成大量细小液体所组成的液滴群这个过程即为雾化增加燃料的比表面积加速燃料的蒸发气化并有利于燃料与空气的混合从而保证燃料迅速完全燃烧雾化目的雾化过程液体由喷嘴流出时形成薄片状液膜或流股由于流体的初始紊流状态和空气对液体的作用使液体表面弯曲和皱折在空气压力的作用下分裂为细丝或细环流靠表面张力的作用细丝或细环流分裂成颗粒在空气流阻及表面张力的共同作用下颗粒继续碎裂或聚合雾化性能及质量的评定?主要指标有流量特性流量密度分布雾化细度及均匀度雾化角调节比气耗率射程雾化性能指标流量特性油喷嘴单位时间内的喷油量随油压变化的规律控制热功率和操作参数的主要依据雾化性能最主要的指标之一雾化角油喷嘴出口处喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角aa条件雾化角雾化性能指标?雾化角是油喷嘴雾化性能的主要指标之一雾化角过大油滴会穿过湍流最强的空气区域而造成混合不良增加不完全燃烧损失降低燃烧效率同时可能造成壁面上结焦或积灰雾化角过小液滴不能有效地分布在整个燃烧室空间造成与空气的混合不良局部过量空气系数过大燃烧温度下降对着火和燃烧不利雾化性能指标雾化细度燃油雾化后形成的雾化炬中油滴的粗细程度雾化性能及质量的最主要的指标之一常用质量中间直径和索太尔平均直径表示直径越小雾化粒度越细雾化质量越好