第6章 液体燃料燃烧
【2017年整理】燃烧学复习重点
第一章燃烧化学反应动力学基础1、什么叫燃烧？2、浓度和化学反应速度正确的表达方法？化学反应速度如何计量？3、什么是单相反应、多相反应、简单反应、复杂反应、总包反应？4、质量作用定律的适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解质量作用定律？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。
5、什么是反应级数？反应级数与反应物浓度（半衰期）之间的关系如何？6、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？7、试用反应级数的概念，讨论燃尽时间与压力之间的关系。
8、惰性组分如何影响化学反应速率？9、Arrhenius定律的内容是什么？适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解Arrhenius定律？10、什么是活化能？什么是活化分子？它们在燃烧过程中的作用？11、图解吸热反应和放热反应的活化能与反应放热（吸热）之间的关系。
12、什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？13、描述氢原子燃烧的链式反应过程。
14、试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合编程技术，绘制氢原子浓度随时间变化的图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。
并讨论：分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？15、烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？什么样的烃类燃烧时更容易发生析碳反应？如何防止烃类燃烧析碳？16、图解催化剂对化学反应的作用。
17、什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？18、什么是燃料的低位发热量和高位发热量？19、试用本章的知识解释，从燃烧学的角度来看，涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？20、过量空气系数（a）与当量比（b）的概念？21、燃烧过程中，有几种NOx的生成机理？第二章燃烧空气动力学基础——混合与传质1．为什么说混合与传质对燃烧过程很重要？2．什么是传质？传质的两种基本形式是什么？3．什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）4．湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？5．试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数，以及和周围气体进行传质的Nu zl数。
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。
燃烧学讲义-第6章油滴燃烧分析解析
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
内燃机原理第六章 燃烧的基础知识
作用于液滴表面张力
We
液滴张力
a d0 u2
a —周围空气密度，kg/m3；
u —气液两相间的相对速度，m/s；
—液体表面张力，N/m；
d0 —液滴直径，m。
We
破碎可能性 汽、柴油：Wec 10 ~ 14
液滴最大直径：d 0 m a x
Wec a u2
强化燃料雾化的方法：
提高燃烧室内的空气压力——增大周围空气密度； 提高燃料喷射压力——增大液滴的相对速度；
一、湍流（紊流，Turbulence）定义 流速大小和方向无规则变化的微元气体流动。
湍流影像
进气流场
压缩湍动能
二、湍流特征参数 ➢湍流强度
脉动速度uT 瞬时速度u
平均速度U
速度
曲轴 转角
ICE在第i个循环、曲轴转角为 φ时的瞬时湍流速度：
u(,i) U (,i) uT (,i)
集总平均速度：
➢高能点火可以拓宽着火极限
二、火焰的传播
已燃气体
火花
火焰前锋面
vL
气缸 未燃气体
火焰层厚度
未燃气体
预热区
反应区 已燃气体
混合气浓度
混合气温度
反应速度
燃烧速率：
dm dt
vL
FL
m
m —混合气质量 FL —火焰前锋表面积 m —混合气密度
燃烧放热速率：
dQB dt
vL FL m Hum
甲醇
提高燃烧室内空气温度——减小液滴表面张力。
一、喷雾特性
贯穿距离
喷雾特性 喷雾锥角
➢贯穿距离
喷雾粒径
