第七章液体燃料的雾化
ATOMIZATIONOFLIQUIDFUELS：液体燃料的雾化
ATOMIZATION OF LIQUID FUELSCOMBUSTION AND FUELSTHE PRINCIPLE OF LIQ UI DS ATOMIZATIONAtomization is the processwhereby bulk liquid is transformed into acollection of drops.This transformation goes throughthe break-up of liquid jet into a numberof filaments, which in turn transform intodroplets.COMBUSTION AND FUELSMECHANISMS OF LIQU I DS ATOMIZATION Three mechanisms:Disintegration of a liquid jet into a number of filaments, and then into small droplets, requires the surface tension forces of liquid to be overcome. It may happen on the three ways:–by surface tension between moving liquid jet and steady air which destabilise the jet and causes its disintegration into filaments,–by centrifugal forces of swirled liquid jet,–outer mechanical and electrostatic forces and by supersonic acoustic.COMBUSTION AND FUELSFLUID ATOMIZATION WITH DIFFERENT ENERGYCOMBUSTION AND FUELSJETS DISINTEGRATION AND DROPLETS BREAKUPPrimary liquid jetdisintegrationDroplets break-upCOMBUSTION AND FUELSRANGE OF LIQUID ATOMIZATIONRe = (UL)/νWe = (U2L)/σσ-the surface tensioncoefficientCOMBUSTION AND FUELS5 bars10 bars15 barsTORCH OF PLAIN-ORIFICE ATOMIZED OILCOMBUSTION AND FUELSLIQUID SHEET BREAKUPSwirled jetCOMBUSTION AND FUELSTYPES OF OIL INJECTORS/ATOMIZERSTypes of atomizers:-pressure-pneumatics-rotating plain-orifice swirl typeY typewith x-cross shape flowCOMBUSTION AND FUELSPRESSURE INJECTORS COMBUSTION AND FUELSPLAIN-ORIFICE ATOMIZER> 0.5 mmDo∆p = 0.3-1(5) MPaα= 5-15oSimple construction,Low quality of atomizationCOMBUSTION AND FUELSSWIRL ATOMIZERS COMBUSTION AND FUELSHOW A SWIRL NOZZLE WORKS COMBUSTION AND FUELSSWIRL NOZZLE:DESIGNd= 2-6 mmo∆p = 0.6-1.0 MPaα= 45-90oSimple constructionHigh reliabilityHigh quality of atomizationLow energy consumptionCOMBUSTION AND FUELSSWIRL NOZZLE: AN EXAMPLE COMBUSTION AND FUELSCOMPACT SWIRL ATOMIZER COMBUSTION AND FUELSTYPE OF FUEL CONESDelavanCOMBUSTION AND FUELSSWIRL ATOMIZER IN OPERATIONDispersed oil jetCOMBUSTION AND FUELSPNEUMATIC ATOMIZERS COMBUSTION AND FUELSCOMBUSTION AND FUELS PNEUMATIC