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燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧[精]

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高等燃烧学-6液体燃料的燃烧

高等燃烧学-6液体燃料的燃烧

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：
d m (或 d 1)0 n id i n i
表面积平均直径：
d m ( 或 sd 2)0 n id i2
n1 /2 i
体积平均直径：
d m ( 或 v d 3)0 n id i3 n i1 /3
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
第二节 燃油雾化过程 燃油雾化现象
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化过程
1. 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 2. 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对
二、离心喷嘴理论
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
二、离心喷嘴理论
空气涡核
离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程
p1 2fu x 21 2fu 2p in 1 2fu i2n H 0 co . nst
第三节 燃油雾化装置－喷嘴 离心喷嘴
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，

燃烧学 6液体燃料的燃烧

燃烧学 6液体燃料的燃烧

6液体燃料的燃烧6.1液体燃料的燃烧原理✧液体燃料的燃烧方式：主要为扩散燃烧✧液体燃料的燃烧过程：先蒸发气化为油蒸汽，进而进行均相燃烧。

（1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧）✧液体燃料燃烧特点：1、扩散燃烧2、非均相燃烧✧液体燃料与气体燃料的不同点：液体燃料在与空气混合之前存在着蒸发气化过程✧液体燃料在在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，可将其燃烧分为，液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧、雾化燃烧。

✧燃油雾化燃烧：油的雾化油滴的蒸发油滴的燃烧过程✧雾化燃烧：用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。

✧雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。

✧液体燃料雾化的目的（为什么用雾化、为什么说雾化过程是液体燃料燃烧的关键）：（P185）✧雾化性能及质量的评定主要指标：（P185）✧雾化过程的几个阶段：（P185）✧雾化角等概念（P186-P191好好看看）✧常用雾化方式及装置：①机械雾化、介质雾化、混合式雾化、组合式雾化。

②✧配风器的作用（任务）：P195✧配风原理及配风器应该满足的要求：P196-P197✧合理的稳焰技术：P203✧对于重油燃料，燃烧器应？P204✧加强液体燃料的燃烧方法：P201（1）加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器；（2）增加空气与油滴的相对速度。

相对速度越大，越有利于燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧；（3）及时、适量供风及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解；适量供风，提高燃烧效率。

（4）供风原则少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止油在高温下热分解；保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢；在着火区制造适当的回流区，保证着火；燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩散角相适应。

6液体燃料的燃烧概要

6液体燃料的燃烧概要
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

燃烧学讲义-第6章油滴燃烧分析解析

燃烧学讲义-第6章油滴燃烧分析解析
α
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
32
火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr

07液体燃料的燃烧解读

07液体燃料的燃烧解读

闪点计算
（1）波道查公式；
t f 0.6946 tb 73.7
（2）利用液体分子中的碳原子数
(t f 277.3) 10410 nc
2
5、 粘度与凝固点
燃烧方式
液体蒸发成燃料蒸汽，再与氧气完 成扩散燃烧过程：蒸发是关键。 预蒸发燃烧； 表面燃烧； 雾化燃烧。
预蒸发燃烧
表面燃烧
液体燃料的燃烧
蒸发 液体
气体 ＋ O2 燃烧
液体燃料的性质
1、蒸气压：
在给定温度下，液体和其蒸气处于 平衡状态时，蒸气所具有的压力， 称为饱和蒸气压（蒸气压）。
蒸气压主要由液体的性质（液体分子间的 作用力）和温度决定。 克劳修斯-克拉佩龙方程（与温度的关系）：
LV ln P C RT
kJ / m 2 sec
kJ / m 2 sec
即
d T W g ( ) dr Q W Lg g d CPS T ( ) dt Q
g ∵ Lg g CPg
∴
• 以下是传质速度的求解过程：
定义无因次温度
bT
CPS (T T ) Q
dbT dr dYF ) D F dr
∵T 为常数
∴
W L g g
（3）
同理，对组分 F 的通量按 Stefen 流考虑
W YFR W YFw ( g
即
W g
YF d ( DF dr YFw YFR )
定义无因次浓度
YF YF bD YFw YFR
∴
W gD F
液体在一个设定的表面蒸发，然后完成扩 散燃烧过程。 ——煤油灯； ——煤油炉； ——蜡烛。