要求：足够的距离，穿过火焰，防止“火包油”
孔式喷油器贯穿距离计算方法：
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
第六章雾化技术之油滴及油雾燃烧
(
)
既然该过程是一个准稳态过程，所以，单位时间内油 滴表面的蒸发量m就应该等于通过油气区3内各个球面扩散 出来的油蒸气量，同样也等于在火焰峰面处燃烧所消耗的 油蒸气量。蒸发速率或燃烧速率是单位时间单位表面上的 蒸发气化量与燃料消耗量，因此有：
1 mc = r0
2012-5-20
λ cp DC∞ T f − T0 + ln 1 + β cp Q
2
[
]
dr dT m 2 = 4πλ c p (T − T0 ) + Q r
2012-5-20
河北工业大学能源与环境工程学院
2012-5-20
河北工业大学能源与环境工程学院
因此油滴的蒸发量为：
λ cp DC∞ m = 4πr0 ln 1 + T f − T0 + cp Q β
1-油滴；2-火焰峰面；3-油蒸气区；4、空气区； 5-空气浓度曲线；6-温度曲线；7-油蒸汽浓度曲线
2012-5-20 河北工业大学能源与环境工程学院
单个油滴燃烧的紫外照片 （来源于NASA网页）
为了方便问题的分析，需要对单 滴燃烧模型进行一系列简化，即假设： （1）油滴为球状，且在蒸发、燃烧 过程中始终保持球对称；（2）油滴 的蒸发与燃烧过程均为准稳态过程， 不考虑液面的内移效应；（3）燃烧 只在火焰峰面的反应区内进行；（4） 火焰峰面所产生的热量全部用于加热 油滴，使之蒸发气化，并且传热方式 只考虑热传导，而忽略火焰辐射换热 与对流换热的影响；（5）导热系数、 扩散系数等恒定不变；（6）忽略油 滴表面因扩散而引起的斯蒂芬流； （7）不考虑液滴的高温热解。
2012-5-20
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
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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。
第6章 燃料的燃烧计算
6.2.1 理论烟气量和实际烟气量
标准状态下，l kg固体及液体燃料在理论空气 量下完全燃烧时所产生的燃烧产物的体积称为固 体及液体燃料的理论烟气量，用下式表示：
V VCO2 VSO2 V V
0 y 0 N2
0 H2O
Vy0 —标准状态下理论烟气量，m3／kg；
VCO2 —标准状态下 CO2 的体积，m3/kg；
2C+ O2 2CO 9270 kJ／kg（碳）
说明：
燃烧计算即燃烧反应计算，是建立在燃烧化学反应 的基础上的。在进行燃烧计算时，将空气和烟气均 看 作 为 理 想 气 体 ， 即 每 kmol 气 体 在 标 准 状 态 ( t =273.15K, P =0.1013MPa)下其体积为 22.4m3，燃 料以 1kg 固体及液体燃料或标准状态下 1m3 干气体 燃料为单位。按照国家质量技术监督局规定，“标准 状态”不标在单位上，而是写在文字中。
VSO2 —标准状态下 SO2 的体积，m3／kg；
0 3 — 标准状态下理论 体积， m ／kg； N VN 2 2
V
3 0 H2O —标准状态下理论水蒸气体积，m ／kg。
13
22.4 1.866 m3 的 标准状态下，1 kg 的碳完全燃烧后产生 12 22 .4 0.7 m3 的 SO2 。 标准状态下， 1 kg 硫完全燃烧后产生 CO2 。 32
第6章 燃料的燃烧计算
6.1 燃烧所需空气量 燃烧是一种化学反应。
C+ O2 CO2 + 32860 kJ／kg（碳）
2H2 + O2 2H2O+120370
S+ O2 SO2 9050
kJ／kg（氢）
燃烧学讲义-第6章油滴燃烧
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
高等燃烧学液体燃料的燃烧
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），
燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧
• 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
徐通模版燃烧学--第6章
采用高压气体作为雾化介质。常用的雾化介质为压缩空气 （0.3~0.7 MPa）和水蒸气（0.3~1.2 MPa）。气体雾化喷嘴气耗率低，且雾化质量 良好。
33
二、雾化性能指标 评价液体燃料雾化器的雾化性能及质量的主要指标为： 雾化角、雾化细度及均匀度、流量密度分布、射程、
调节比等；对于介质雾化喷嘴，还有气耗率等。
