燃烧学-5[1].扩散燃烧及火焰

基本性质：控制燃烧速率 的 是混合过程的快慢。
（更为常见）

分类
层流扩散燃烧
（分子扩散）
气体扩散燃烧 扩散燃烧 湍流喷雾燃烧
液体喷雾燃烧
（涡团扩散）
5.1扩散燃烧火焰的类型
按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：
a）自由射流火焰
(free jet flame)
层流射流扩散火焰 紊流射流扩散火焰
b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰）
(concentric jet flame)
c）逆向喷流扩散火焰
(counter-flow diffusion flame)
优点：不会发生回火现象 ，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料 与氧化剂进行预先混合 ，操作 方便 ，所以在工业上应用很广。
5.2 气体扩散燃烧火焰
（5-24）
r1>r0，故 r02 / r1 可以忽略：
dt C p f r0 dr0
ln 1


0 C p T T0 L
（5-25）
将上式自0到t， r0到r之间进行积分：
t C p f r02 r 2


（5-26）
Cp T T0 2 ln 1 0 L
（5-27） （5-28）
——蒸发常数

油滴的燃烧过程
油滴燃烧示意图
根据油滴扩散燃烧理论获知，油滴的燃烧速度决定它的 蒸发速度。
mCp 4
2 dT T T0 r

dr r r1
dT r2 dr r r0
C p dT d 2 dT m r 4 dr dr dr
对球形火焰区积分 ，即从r0到r（r≤r1），从T0到T（T≤T1）：

实验现象

富氧扩散火焰：火焰表面逐渐 收缩到圆管的轴线上，成为圆 锥形火焰。 贫氧扩散火焰：空气中的氧气 不足，这时火焰扩展到外管的 壁上形成喇叭形的。

现象解释：一个稳定的火焰边界只能是燃 料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在
火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有
过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不 能稳定。
Cp m 4
2 dT T T0 r

dr r r1
dT r2 （5-19） dr r r0
导热热量被用作蒸发热，则：
dT L 4 r 2 m dr r r0
（5-20）
式(5-20)代人式(5-19)中，并在r0到r（r≤r1），从T0到T（T≤T1）间积分：
a 2 d c s 3 10 l f
0.3
Re 0.7
0.1
增大喷射压差则流出
喷孔燃油流速增大，使Re
增加，造成 s 增大。 增加喷孔直径与喷孔
喷油器
θ s L
B
通道长度比也可增大
s 。
喷雾油束的贯穿距离(spray penetration) —— 在给定时间 内，油束顶端实际到达的位置与喷油嘴喷孔间的距离称为喷 雾油束的贯穿距离。 经验公式：
dm ni di / n0
3 dmv ni di / n0 1/ 3
2 dms n d / n0 i i
1/ 2
总体积及表面积平均直径
[索特（Sauter）平均直径]
ds
ni d i
ni d i
3 2
（最为通用）
经验公式（柴油机） ：
单液滴燃烧模型的建立与求解
喷雾燃烧观察与分析
扩散燃烧基本概念

概念
燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混 合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边 扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称 为扩散控制燃烧，扩散燃烧，其火焰称为扩散火焰。

特征
燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过程 和燃料与氧化剂混合的过程。 根据燃烧过程进展条件的不同： 化学动力燃烧 （混合速度大于燃烧速度 ） 燃烧过程 扩散燃烧 （混合速度大于燃烧速度 ）

理论计算
对于半径为r 的球面，由热量平衡可知：
4r 2 dT C p T T0 L m dr
1°质量蒸发率


油滴的气化潜热
导热率 油的质量 蒸发率 油滴表面温度
液滴直径的无限小，两边对r求导数：
C p dT d 2 dT m r dr dr 4 dr
一、燃料雾化的喷射特性 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。

液体燃料的喷射雾化方法

用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内； 对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉 碎和分散； 采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎 等等。