工程燃烧学

工程燃烧学

二、介质雾化喷嘴（气动式雾化喷嘴）
蒸汽作为介质，可以在雾化同时降低油的粘度，进入喷 嘴的燃油粘度较高时，仍能保证雾化质量，
空气作为介质时，空气压力低，雾化质量较差。
低压喷嘴（3x103~1x104Pa） 高压喷嘴（1x105Pa以上）
1. 低压空气雾化喷嘴
采用鼓风机供给的空气作为雾化介质，喷嘴前风压 低，一般为(5.0~10.0) ×103Pa，高的可达12.0×103Pa。
以平均直径表示雾化细度，工程上两种表示方法：
（1）中间直径法（d50或dMMD） 液雾中大于或小于这一直径的两部分液滴的总质量相等。
（2）索太尔平均直径法（dSMD） 假设油滴群中每个油滴直径相等时，按照所测得的所有油
滴的总体积V与总表面积S计算出的油滴直径，故又称体面积
平均直径。
d SMD
Nidi3 Nidi2
（2）雾化方法
机械式雾化 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，
通过喷油嘴喷出。直流式、离心式和转杯式。 介质式雾化
靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化。 根据其压力的不同，分为高压雾化、中压雾化和低压雾化。 组合雾化
两种雾化方式有机结合起来。
6.2.2 雾化性能及评定指标
（1）雾化过程
雾化过程：
燃油从喷嘴喷出时形成液 流，由于初始湍流状态和 空气对油流的作用，使油 流表面发生波动，在外力 作用下，油流开始变为薄 膜并被碎裂成细油滴。
已分裂出的油滴在气体介质中还 会继续再分裂。油滴在飞行过程 中，受外力（油压形成的推进力、 空气阻力和重力）和内力（内摩 擦力和表面张力）作用，只要外 力大于内力，油滴便会产生分裂。 直到最后内力和外力达到平衡， 油粒不再破碎。

燃烧学-第六章

燃烧学-第六章

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。
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。 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 按该原理工作的雾化器有：直流式、离心式和转杯式
中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于
dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总
体积与总面积之比。
18
（2）雾化角
出口雾化角
19
（3）燃料的流量密度分布 单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
20
（4）喷雾射程 喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
21
（5）雾化均匀度 积分表示法 将大于某一直径d的所有液滴的质量占全部液滴质量的 百分数表示成液滴直径的函数。 微分表示法 将直径在d和d＋Δ d之间的所有液滴的质量占全部液 滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。
7
四、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器 液体 小液滴 悬浮 边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化 （2）易蒸发的液体－－汽化器

第6章(液体燃料燃烧)(4)

第6章(液体燃料燃烧)(4)

1
2013/12/5
油滴蒸发扩散方式： 油气分子扩散 油气以某一速度进行质传递，即对流扩散---斯蒂芬 (Stefan)流
稳态下单个油滴的燃烧模型
• 油滴为均匀对称球体； • 油滴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， 油滴表面温度接近饱和温度； • 忽略对流与辐射换热；只考虑导热 • 忽略油滴周围的温度场不均匀对热 导率和扩散系数的影响；
式中： λ 、 λr－分别为油蒸汽和油滴的热导率 T－为液滴周围气体的温度
2
2013/12/5
另一方面，油滴燃烧过程中直径不断减小
式中， ρr－油滴密度；
联立后得到：
δ－油滴直径
液滴燃尽时间：
k－蒸发常数
或者改写为：
上式称为油滴燃烧的直径平方-—直线定律，该定律说明： 油滴直径的平方随燃尽时间的变化呈直线关系 当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽 时间为：
一 液体燃料雾化的基本理论
雾化液体燃料的原因:增加液滴进行反应的比表面积，增强 与氧气的混合，强化液体燃料燃烧 雾化方法： • 气体介质雾化：空气、蒸汽以一定的压力，高速冲击油流， 使其雾化。 • 机械雾化：靠液体本身的压力喷入相对静止的空气中或以高 速旋转的方式使油流加强扰动，脉动而破裂，从而被雾化。
5
2013/12/5
6 . 3 液体燃料的雾化
1ml的燃油，表面积约为245mm2。若雾化成40μ m油滴，油滴 总数为2.99×107个，其表面积为1.5×106 mm2。表面积增大 5090倍。 有了足够大的表面积，有利于导热（吸热）、扩 散。 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。
一般液体燃料燃烧有液面燃烧, 液雾燃烧。燃烧常发生于气相, 是扩散燃烧, 燃烧速率和液体密度成反比。 液面燃烧：在辐射与对流的作用下，液体表面被加热，导致 蒸发加快，溶液液面上方的燃料蒸气浓度增加并与空气混合 而发生的燃烧。常为灾害或事故燃烧形式。 液雾燃烧：本身又有预蒸发燃烧, 液滴扩散燃烧以及二者的混 合。 对液雾燃烧而言, 研究液滴的蒸发和燃烧是十分重要的。