机械雾化油烧嘴的结构简单 、紧凑，工作噪音小，适用 于黏度较低的燃油。
燃用雾化质量较差的油品时 ，易出现堵塞或雾化粒度较 粗等问题，油压要求高，一 般应达1.5~2.5 MPa，系统可 靠性要求高，油泵耗能大。
25
2、旋转式雾化喷嘴
➢原理
转杯式油喷嘴借助于机械的离心力和空气的动量进行雾化，并将两 种雾化作用有机地组合起来。
液面燃烧往往是灾害或事故燃烧的形式，例如油罐火灾、 海面浮油火灾等。在工程燃烧中不宜采用这种燃烧方式。
10
2）灯芯燃烧：利用灯芯的毛细吸附作用将燃油由容器 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。这种燃烧方式功率小，一般只用 于家庭生活或其他小功率的燃烧器，例如煤油炉、煤油 灯等。
34
ɑ
ɑr
显然αr＜α
35
雾化角过大，油滴将会穿出湍流最强的空气区域而造成 混合不良，以致增加不完全燃烧损失，降低燃烧效率。
雾化角过小，则会使燃油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。
一般来说，雾化角为 60°~120°。对于小尺寸燃烧室 ，雾化角不宜取得过大，一般为 60°~80°左右。
旋转
32
燃料
燃料
➢低压空气雾化喷嘴
油在较低压力下从喷嘴中心喷出，利用速度较高的空气（约80 m/s）从 油滴四周喷入，从而将油雾化。一般用于小型工业锅炉上，所需风机压 头5～10 kPa。特点是空气出口流通截面可以调节。 这种烧嘴结构简单，调节比较方便，但是难以实现微量调节。烧嘴的移 动套管部分要求精密加工，否则易引起火焰偏斜。
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
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三 斯蒂芬流例题
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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6.2 液滴的蒸发
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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一、静止气流中的油滴特点 6.2 液滴的蒸发
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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三、油雾的燃烧规律 6.4 液雾燃烧
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哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
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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。
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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
热质交换原理与设备课件第6章详解
汽或压缩空气把油雾化的方法。
雾化和气流雾化的一种喷嘴。
6Z42.tif
图6-42 切向槽式简单压力雾化油喷嘴 a)雾化片 b)旋流片 c)分流片 1—雾化片 2—旋流片 3—分流片
图6-43 切向孔式球形简单机械雾化喷嘴
图6-44 切向孔式柱形简单机械雾化喷嘴
图6-45 内回油式简单机械雾化喷嘴
(3)悬浮式燃烧 悬浮式燃烧是先将固体燃料磨成细粉，然后随
空气一同流向炉膛内呈悬浮状态进行燃烧。
1)能获得最大的热密度，即在单位体积的燃烧室内，同时存在于 炉膛中的燃料量最大； 2)在防止燃料粉末飞失的条件下，有可能大大增加鼓风； 3)热惰性大，对燃料供给与鼓风之间协调性的偏离敏感性差，故 燃烧过程比较稳定，而且 4)逆流式对燃料的热准备过程比较有利，而顺流式的热准备过程 就没有像逆流式那样进行得充分； 5)层燃式燃烧在小型和中型动力装置中占有重要地位，但随着现 代动力工业的发展，已不能适用于大型动力装置的机械化和自动 化控制。
图6-50 联合气流机械雾化油喷嘴 1—油管 2—气流套管 3—分油配气嘴 4—气孔 5—气槽 6—混合室头部 7—油孔 8— 喷孔
2.配风器