ATOMIZER: PRINCIPLE OF OPERATIONConsumption of atomizing medium:δ=0.06-0,1 kg/kgatomizing mediumair / steamrecirculating small dropletsair jetlayer of fuel around theatomizing mediumabout 5 x diameter ofatomizing nozzleabout 40 x diameter ofatomizing nozzleliquid fuel small droplets formedoutside of the stream dispersion of the streamsmall droplets formedfrom the stream big droplets formed fromthe disintegration of thestreamdeformation wave of fuelPNEUMATIC ATOMIZER OF Y TYPE Pneumatic atomizer of Y type:1 –oil,2 –gas,3 –atomizing head,4 –nozzlesCOMBUSTION AND FUELSPNEUMATIC ATOMIZER OF CROSS-SHAPE FLOW TYPE Pneumatic atomizer of the cross-shape flow type:1 –oil,2 –gas,3 –oil injection,4 –gas injection,5 –mixing chamber,6 -nozzlesCOMBUSTION AND FUELSROTATING ATOMI Z ERS COMBUSTION AND FUELSOIL BURNER WITH ROTATING ATOMI Z ERCOMBUSTION AND FUELSCONTROL OF OIL FLOW RATECOMBUSTION AND FUELSATOMIZATION PRESSURE VARIATION 1.The simplest way for oiloutput/consumption control is variation of pressure of atomization.2.Disadvantage of this method of outputcontrol is loss of atomization quality due to reduction of atomization pressure.Rate of oil output ∼(∆p)0.5COMBUSTION AND FUELSTwo-step control of oil flow rateScheme of single chamber two-step oilatomizer:1 –valve, 2, 3 –recalculating pipesCOMBUSTION AND FUELSCOMBUSTION AND FUELS CIRCLE MECHANICAL (RETURN-FLOW) ATOMIZER Fuel nozzleOil tankNozzle Pump ValveCIRCLE OIL ADJUSTING VALVE1 –VALVE,2 –SWIRL CHAMBER,3 –OIL CIRCLE HOLESCOMBUSTION AND FUELSTWO-NOZZLES ATOMIZERI –nozzleII -nozzleCOMBUSTION AND FUELSQUALITY OF ATOMIZATION COMBUSTION AND FUELSPARAMETERS OF ATOMIZATION–output,kg/s–angle of dispersion, deg–droplets distribution,–mean diameter of dispersion, m.COMBUSTION AND FUELSCHARACTERISTICS OF ATOMIZING NOZZLECOMBUSTION AND FUELSOUTPUT of PRESSURE ATOMIZERSOutput m of pressure atomizers is defined as follows:∆p)0,5m= µA(2ρcwhere: A is the area of the nozzle output,p is pressure and µis the outflow coefficient.COMBUSTION AND FUELSDROP SIZE DISTRIBUTIONDrop sizedistribution curves COMBUSTION AND FUELSCHARACTERISTIC OF DROPLETS SIZEMean drop size:mean drop sizeMDS= [(ΣnD3/ΣnD)]0,5,Sauter mean drop sizeSMDS= ΣnD3/ΣnD2.COMBUSTION AND FUELS。