6液体燃料的燃烧课件

6液体燃料的燃烧课件
（4）滴间气体燃烧加液滴蒸发式燃烧：
油滴均匀性差、油滴群密度大，较小油滴预蒸发式燃烧，滴 间蒸发燃烧的大油滴在到达火焰区时未完全蒸发，应避免。
6.1.3 液体燃料的燃烧过程
（四）油滴群燃烧速度常数 与单油滴燃烧速度常数不同，油滴群燃烧速度常
数与压力有关且有所增大；
（五）油滴群燃烧的特点 油滴群燃烧的火焰传播主要借助于油滴的不断着
6.2.3 雾化的方式及常用雾化装置
液体燃料雾化主要有两种方式：机械雾化和介质雾化，还有兼有 这两种方式特点的组合型雾化方式。
6.2.3 雾化的方式及常用雾化装置
6.1.3 液体燃料的燃烧过程
完全燃烧，油滴的燃尽时间：
b

d02 k
油滴燃尽时间与液滴初始直径的平方成正比。
（6-16）
可见，液体燃料雾化质量（液滴尺寸）对燃烧过程具有决定性影响 。
油滴与空气间有相对速度时，燃烧速度常数为：
k2 k(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
（6-17）常
将喷油嘴出口处喷雾炬外包络线的两条 切线之间的夹角定义为出口喷雾角。

雾化角是油喷嘴雾化性能的主要指
标之一。

一般应根据燃烧室的尺寸和燃料
与空气的混合条件来合理选择雾化角。
6.2.2 雾化性能及质量的评定
6.2.2 雾化性能及质量的评定
喷雾锥角和喷孔锥角
dt
dr
RTV
分子扩散项 对流扩散项
dm/dt—单位时间内油滴对周围介质的扩散量（质交换）；
Tv、Pv、ρv—油滴表面附件的燃油蒸汽温度、压力和质量浓度；
D—扩散系数；
r、F—油滴半径和表面积；
u—油蒸汽离开油滴表面的对流速度。

燃烧学讲义-第6章油滴燃烧

燃烧学讲义-第6章油滴燃烧
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

燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧

燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧
火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油 滴内部燃料浓度ff0为常数。
• 蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。 • 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本ห้องสมุดไป่ตู้程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
• 上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律
– 该定律说明：油滴直径的平方随时间的变化呈直线关 系
– 当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的 燃尽时间为：
r
d
2 0
k
4.4液雾燃烧
一、液雾的燃烧
• 工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组
成的液雾在燃烧
• 有必要掌握液雾燃烧的基本概念 • 了解液雾燃烧过程中配风的基本原则
燃烧学
一、斯蒂芬流定义
• 在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相
界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为 多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形 成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或 化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产 生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的 扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩 散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现 象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现的，故称Stefan流。
二、油滴蒸发模型
二、油滴蒸发模型
• 忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃
烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。
• 由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射

燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧

燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧
导数项 度。
f1 y
f H2O D0 r0 y 0
为界面上水蒸气沿水面法线方向的浓度梯
f1 y
<0，故J1,0>0 因此水蒸气的扩散是流向水面上方。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
二、水蒸发时的斯蒂芬流
200
300
400
d(mm)
4.4.3液体的雾化
F
条件雾化角2a2
• 雾化指标
出口雾化角2a1
– 雾化角 • 出口雾化角：在喷口出口处做雾化锥外边界切线， 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x为半径 （通常为200mm）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 两条连线间的夹角的一半称为条件雾化角
二、水蒸发时的斯蒂芬流
• 假设：
– A-A为一水面，水面 上方为大气空间， 水面A-A处为水与空 气的相分界面，在 相界面上只有水蒸 气和空气两种气体 组分，以 f1 和 f2 分别 表示水蒸气和空气 的质量相对浓度。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
在相界面处有：
J H2O,0
式中， J1,0为界面处水蒸气的扩散流； D0为分子扩散系数； r0为气体平均密度；
• 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本方程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
基本方程变换为
由方程的相似性变换可得
求解
积分
求解蒸发速度
求解蒸发时间
结果
6.4液滴的燃烧
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； 燃烧及快，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。 – – – –