(1)旋流式配风器 旋流式配风器根据叶片形式不同，主要包括 轴向可动叶片旋流式配风器、固定切向叶片旋流式配风器和可 动切向叶片旋流式配风器，它们的结构如图6-51、图6-52和图6
图6-20 紊流火焰的结构 1—焰核 2—焰面 3—燃尽区
图6-21 用辅助火焰作点火源 1—燃烧器火孔 2—小孔 3—环形缝隙
3.完全预混式燃烧
(1)完全预混式燃烧的机理 燃气和空气在着火前预先按化学当 量比混合均匀，即α=α′≥1 ，并在专门设置的火道，使燃烧区内 保持稳定高温的一种燃烧方法。
5,6章燃烧学思考题和作业题
第五章气体燃烧本章知识要点预混燃烧和扩散燃烧的概念；预混气的热自燃理论和点燃理论；层流预混火焰和扩散火焰的传播理论；湍流预混火焰和扩散火焰的经典理论；火焰稳定性理论。
重点1.预混可燃气的着火和自燃理论：绝热条件下预混可燃气着火自燃理论，非绝热条件下谢苗诺夫非稳态着火自燃理论。
2.预混可燃气体的点燃理论：无穷大平板点燃理论——零值梯度理论3.层流预混火焰传播理论：层流火焰传播的综合性理论4.层流扩散火焰：扩散火焰的本生灯试验，脱火、回火，扩散火焰特点5.湍流预混和扩散火焰传播：湍流火焰传播的经典模型简介6.射流火焰：自由射流、旋转射流和直流交叉射流火焰的特点7.火焰的稳定性：火焰稳定的基本原理和方法复习思考题1.绝热条件下自燃过程的温度、浓度随时间的变化特征。
2.用谢苗诺夫的非稳态热力着火理论分析热力着火中的自燃现象。
3.用点燃条件下的零值梯度理论分析无限大平板上燃气点燃现象。
4.着火感应期，着火过程的时间特征。
5.燃料的可燃界限，影响燃料可燃界限的因素有哪些？6.层流和湍流的火焰传播速度，火焰锋面厚度。
7.层流火焰传播速度求解的热理论和综合性理论。
8.影响层流火焰传播速度的因素有哪些，影响规律如何？9.运用层流火焰传播理论分析层流火焰传播的稳定性。
10.湍流火焰的分类和湍流火焰的特点。
11.影响湍流火焰传播速度的因素。
12.应用火焰稳定的均匀搅混热平衡原理和传热原理分析湍流火焰的稳定性。
13.预混火焰和扩散火焰的各自特点。
14.工程上稳定火焰的措施。
作业题1.煤堆自燃导致能源的浪费和设备受损伤，因此必须防止。
现有下列现象，请用自燃热力着火理论加以解释：（1）褐煤和高挥发分烟煤容易自燃；（2）煤堆在煤场上日久后容易自燃；（3）在煤堆上装上通风竖井深入煤层深处，可防止自燃；（4）如果用压路机碾压煤堆，使之密实，可防止自燃。
2.热自燃或热爆炸和链式爆炸有什么区别？请分析原因。
3.请解释为什么发动机在高原、冬季难发动？4.试讨论影响层流火焰传播速度的因素，如果预混可燃气由甲烷+氧气（摩尔比1：1）换成乙烷+氧气（摩尔比1：1），层流火焰传播速度会有什么变化？如果预混可燃气甲烷+氧气的摩尔比由1：1变为1：2，层流火焰传播速度有什么变化？5.请全面比较预混火焰和扩散火焰的优缺点，并说明为什么工程上燃用气体或液体燃料时一般不用一次空气为零的纯扩散火焰？6.点燃煤气时一定要先放明火后开气阀，这是“火等气”的操作方式。
液体燃料火箭的工作原理
液体燃料火箭的工作原理液体燃料火箭是一种运载工具，它利用液态燃料和液氧（泡利液氧/液态氧）的化学能进一步探索宇宙。
下面将详细介绍液体燃料火箭的工作原理，并以分点的形式列出。
1. 燃料和氧化剂的组合液体燃料火箭通常使用氢和氧作为燃料和氧化剂的组合。
液态氢和液态氧以高压存储在容器内，当点火时，液态氢和液态氧被泵送到火箭的燃烧室中。
2. 燃料燃烧过程液态氢和液态氧在燃烧室中混合，然后点火，形成火焰。
燃料和氧化剂在高温和高压的条件下发生快速氧化反应，产生大量的燃烧产物，主要是水蒸气。
3. 推力产生燃烧产物以极高的速度从喷管中排出，产生反作用力，即推力。
这种推力根据牛顿第三定律，会使火箭获得相等而反向的推力，从而提供足够的动力来克服地球引力，并使火箭脱离地面。
4. 火箭的加速度和速度液体燃料火箭通过持续地将燃料和氧化剂注入燃烧室，维持燃烧反应，不断产生推力，从而使火箭加速。
火箭的加速度取决于推力和质量之比，质量降低时，推力会使速度逐渐增加。
5. 动力系统控制火箭的速度和航向需要进行精确的控制，以便使其按计划轨道飞行。
液体燃料火箭配备了各种控制系统，包括喷嘴和推进剂喷射方向的调整装置，用于调整火箭的姿态和航向。
6. 燃料储存和供给系统液体燃料火箭需要储存和供给大量的液态燃料和液态氧。
这些液体通常在容器和燃料箱中存储，并通过泵送系统输送到火箭的燃烧室。
燃料和氧化剂的储存和供给系统需要可靠和高效的设计，以确保火箭的连续运行。
7. 引擎冷却系统燃烧室内的温度极高，需要采用冷却系统来防止引擎过热。
液体燃料火箭通常使用内部冷却系统，即通过将一部分燃料和氧化剂注入燃烧室壁来冷却。
这种冷却方法可以降低燃烧室内的温度，并延长引擎的使用寿命。
8. 燃料的选择液体燃料火箭的燃料选择通常由多个因素决定，包括可用性、推力、燃烧效率和安全性。
液态氢和液态氧的组合因其高推力和高效率而被广泛使用。