内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)
R
2
]
dbD dr
0
bT bTW
bD
bDW
WW
g g
dbT dr
W
WW g Dg
dbD dr
W
bT bD
bT bD
0 0
方程的求解
求解二阶常微分方程需要两个条件，另外还有界面传质速
度和温度两个未知量，需要四个边界条件，前面的边界条
件提供了三个，另外一个可以从液面处气液两相平衡的热
力学关系得出，即利用饱和蒸汽压和温度的函数关系给出
补充条件
假设Le=1，即 g DF ，对求坐标下的蒸发能量方程式
（7-30）进行积分，得：
ggr 2
db dr
[WWR2 ]b
cons(与r无关的常数）
利用壁面处的边界条件求出该常数
下面的这些关于热气体中液滴蒸发的假设经常会 用到，因为它们能极大的简化问题，主要原因是 排除了处理质量传递的必要，而且仍与实验结果 符合得很好。
1、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。 2、蒸发过程是准稳态的。这意味着蒸发过程在任一 时 刻都可以认为是稳态的。这一假设去掉了处理偏 微分方程的必要。 3、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。
B cg (T TW ) (wF wFW ) l cl (TW TR ) (wFW wFR )
1
1
0
Nu
h0d kg
2
0.6
ud vg
2
vg
g
3
s R
h0d 2 kg
h0 kg s
燃烧学西安交大液体燃料的燃烧
Pw—回油压力（回油管上回油调节 阀之前）
一、回油雾化器
设计方法：
Gmin 喷孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积） 1、Pwl=0状态： GB 回油孔有效面积（扣除空气漩涡所占面积）
算出最大回油量GB、最小喷油量Gmin，则最大进油量= GB+ Gmin
2、 Gmax（点）由最大负荷决定。
二、蒸汽—机械雾化器
3 2
A的关系见图4-2。
一、机械雾化器
雾化角：出口处油雾两侧 边缘边界切线的交角。
tg
2
(1 ) 8 (2 1 )
一、机械雾化器
对流量系数，经验公式有 : A 东锅： 0.125 (公式适用范围:G 300, 且A 0.5 ~ 3.0) 30 热工所： 0.88 哈锅： 0.815
(4-25)
式中，、 、、 、、均为与雾化器结构有关的常数。 西安热工所试验得到相关经验公式。见（4-24）
Y 形雾化器的雾化粒度、雾化角均由试验确定。
• 据新华社北京奥运专电(记者高鹏) • 北京奥运会“祥云”火炬克服低温、低压、缺氧、 大风等极端不利条件。在珠峰之巅漂亮地燃烧， 举世为之惊叹。在这史无前例的壮举背后，凝聚 着无数智慧与辛劳。早在2001年7月13日北京申 奥成功，航天科工集团就成立了一个科技奥运领 导小组。2006年1月17日，北京奥组委正式致函 航天科工集团。委托其就奥运火炬珠峰燃烧技术 进行科研攻关，迄今已两年多。
wz=常数
一、机械雾化器
喷孔势位流动的中心处是一个空气漩涡，其直径是根据最大流量 的原则来确定的。 根据最大流量原则，就可以定出喷孔截面上扣除空气漩涡后的充 满度：
联大系统河南理工大学-消防工程-燃烧学所有答案
联大系统河南理工大学-消防工程-燃烧学所有答案列举四种煤的特种分析方法：热重分析，着火指数分析，沉降炉实验，一维燃烧炉实验，热显微镜法，重力筛分法，。
答案是：比表面积法阿累尼乌斯定律指的是化学反应速度常数与（）的关系答案是：反应温度液体燃料的雾化方式可分为介质雾化和两种类型。
答案是：机械雾化燃烧过程中产生NO的主要原因是：燃烧过程中有N元素、（）、氧化气氛答案是：高温对于碳氢燃料燃烧时生成的炭黑，按其生成机理及其特殊形式，有气相析出型炭黑，剩余型炭黑，（）以及积炭等几种形式答案是：雪片型炭黑按照碳燃烧的异相反应理论，当反应温度低于1300℃时，碳粒表面反应的关键控制步骤是答案是：络合物离解反应煤粒一次热解后，生成的产物分为两大类，分别是和焦炭。
答案是：挥发分链锁反应的三个基本步骤是链的激发、和链的销毁答案是：链的传递按照燃料和空气燃烧过程的气体动力学特性，固体燃料的基本燃烧方式可以分为层燃、和煤粉燃烧三种。
答案是：流化床燃烧链式着火过程主要是活化中心局部增加并加速繁殖引起的，由于活化中心会被销毁，所以链式着火通常局限在活化中心的繁殖速率大于销毁速率的区域，而不引起整个系统的温度大幅度增加，形成“（）”。
