燃烧理论第6章补充

第6章扩散火焰与液体燃料燃烧

6.1 扩散火焰与预混合火焰的区别

研究燃烧的火焰现象，通常以反应物形成的方式分成预混合火焰和扩散火焰两种。在预混合火焰中，反应物在进入火焰以前就完全混合好。在多数预混合火焰中，燃烧过程同时受控于化学动力学及传热与扩散作用，燃烧速度极快。在扩散火焰中，燃料和氧化剂在燃烧开始前还没有完全混合好，或者完全没有混合;而是在燃烧过程中，靠燃料与氧化剂的相互扩散、混合而成为反应混合物，因而反应物的混合和燃烧是同时进行的。由于化学反应速度远远大于气流速度、扩散速度和混合速度，因此在扩散燃烧过程中，控制燃烧速度的主要因素是燃料和氧化剂的扩散速度而不是化学反应速度。燃料和氧化剂在火焰阵面上是按化学当量比混合的，这是扩散火焰的共性。

液体燃料的着火温度远远高于它的沸点温度，而且燃烧反应所需的活化能也远远大于燃料的汽化热，因此可以推论，液体燃料不能在液相进行燃烧，只有在汽化后的燃料蒸气与氧化剂混合后才能进行燃烧。

例如汽油的汽化热为335kJ/kg。而活化能约为1281kJ/kg。

液体燃料总是先蒸发后着火的，所以燃烧总是在气态下进行的。

6.2 液体燃料的喷雾特性

在油管破裂泄漏引起的火灾事故中，液体燃料可被喷射成微粒云，雾化后再燃烧。在燃烧技术中，为了强化燃烧，希望将液体燃料制作成均匀分布的微粒喷雾。这样可以大大增加燃料蒸发面积，增加燃料与空气接触机会，以迅速达到混合、蒸发、燃烧的目的。例如若1ml的燃油是球形的，其表面积为484mm2，若雾化成40μm的粒子，油滴总数是2.99×107个，其表面积为1.5×105(mm2)，面积增加近310倍。

在柴油发动机中，燃油自喷油器孔中以很高的压力(Pinj,max=180～200MPa)和很高的速度(可高达300m/s)喷出，在高速流动中所产生的内部扰动及气缸中空气阻力的作用下，被粉碎成细小的油粒，其直径为5～250 μm 。

喷雾特性是燃油喷射的空间特性。通常油束是由各种大小不同的油粒所组成的圆锥体(见图6-2)。表征燃油的喷雾特性的主要是油束空间分布参数即喷雾粒度、贯穿距离及喷雾锥角等。

图6-2 油束形状

6.2.1 喷雾粒度

喷雾粒度表示了燃料喷散雾化的程度，一般是指喷散的细度和喷散的均匀度。可以用液浸法收集雾化的油滴或用显微照相、激光全息摄影的方法进行测定。

实际喷雾中油滴尺度是不均匀的，表示油粒平均直径的方法很多，但用得最多的是索特平均直径(SMD)，它的定义是：按SMD 计的全部油滴的V/A 与实际喷雾的V/A 相同。设全部真实油滴的体积为V 表面积为A ，则实际喷雾的体积面积比为:

单个油滴的体积表面积之比为:

用索特平均直径表示全部油滴之体积表面之比:

按SMD 定义，应有: 故：

∑∑

∆∆=

i

i

i

i n d

n d A

V 2

3

6

ππ

6

6

2

3

1

1d d

d

A V =

=ππ

6

611SMD N

N d N

A N V =

⋅=

A

V N

A N V =

11∑∑==∆∆=

k

i i

i

k

i i i

n d

n d

SMD 1

213ππ

Δn i 为直径为d i 的油粒数量；k 为直径分档数；N 为被测油滴总数。 喷雾的分散粒度与许多因素有关，在一定的背压下，喷油压力增大，燃油从喷油器的出口速度增加，就能减小油滴的直径；背压提高，则喷油速度降低且喷雾贯穿距离减小，会使液滴出现团聚现象，油滴直径增大；增加喷油量，喷雾液滴产生团聚的可能性增大，从而也增大了液滴的直径。下面是根据大量试验用回归法得到的计算索特平均直径的公式:

式中A 为常数，对孔形喷嘴A=2.33×10-3，节流轴针喷嘴A=2.18×10-3，轴针喷嘴A=2.45×10-3，∆P 为喷孔前后平均压差(MPa)，B 为循环喷油量(mm 3/循环)；ρa 为周围介质密度（kg/m 3）。

表示油滴的粒度分布方法有油滴粒度分布曲线法、质量分布曲线法、粒数累积分布曲线法、质量累积分布曲线法等。现在把直径从x 到x+dx 之间的油滴数称作dn ，其质量为dm ，一次喷射中的(或作一次测量的)油滴的总数和总质量分别为N T 、M T 。以上这些表示法可参见图6-3（a ）和(b)的频率曲线。峰值越高，油滴大小的均匀性越好，越平坦，均匀性越差。

图6-3 粒度分布的表示

图6-3(c)、(d)的纵坐标是通过筛子的油滴数及质量，通常用作表示固体微粒的分布，这种坐标系统表示为油滴数目或质量的分布函数。油滴粒度分布数据通常以图6-3（a ）的形式表示。 6.2.2液体燃料的喷雾贯穿距离

131

.0121

.0135

.0)

(B

p A SMD a

ρ-∆=

贯穿距离的大小(即贯穿度)对燃料的分布影响很大。在自由喷雾中，假定垂直于轴线剖面上的流速是均匀的，液滴和气体之间没有相对速度。喷雾的物理模型见图6-4所示。

图6-4 一维喷雾模型

根据喷嘴出口燃料具有的动量在各截面守恒的原理可建立起以下的关系式:

式中ρf 为燃油密度；r 0为喷孔半径; ρa 为空气密度。

将方程式(6.3)两边同除ρπr 02u 0，并令ρf /ρa =σ,r/r 0=ξ,u/u 0=η，经过整理可得到

由于ρf /ρ a >>1左右，所以1/σ<<1，将此关系代入上式，得

（6.5）

在ξ＞50的范围内，空气与液滴的相对速度可以忽略不计，故

又

经整理可得

（6.6）

u

u r u r u r r u f a f ])([02

002

02

2

02

0πρππρπρ+-=01111

22=-⎪⎭

⎫

⎝

⎛

-

+ησηξσ

2

12σ

ηξ

⎛⎫=

⎪

⎪⎝

⎭

σ

ξ

σ

ξ

2412

≅

+

2

tan

2

tan

1,,

2

tan

,120

0θ

θ

ξξσηθ

σ

ξ

r x r x x r r ≅

+

==∴=->>

0tan 2

u u x =