然而，液态氢的储存和供给相对较困难，并且需要额外的冷却系统。
工程燃烧学复习要点
⼯程燃烧学复习要点思考题第⼀章绪论1、燃烧的定义（氧化学说）：燃烧⼀般是指某些物质在较⾼的温度下与氧⽓化合⽽发⽣激烈的氧化反应并释放⼤量热量的现象。
2、化⽯燃料燃烧的主要污染排放物？烟尘，硫氧化物，氮氧化物其次还有CO,CO2等其他污染物。
3、燃素学说;燃素学说认为⽕是⽕是由⽆数细⼩且活泼的微粒构成的物质实体，这种⽕的微粒即可愿意与其他元素结合⽽形成化合物也可以以游离的⽅式存在，⼤量游离的⽕的微粒聚集在⼀起就形成了明显的⽕焰，它弥散于⼤⽓之中变给⼈以热的感觉，由这种⽕微粒构成的⽕的元素便是燃素。
第⼆章燃料1.什么叫燃料？它应具备哪些基本要求？是指在燃烧过程中能释放出⼤量热量，该热量⼜能经济、有效地应⽤于⽣产和⽣活中的物质。
物质作为燃料的条件：（1）能在燃烧时释放出⼤量热量；（2）能⽅便且很好的燃烧；（3）⾃然界蕴藏量丰富，易于开采且价格低廉；（4）燃烧产物对⼈类、⾃然界、环境危害⼩2.化⽯燃料主要包括那些燃料？（煤，⽯油，天然⽓）3.燃料分类⽅法？燃料按物态分类及其典型代表燃料（1 固体燃料（煤炭）2 液体燃料（⽯油、酒精）2⽓体燃料（天然⽓、氢⽓）4.燃料的组成，固液体燃料的元素组成都有那些？固体燃料是各种有机化合物的混合物。
混合物的元素组成为：C、H、O、N、S、A、M 液体燃料是由多种碳氢化合物混合⽽成的。
其元素组成亦为：C、H、O、N、S、A、M5.⽓体燃料的主要组成成分有哪些？⽓体燃料是由若⼲单⼀可燃与不可燃⽓体组成的混合物：CO、H2、CH4、CnHm、CO2、N2、H2O、 O2等。
6.燃料分析有⼏种，分别是什么？（1）⼯业分析组成（测定燃料中⽔分（M）、挥发分（V）灰分（A）和固定碳（FC）等4种组分的含量）。
；（2）元素分析组成（⽤化学分析的⽅法测定燃料中主要化学元素组分碳（C）、氢（H）、氮（N）、硫（S）和氧（O）以及灰分（A）和⽔分（M）的含量）；（3）成分分析组成(化学分析⽅法测定⽓体燃料各组分的体积或质量百分⽐)7.燃料的可燃与不可燃部分各包含哪些主要成分？可燃成分：（碳（最主要的可燃元素，氢（发热值最⾼的可燃元素）硫（有机硫、黄铁矿硫：可燃烧释放出热量，合称为可燃硫或挥发硫。
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tg
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定
2
u / u x
u ,m / u x
m
2
rm (r0 ra ) / 2
tg
m
2
2 A 1 1
1 1 1
8
第 二、离心喷嘴理论 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
f (r02 ra2 )
取轴向长度为1的环形微元 体，其质量为 dm 2rdr f 微元体旋转时产生离心力正好 与径向压力差相平衡，故有
dr 2rdp 2r f u r
2
dr 或 dp f u r
2
第 二、离心喷嘴理论 6 章 2rdp 2r u dr 或
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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： .25 0.55vl0.2 l0.6 m0 f SMD ( m) 0.4 p 离心喷嘴在气流中雾化：
( FN ) 0.34 ug SMD 13500 1945 0.56 ( m) 0.27 p p
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
离心喷嘴
特点： 1. 雾化锥角大，雾化 质量好 2. 采用双油路，可获 得更大的供油能力
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
离心喷嘴
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
气动喷嘴
特点： 1. 雾化质量高
s
d s2 v s Y fs
m f d D
2
dYf dr
d 2 vY f
扩散项
dYf dYa dr dr
d 2 vYa d 2 D
Stefan流项
dYa 0 dr
m f vd 2 (Ya Y f ) vd 2
m f 4 r 2 D
2 f
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
dr dp f u r
2
r
液 体 燃 料 燃 烧
du dr uin Rs u r r u
积分得
dp f u2 du
1 2 u const. f 2
p
u x const.