答案是：冷焰答案是：链传播链式着火由于某种原因，可燃混合物中存在（），活化中心产生速率大于销毁速率时，导致化学反应速度不断加速，最终导致着火。
答案是：活化中心某一反应温度由400℃增至410℃时，反应速率将至原来的e=2718倍，该反应的活化能等于381939J/mol。
答案是：增加热着火：可燃混合物由于本身氧化反应放热大于散热，或由于外部热源加热，温度不断升高导致化学反应不断（），积累更多能量最终导致着火答案是：自动加速火焰传播速度是指火焰传播，指当（）在某一区域被点燃后，火焰从这个区域以一定速度往其它区域传播开去的现象。
该速度称为火焰传播速度。
答案是：可燃混合物根据燃烧理论，煤粉炉炉膛（）脱落后，导致着火困难，其原因是炉内温度水平降低。
液体燃料雾化与燃烧概述
液体燃料的燃烧特点概述
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置——
燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合 过程。
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
思考1：
液体燃料的雾化燃烧的具体过程？
液体燃料的物理与化学变化过程
液体燃料喷射
液体燃料破碎
连续大体积液体
火焰
液体燃料蒸发 液滴
气态燃料化学反应
燃油液滴燃烧过程
气体团
思考2：
液体燃料燃烧的主要影响因素？
液态燃油的雾化 液态燃油的蒸发 气态燃油与氧化剂的混合 燃烧过程的化学反应动力学
油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的 残余物，粘度大、杂质多，常温
为固态，先预热，雾化难，
油雾边缘易混合中心难混合通过喷 嘴使油雾化，油的颗粒不均匀， 从几 到500 。大颗粒容易产 生大的烟粒与焦粒。油颗粒燃烬时
间与颗粒直径平方成正比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
讨论点4：关于液雾燃烧模型建立的推演建立过程及当 前存在的不足分析与改进思路。
6. 关于作业与课题讨论内容的思考
算例练习：
表面波失稳案例测试：1）理论解析解的特征分析；2）数 值解对解析解的近似求解；
基于CFD的液雾燃烧算例计算测试与讨论。
第七章液体燃料的雾化
油气 热解产物 裂化产物
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
煤的燃烧方式
旋风燃烧
燃料悬浮于旋转空气中的燃烧方式。
旋风炉燃烧特点
改善了空气和燃料混合条件，延长了燃料在燃烧室内逗留时 间，燃烧强度达，燃烧温度高，炉温达1600~1700℃； 液体排渣，飞灰大大减少； 积灰严重； 液态灰渣热损大。
油雾燃烧(液滴群燃烧)
• 油雾燃烧模型
预蒸发型燃烧、滴群扩散燃烧、复合燃烧
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。
滴群扩散燃烧
周围介质温度低或雾化颗粒较粗，蒸发性能差，进入 燃烧区时油珠基本未蒸发，形成滴群的扩散燃烧。燃烧形 式以单颗液滴燃烧形式进行。燃烧和蒸发几乎同步，蒸发 过程决定整个燃烧过程，反应动力学因素影响不大。
3
液体燃料的雾化特性（评价指标）
质量中间直径MMD： D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass 假设存在一中间直径dm，大于与小于dm的油珠的总质 量相等。
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），
第七章液体燃料的雾化
煤的燃烧方式
悬浮燃烧
燃料与空气的混合物喷入燃烧室或炉膛内，则燃料 将在这个空间内以悬浮状态完成燃烧过程。例如： 大型电站锅炉
固体燃料 （煤） 磨煤机 煤粉 (25~50μm) 燃烧器 炉膛 燃烧
燃烧前沿
含氧介质 燃烧产物
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
燃烧反应
提供热量
油的蒸发
整个燃烧过程的速度 油的蒸发速度 油的燃烧速度
油粒的蒸发与燃烧
dT •油滴的净导热量： Q1 4r dr •油滴升温： Q 4 r 3 C dT1 2 s l l 3 d
2
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll •油蒸气升温： Q4 mv C p (T TL )
液体燃料的雾化
作用：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
雾化机理