燃烧理论与基础 06第六章 液体燃料燃烧

燃烧理论与基础 06第六章 液体燃料燃烧
第六章 液体燃料燃烧
第一节 液体燃料燃烧特性
一、燃烧方式

液体燃料的燃烧方式可分为两类：一类为预 蒸发型；另一类为喷雾型。
二、重油燃烧过程

当重油油滴进入高温炉膛空间后，油滴被烟 气加热。

蒸发出来的油汽在足够高的温度下燃烧。 油滴燃烧所需时间主要由两段组成：重油油 滴蒸发产生的油汽燃烧所需时间，及其焦炭 核燃烧所需时间。
三、雾化性能参数

一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性 能。即雾化气流（或称雾化锥）中液滴群的 雾化细度、雾化气流的扩张角度（雾化角）、 雾化气流的流量密度分布、射程及流量等。 其中雾化细度、雾化角和流量密度分布较常 用。
1、雾化细度

雾化气流中液滴大小各不相同，液滴直径越 小则总表面积越大，蒸发、混合及燃烧速度 也就越快。
二、乳化油燃烧

乳化燃料燃烧是个复杂的过程，对其节能降 污机理较为成熟的解释是乳化燃料燃烧中存 在的“微爆”现象和水煤气反应，也就是从 燃烧的物理过程和化学过程来解释。

乳化油燃烧过程的物理作用即所谓“微爆” 作用。
图6-14 普通油和乳化油的燃烧过程

化学作用即水煤气反应。在高温条件下，部 分水分子与未完全燃烧的炽热的炭粒发生水 煤气反应，形成可燃性气体，反应式如下： C+H2O → CO+H2 C+2H2O → CO2+2H2 CO+H2O → CO2+H2 2H2+O2 → 2H2O
2

相对静止环境中液滴完全蒸发所需的时间τ0为：
d 02 0 K
K 8 g ln1 B cp 4qm d 0

称为直径平方－直线定律。

燃烧学第六章

燃烧学第六章

将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr） T r dr 积分 dT

r
T0
4
C p T T0 H

1
r0
r2
Cp 4 Tr T0 qm ln 1 1 1 H Cp r r 0 1
2013-7-13
三 斯蒂芬流例题
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
18
三 斯蒂芬流例题
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
19
6.2 液滴的蒸发
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
20
一、静止气流中的油滴特点 6.2 液滴的蒸发
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
39
三、油雾的燃烧规律 6.4 液雾燃烧
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
40
四、液体的雾化 6.4 液雾燃烧
• 雾化液体燃料的原因 – 增加液滴进行反应的比表面积，增强与氧气的混合， 强化液体燃料燃烧 • 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 • 雾化原理 – 介质雾化：空气、蒸汽以一定的压力，高速冲击油 流，使其雾化。 – 机械雾化：油流高速旋转，脉动而破裂，同时与介 质作用，加强雾化。
2013-7-13
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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五、强化油燃烧的途径
• 加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器 • 增加空气与油滴的相对速度。相对速度越大，越有利于燃 料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧 • 及时、适量供风 – 及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解 – 适量供风，提高燃烧效率 • 供风原则 – 少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止 油在高温下热分解 – 燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩 散角相适应 – 保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢 – 在着火区制造适当的回流区，保证着火