（与r无关）
第 二、离心喷嘴理论 6 章 以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用ε
P ( psi )
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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 adi2 exp bdin d (d i )
正态分布：
a、b为常数
dR exp 2 y 2 dy
y ln(di / SMD) 为常数
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 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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
m f d s2 D dY f dr
FN Q p
直流喷嘴在静止空气中雾化：
3.15104 vl0.2 SMD ul (m)
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
Stefan流
m f D dYf dr dYa ma D dr
2 在油珠表面： d s D
dYa 0 dr s
任意半径上：Ya Y f 1.0
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：
dYa d vsYas d D dr
2 s 2 s
0
s
在油珠表面上净空气通量为零
第 6 章 液 体 燃 料 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d10 ) ni di
表面积平均直径：
n
i
d ms (或d 20 )
体积平均直径：
d mv (或d 30 )
n d n
i 2 i i
i 3 i 1/ 3 i
1/ 2
n d n
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
mf
dYf
dr 4D 2 (1 Y f ) r r rs Y f Y fs
r Y f Y f
dr dYf
m f Yf
m f 4rs D ln( 1 B)
物质交换系数：
B
Y fs Y f 1 Y fs
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为
2 uin m f n f rin
不计粘性时，流体的动量守恒，故有
m f uin Rs m f u r 或 uin Rs u r
第 二、离心喷嘴理论 6 章 轴向速度 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
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
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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。 3. 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收 缩成球形油珠。 4. 在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
油珠破碎过程
气动力 表面张力
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
油珠破碎准则
两种力： 外力：气动力、惯性力 内力：表面张力、粘性力
作用于油珠表面的气动 力 u 2 / 2 du 2 We ~ ~ 油珠内压力 4 / d
燃 烧 理 论 基 础
第6章 液体燃料燃烧
要求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃 油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴 的雾化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性， 了解液体燃烧装置工作过程。
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
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
4r 2 dT dT 4 m f C p (T Tl ) m f h fg rs3 l Cl l 0 dr 3 d
C p (T Twb ) m f 4rs ln1 Cp h fg
x
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
A
2
2
f
液 体 燃 料 燃 烧
1
1
流量
为轴向速度系数
A2 1 1/ 2 1
m f u x r02 f r02 2H f
为流量系数
m f r
2 0
2 H f
第 二、离心喷嘴理论 6 章 流量系数 液 体 燃 料 燃 烧
2. 排气冒烟少
3. 贫油熄火范 围窄 4. 可采用特殊 的气化剂
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
其它喷嘴
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
一、喷嘴类型
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
二、离心喷嘴理论
1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷 嘴理论： 基本假设： 1. 流体为无粘性的理想流体； 2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度； 3. 喷嘴处于最大流量状态工作。
A2 1 1/ 2 1
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
最大流量原理
A2 1 2 1
1 / 2
0
A (1 ) / 2 / 2
2
3 2
1 / 3 2
第 二、离心喷嘴理论 6 章 雾化锥角 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
Stefan流
Stefan流－点源：
d s2 vsYas d 2 vYa
dYa 2 2 d vYa d D 0 dr
d 2 vYa const.
dYa vYa D 0 dr
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
示