基本原理： 液体表面积不断增大，直到变得不稳定并 破裂。 压力式喷嘴：利用喷嘴进、出口压力差实现液滴 从液体射流中分离。 旋转式喷嘴：利用喷嘴进、出口压差和旋转离心力 使液膜失稳而分离液滴 气动式喷嘴： 利用空气和蒸汽作为雾化介质使液滴 从液体燃料中分离
Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程： 稳态时：
dT 4r mv Ll mv C p (T TL ) 0 dr
2
油粒的蒸发与燃烧
mv dr dT 2 C p (T TL ) Ll 4 r
边界条件： r rs， T TL
r ， T T
液体燃料的燃烧方法
液体燃料的燃烧方法液体燃料燃烧时，一般不发生液相反应，它通常是蒸发成为燃料的蒸气，然后蒸气和氧气发生反应而实现燃烧。
因此，根据蒸发方法不同而有如下的燃烧方式：（1）液面燃烧液面燃烧是一种依靠热辐射和热对流原理从附近火焰传热到液面，使液体燃料蒸发，然后在液面的上部进行扩散式燃烧，如煤油的釜式燃烧图5-28就属此种方式。
图5-28 釜式燃烧图5-29 灯芯燃烧(2)灯芯燃烧灯芯燃烧是一种依靠灯芯将燃料从下面的液体燃料贮藏器中吸到灯芯的顶部，并在灯芯的表面蒸发，然后进行扩散式燃烧，如常用的煤油灯燃烧和煤油炉燃烧就属此种燃烧方式(图5-29)。
(3)蒸发燃烧蒸发燃烧是—种利用一部分燃烧热量使液体燃料在蒸发管中受热而蒸发，然后象燃气一样和空气混合进行燃烧的方式。
如燃气轮机的蒸发式燃烧器及加压式燃烧器的燃烧方式就属此类。
图5-30为液体燃料的蒸发燃烧机理示意图。
图5-30 蒸发燃烧(4)喷雾燃烧喷雾燃烧是用喷雾器把液体燃料雾化成无数的直径为几微米至几百微米的微小油滴，然后和空气或氧气混合进行燃烧。
在燃烧过程中，它包含着液体燃料的雾化、喷雾和空气 (或氧气)的混合、油滴的蒸发和燃烧等单元过程所组成。
如柴油发动机和燃油锅炉的燃烧方式就属此类。
图5-31为喷雾燃烧机理示意图。
喷雾燃烧的燃烧工况与燃烧装置大小、所用燃料种类、雾化和混合的方法等有关，通常有以下四种燃烧工况：1)雾化好、油滴小、燃烧用的一次空气量多由于油滴小、蒸发快，而且一开始就有充足的空气量混合进去，故有着和气体燃料预混合燃烧器相类似的燃烧过程。
2)雾化好、一次空气量少仅管油滴的蒸发是快的，但因一次空气量不足，故有着和气体燃料扩散式燃烧相类似的燃烧过程。
3)雾化差、油滴大，一次空气量多由于有充足的空气，整个燃烧过程主要取决于油滴的蒸发速度，而油滴的蒸发快慢除与油滴大小有关外，还取决于液体燃料的种类和特性。
4)雾化差、一次空气量又少此种情况中，油滴的蒸发速度以及从周围的空气的扩散这两个因素同时对燃烧过程起着支配作用。
航空发动机燃烧学_ 液体燃料的雾化、蒸发与燃烧_63 雾化特性参数_
-1-
西北工业大学
航空发动机燃烧学课程组
《航空发动机燃烧学》
雾化特性参数
CONTENTS
-2-
1雾化细度
2液滴尺寸分部
3雾化锥角
4雾化均匀度
5流量密度分布
6雾化射程
质量中间直径(MMD d
m )
1
•液雾中大于这一直径的所有液滴的总质量恰好等于小于这一直径的所有液滴的总质量；
•MMD越小，真实液雾中的小颗粒所占的比例越大
雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线
d m与d32可能存在很大的差别，它
们之间存在一定的关系。
•雾化细度并不是越小越好。
•对于强化燃烧过程，雾化过细，
马上被气流带走，在某一区域形
成过浓的混合物；而在油滴无法
喷射到的地方，混合物的浓度却
很稀。
要求液滴直径在20~200 µm之间，且液滴的中间直径不大于75~100 µm
液滴的尺寸分布。
液体燃料的燃烧
•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
如何防止和减轻高温下燃料油的热裂解？ （1）以一定的空气量从喷嘴周围送入，防止火焰根部高温、 缺氧而产生热裂解。 （2）使雾化气流出口区域的温度适当降低，即使产生热裂 解，也能形成对称性的分解产物。 （3）使雾化的液滴尽量细。达到迅速蒸发和扩散混合，避 免高温缺氧区的扩大。
介质压力：介质压力高，冲击力强，脉动大，雾化好
雾化喷嘴：喷嘴小，油膜薄，雾化好
旋转强度：旋转强，油膜薄，雾化好
油性质：粘度小，雾化好（油温高，粘度小）
三、液体的雾化
雾化指标
雾化细度 质量平均当量直径 索太尔平均当量直径 上式中 δ i---液滴粒径 mi---直径为δ i液滴对应的质量 ni---直径为δ i液滴对应的个数
三、液体的雾化
雾化角 出口雾化角：在喷口处做雾化锥外边界线,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r为半径作弧,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,这两条连线的夹角的一半称为条件雾化角。
