《燃烧学》课件

0 C p T1 T0 8 ln 1 L 2m r1 r0 2m ( 1 1 ) 2m 4m K1 Cp f f r0 r1 f r0 r1 f r0 d 0 f
2 d0 d 2 t K1

d （5-4）
湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与 气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 L/d = 定值。实验结果证实了这一点。
5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰
燃烧 气态 蒸发 燃料雾 化
原因：使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气 接触表面，同时还尽可能将液滴合理地分布在燃 烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性 能好的要求。 因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧 性质及燃烧效率都有重要影响 。
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。
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、
（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
产生固体碳和氢气（燃油炉子所见到的黑烟）；未蒸发前
剧烈受热，发生裂化，产生焦粒或沥青（重油烧嘴的“结 焦”现象）。

高温气流中液滴的蒸发
蒸发模型假设
(1) 液滴是球形的，由一高温球面所包围，相当于 包围燃烧油滴的狭窄燃烧区，见图所示； (2) 蒸发是稳定过程； (3) 蒸发率决定于液滴的加热速率； (4) 蒸发率的大小能满足液滴表面处蒸气和液体处 于平衡的条件； (5) 通过传热和扩散，液滴达到稍低于液体沸点的温度； (6) 蒸发过程是等压的； (7) 燃料蒸发和周围介质气体满足理想气体定律； (8) 导热系数不随温度而改变； (9) 不考虑辐射和对流热损失； (10) 在液滴附近，燃料浓度和温度随离开液滴中心的距离作线性变化。
L u0 t 1 2.4 a a f f
1/ 2
d d0
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 ↗
mCp 4
T T0 r 2 dT

dr r r1
dT r2 dr r r0
m C p dT d 2 dT 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）：

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 Nhomakorabea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：
（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。
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
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：
r
浓度分布特点：在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分 布规律。在轴线上燃料浓度有最大值，随轴线方向距离的增 加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料浓度变化大，离喷孔越远的
横截面内燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。
3.喷雾油束中的液滴尺寸大小
液滴的平均直径：衡量雾化程度的指标。
算术平均直径 体积平均直径 表面积平均直径
mCp 4
T T0 r 2 dT

dr r r1
dT r2 （5-19） dr r r0
导热热量被用作蒸发热，则：
dT 4 r 2 mL 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：
dm ni di / n0
d m v ni di3 / n0
1/ 3
d m s ni di2 / n0
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） ：
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。

着火前燃料气和空气分子的扩散过程

着火后燃料气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。
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
M1 u d 2 / 4 ud 2
1 M 2 Ld D d 1 2 ud Ld D d
ud 2 L D
L ud 2
（5-2）

湍流扩散火焰
用湍流涡团扩散系数ε代替（5-2）式内的层流扩散系
数D，即
：
ud 2
L ud 2
L
lu ud
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 。

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。




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)。