热动燃烧学第6章燃烧与燃烧设备

热动燃烧学第6章燃烧与燃烧设备

1、射流扩散火焰
射流扩散火焰：
从管口喷出的气体燃料的火炬火焰燃烧 天然气管道泄露引起的灾害性火焰燃烧 开口油池表面燃烧 发动机中的射流燃烧
气体燃料射流扩散燃烧过程:
气体燃料与氧化剂的混合 混合物的加热\着火 混合物的燃烧
气体燃料射流扩散燃烧的分类:
射向空间情况 自由射流火焰 \ 受限射流火焰
度
分裂 长度
射流速度
图4-17 火焰的类型随气流速度的变化
吹升曲线
与层流相比，湍流射流扩散火焰的特点:
湍流射流扩散火焰前沿为颤动的\皱折的\破裂的 不易测定火焰高度 目前的数据多不准确
湍流射流扩散火焰前沿厚度较宽, 并处于激烈脉动之中 如果采用时间平均值绘制某横断面的温度\速度\浓度 分布, 图形与图2类似
喷嘴气流结构 直喷射流火焰 \ 旋转射流火焰
喷嘴之间的几何关系 平行射流火焰 \ 相交射流火焰 环形射流火焰 \ 同轴射流火焰
按照喷嘴几何形状 平面射流火焰 \ 圆柱射流火焰
按照流动状态分类 层流射流火焰 \ 湍流射流火焰
u
T YF
YOX
自由射流和自由射流扩散燃烧的特征
自由射流（如图所示）
弱旋转射流根据轴向速度分布有两种形式：
一种是旋流强度很小，轴向速度分布与自由射流相仿，呈高 斯型，并具有相似性
Chigier 和Chervinsky 用切向进气旋流器做的实验曲线：
s值小于0.416时，速度分布呈高斯型
在x/d0=2时，速度分布就出现相似性，比自由射流更靠近 喷口
原因是旋转射流的势核区(初始段)破坏的更快
当旋转射流的旋流强度增加时，沿轴向的反向压力梯度大到 足以发生反向流动，并建立起内部回流区，这时的旋转射流 叫做强旋转射流

6液体燃料的燃烧

6液体燃料的燃烧

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
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– 该定律说明：油滴直径的平方随时间的变化呈直线关 系
– 当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的 燃尽时间为：
r d02 k
4.4液雾燃烧
一、液雾的燃烧
• 工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组
成的液雾在燃烧
• 有必要掌握液雾燃烧的基本概念 • 了解液雾燃烧过程中配风的基本原则
二、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 – 液滴强烈蒸发，燃烧，在界面上产生向外的质量流，
斯蒂芬流，不能忽略 – 液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧
r1
– 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
r0
率和扩散系数的影响；
– 忽略斯蒂芬流。
Tr T0
C0
r dr
液滴燃烧模型
• 推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系
对于半径为r的球面，由热量平衡可知：
4 r2 d dT rq mC pT T 0H
油的气化潜热
导热率
油的流量
油滴表面温度，假设 等于油的饱和温度
将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分
Tr4
dT
T0
Cp T T0
H
r1 dr r r0 2
qm

4
Cp

1 r0

1 r1

ln1

Cp H
Tr
T0

液滴燃烧模型
假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个 球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即
式中：
4r2D dC/dr = bqm
D——氧的分子扩散系数；
C——氧的浓度；
b——氧与油的化学计量比。
将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：
C 4DdC 0

r1 bqm
dr r2
r1

bqm 4DC
4.3液滴燃烧模型
消去r1，得：
qm 4r0Cp ln1CHp Tr T0DbC
k
8
rr

Cp
ln1CHp Tr
T0DbC
式中，rr——油密度；
d——液滴直径
则：
qm
• 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
CmHn 缺氧 xC+yH2+Cm-xHn-2y
三、喷雾型燃烧的要点
– 蒸发良好 – 供氧充分
6.3油滴的蒸发
一、静止气流中的油滴特点
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。
二、喷雾型燃烧的特点
• 液体燃料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：燃烧速度高 油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度
燃烧学
第6章
液体燃料的燃烧
6.1 Stefan流
一、斯蒂芬流定义
• 在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相
界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为 多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形 成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或 化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产 生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的 扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩 散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现 象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现的，故称Stefan流。
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
二、油滴蒸发模型
二、油滴蒸发模型
• 忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃
烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。
• 由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射
传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。
• 燃料蒸气在表面处的浓度ffs大于环境中的浓度ff∞，故燃料蒸气由y油滴表面向
基本方程变换为
由方程的相似性变换可得
求解
积分
求解蒸发速度
求解蒸发时间
结果
6.4液滴的燃烧
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；
– 燃烧及快，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；
火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油 滴内部燃料浓度ff0为常数。
• 蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。 • 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本方程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
二、水蒸发时的斯蒂芬流
• 假设：
– A-A为一水面，水面 上方为大气空间， 水面A-A处为水与空 气的相分界面，在 相界面上只有水蒸 气和空气两种气体 组 分 ， 以 f1 和 f2 分 别 表示水蒸气和空气 的质量相对浓度。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
二、水蒸发时的斯蒂芬流
三、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
6.2液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
– 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。 – 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

krrd
4
4.3液滴燃烧模型
另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小
联立后得到
燃尽时间 或者改写为
qm

rr
d
d

6
d
3
Biblioteka r r2d
2
dd d
2ddd kd
d d 2 kd


d
2 0
d 2
k
d
2

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k
4.3液滴燃烧模型
• 上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律