雾化喷嘴
（a）离心式机械雾化喷嘴 它也叫做离心式喷嘴。机械雾化喷嘴有很多种型式，图 5-37所示是应用最广泛 的切向槽式简单机械雾化喷嘴。如 图所示，它的主要零件是分流片3、旋流片2和雾化片1。油
第四章
液体燃料的燃烧
4.1 液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
（1） 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。 （2）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。
内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)PPT精品文档76页
同时还可得出表征雾滴均匀性的一些参数。
因此雾滴尺寸分布的测定，可看作是雾化特性试验研究的中 心内容。
粒度分布的实验方法：
凝固法 摄影法 散射法和衍射法 浸液法 印痕法
分数， R 1Vc
液体燃料是不可压缩流体，体积分数实际上与质量分数是相 同的。 在Vc-D图上，R=50%对应的直径以D50代表，相应的D10和 D90也代表Vc=10%和Vc=90%。 D50就是指中间直径MMD
在频率分布和剩余体积分布两者之中，通常可根据所选用测 试方法的特点，视其方便与否，首先求出一种，另一种便可 换算出来，同时还可算出体积增量分布。
罗森-拉米勒分布（R-R分布）
剩余体积分数
D
R e D
索特平均直径可表示为
SMD D
1 1
n xn1exdx 0
上限分布函数（ULDF）
R 1 1 y e(y)2 d (y)
SMD
D
1
1 ae 4 2
气有浩然，学无止境
内燃机燃烧学基础
主讲人:李国祥 教授 博导 白书战 副教授 博士
2020年1月21日
求真务实，开放拓新
第七章 液体燃料的雾化和蒸发
燃料的雾化和蒸发对燃烧过程有着重要影响
液体燃料要汽化，需要破碎成更小的液滴，增加比表面积。
柴油机的喷油、雾化、蒸发等过程只占一个循环中几十度曲 轴转角，在如此短的时间内，必须有足够的燃料蒸发完毕并 与空气进行混合，为燃烧做好物理准备
平均粒径
燃烧学(8)
雾化细度的选择
雾化细度越好，雾化质量越好 雾化细度并非越小越好
易被气流带走 造成局部燃料浓度过高或过小，造成燃烧不稳
32
雾化均匀度
衡量雾化后液滴之间的尺寸差异 雾化均匀度指标：均匀性指数n
罗森-兰姆分布：Yd=exp[-(d/dm)n] dm：对应d/dm=1 机械雾化器：n=1~4 求导以后得到粒度分布
24
流量系数和雾化角
机械雾化器
简单离心式
在通常压力下具有较好的雾化质量 能耗低，运行经济性好 结构简单，制造、安装、维护保养方便 自动控制简单 负荷降低时雾化质量恶化：油压降低 负荷调节范围小：
可调离心式
25
简单离心式喷嘴流量计算
1944年阿勃拉莫维奇对离心喷嘴的流量 系数和雾化角计算进行了求解
57
滴状燃烧：
油雾燃烧
实验发现，油雾燃烧过程中，油滴燃尽仍旧 服从直径平方-直线规律，但燃烧速度常数约 增加40% 其他研究发现，燃烧速度常数与压力有关
d02-d2=-f(p)Kcτ f(p)<1
油雾燃烧速度与滴群蒸发速度求解相似，但 需将蒸发速度常数改成燃烧速度常数
58
油雾燃烧中速度常数的增加
d0 2 K
44
实际应用中液滴蒸发时间修正
实际应用中，液滴与环境气流之间存在 相对速度，蒸发速度将加快，需要对蒸 发时间进行修正 蒸发常数：
K1’=K1(1+a1ScsRen) Sc：ν/D a1=0.3;s=1/3;n=1/2
【天津大学】燃烧学 7-1 液滴的蒸发与燃烧
本讲内容
• 应用背景 • 液滴蒸发的简单模型 • 液滴燃烧的简化模型 • 扩展到对流环境 • 其它因素 • 总结
燃烧学
2
7.1 应用背景
• 液体燃料燃烧设备：柴油机、火箭、燃气轮机、燃油锅炉、
工业窑炉、加热器；
• 采用喷雾燃烧；
• 在研究复杂的喷雾燃烧之前，了解单个液滴的燃烧是必要 的
图10.12 简单液滴燃烧模型(a) 温 度分布；(b) 组分分布
燃烧学
25
7.3 液滴燃烧的简化模型
• 三个重要的温度：液滴表面温 度Ts，火焰温度Tf，介质温度 T
• 燃料蒸气质量分数YF在液滴表 面时最大，向外单调递减到火 焰面处为零；
• 氧化剂质量分数YOx在远离火 焰的地方有最大值，到火焰处 为零。
• 这对周围温度很高的燃烧环境是一个很好的近似，而且 蒸发过程的数学描述可能是最简单的形式，这对工程计 算非常有用。
• 在这一章的靠后部分，我们还会建立一个更全面的液滴 燃烧模型。
燃烧学
6
7.2 液滴蒸发的简单模型
• 图10.9定义了这个球对称系统，半径r是唯一的变量。半
径的起点是液滴中心。液滴半径用rs表示。离液滴表面
K
8kg
l c pg
ln( Bq
1).