燃油的破碎机理
空气 燃料 空气
1-富氧火焰 2-贫氧火焰
同心圆管内的扩散火焰
扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化 学剂量比混合的表面上才是稳定的。
二、扩散火焰高度
1.实验观察
火焰特征随气流喷射速度的变化
2. 数学模型
火焰高度

喷管尺寸（直径d） 流率（u）
层流扩散火焰
推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的 燃料质量M2成比例 。
m
Cp 4 r0 r1 T T0 （5-20） ln 1 0 C p r1 r0 L
2°蒸发时间
通过上式我们可求出对于给定直径的油滴完全蒸发所需的时 间，这个时间称为蒸发时间或油滴生存时间，油滴蒸发时间对燃 烧室设计来说是一个很重要的参数。 对于半径为r0的油滴，其质量： 对r0微分：

喷雾特性
燃料喷射到静止空气中的影像

空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角，输送的空气或 氧气的速度场等)；
喷射横截面上的液体分布；

雾化液体的液滴大小；
雾化液体液滴大小的均匀性。
喷油器
θ
L
B
1. 喷雾油束的空间形状 油束锥角(spray angle) —— 喷油嘴孔口处油束外包络 线的两条切线之间的夹角 s Sitkei给出的经验公式：
L↘
L↗
L↗
2．喷雾油束的燃油分布特性 燃油分布特性：通过给出燃料浓度沿油束横截面径向分布 和沿油束轴线分布的规律来反应。
r x
燃料浓度分布 ：
C f C fm exp h 2 r 2
轴线上：
1 Cf x
横截面径向上：
C f C fm exp h 2 r 2


Cfm —— r=0处轴线上的燃料浓度值 h —— 常数，综合反映具体喷射过程的各种因素的影响，通过 试验来确定。
d d s 70.5 c u0 f
0.25
v f g g 1 3.31 f dc
4.喷雾油束中液滴尺寸分布特性 液滴尺寸分布特性：喷雾液滴尺寸大小及各种尺寸的液滴 数量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函数关系表示。
液 滴 数 量
一、基本概念
扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中，燃
料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。
已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而燃料 气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点燃后相互接 触。

与空气向燃烧产物中的分子扩散

在具有理论燃烧剂量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃烧 表面。 燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。




通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱(stream)或锥 形空心油片(sheets)； 在油柱或油片的表面出现波纹和扰动； 在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面 形成油线或空洞； 油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴； 由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力，气体动力， 表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，分散成小油 滴； 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油 滴，这些油滴的综合体称为油束(spray)。
第五章 扩散燃烧及火焰
（diffusion combustion） 扩散燃烧火焰类型
气体扩散燃烧火焰
基本概念 扩散火焰高度 燃料雾化的喷射特性
单液滴燃烧
液体燃料的喷射燃烧火焰 油雾燃烧 燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧
燃料膜的蒸发燃烧
扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点， 扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型 喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点
液滴直径
液滴直径
液滴尺寸分布曲线——液滴数量的微分分布。 常用的喷雾油束液滴尺寸分布函数有：(1)罗森(Rosin)— 瑞姆勒(Rammler)分布函数；(2)拔山—棚泽分布函数 。
二、单液滴燃烧(蒸发和燃烧）
破碎后的油滴置于高温含氧介质中所发生的变化： 1）油滴的蒸发燃烧 —— 油滴在不很高的温度下，蒸发成 气态后，与氧气分子接触达到着火温度着火燃烧。（蒸发 速度、燃烧速度） 2）油滴的热解和裂化 —— 和氧接触前便达高温、热解、
L u0 t 1 2.4 a a f f
1/ 2
d d 0
1.5
t
2
分析： 1°喷射压差↗ ：u0 ↗ 3°ρa、μa ↗ ：空气阻力 ↗ 4° ρf 、 μf ↗ ：液滴直径 dp ↗ L↗
2°喷孔直径d0 ↗ ：液滴直径dp ↗
0 C p T1 T0 8 ln 1 r1 r0 2m 1 1 2m 4m L 2m K1 ( ) Cp f f r0 r1 f r0 r1 f r0 d 0 f