D2 (t) D02 Kt
td D02 / K
燃烧学
20
7.2 液滴蒸发的简单模型
• 采用以上公式可以很简单地预测液滴的蒸发。然而，在分 析中，我们假定cpg和kg都是常数。而实际上从液滴表面 到气流，它们的变化很大，我们面临的问题是如何合理地 确定cpg和kg。Law & Williams关于燃烧液滴的论述中，建 议由下面方法近似：
007 第七章 液体燃料燃烧
©
中南大学能源科学与工程学院
第三节 燃油烧嘴
三、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
1 1 1 2 2 2 p f u x f u pin f u in H 0 const . 2 2 2
根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为
©
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雾化质量的评定
di d di d m d dm R 36.8% R 50%
1 n
ln2
1 lg ln R n di lg d
©
1 1 lg ln lg ln R R 1 2 n lgd1 lgd 2
按调节或控制方法 按可使用的油质 按形成的火焰形状 按助燃空气的温度 按雾化方法： 气体介质雾化油烧嘴 油压式烧嘴 转杯式油烧嘴
©
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第三节 燃油烧嘴
三、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；
1
流量
2 0
为轴向速度系数
2 0
m f u x r f r
2H f
1/
A 1 2 1
为流量系数
m f r
©
2 0
2 H f
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第三节 燃油烧嘴
三、离心喷嘴理论
A 1 2 1
A 1 2 1
m
2
rm (r0 ra ) / 2
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D02
8 g cp,g L
ln1 BT
进一步简化：
D2 D02 k
rs →0 燃尽时间τb:
D2 D02 k
蒸发速率常数
g
k 8
cp,g L
ln1 BT
b
D02 k
初始油珠尺寸2 燃烧速度常数
τb ∝D02， D0↑，τb ↑
物性参数的选择：
cpg cpg (T )
kg 0.4F (T ) 0.6 (T )
形油珠。 4)在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
注意：雾化是物理过程、雾化后不是气体
液体燃料的雾化
作：
增加燃料的比表面积 加速燃料的蒸发汽化 有利于燃料与空气的混合 完全燃烧
液体燃料的雾化特性（评价指标）
1、雾化角
雾化角：又称油雾炬的张角，指喷嘴出口到 喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角。
条件雾化角：以喷嘴为圆心，r为半径的圆 弧和外包络线交点与喷口中心连线的交角。 α
• 热解和裂化 油蒸汽高温下受热 分解，产生固体碳和 氢气。 液体油粒也会裂化出 较轻的分子，剩下较 重的分子。
• 着火燃烧 油蒸汽、热解和裂 化产物与氧接触、达 到着火温度时，着火 燃烧。
氧气
热解产物 裂化产物
油气
燃烧前沿
燃烧产物
含氧介质
单个液滴的燃烧模型
油粒的蒸发与燃烧
油粒燃烧过程特点
提供反应物质
（一）液体燃料燃烧
液体燃料燃烧过程 （较气体复杂）
•雾化 •液滴汽化、蒸发 •燃料与空气混合 •液滴燃烧
雾化概念及过程
雾化概念：用物理方法使液体燃料碎裂成细小液滴 群的过程。
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
T (Tboil T ) / 2
• 例题： 直径为500μm的正乙烷（C6H14）在热的滞止
BT
BT ↑， mv ↑
油粒燃烧时间
根据质量守恒：蒸发速率＝液滴单位时间质量减少量
mv
mf
dm
d
L
4r
2
dr
d
mv
4rs
Cp
ln 1
Cp T TL
Ll
dr
d
rC p L
ln1 BT
r2
r02
2
g cp,g L
ln 1
BT
2a( g L
) ln1
BT
油粒燃烧时间
用油粒直径表示：D2
αr
雾化角的大小对燃烧完善程度 和经济性有很大影响，是雾化 器设计的一个重要参数。
液体燃料的雾化特性（评价指标）
雾化角对燃烧影响： 过大：油滴穿出湍流最强区域，混合不良， 燃烧不完全，降低燃烧效率。
过小：液滴不能有效分布在这个燃烧室空 间，造成局部过剩空气系数过大，燃烧温 度下降、着火困难、燃烧不良。
3 i
n 6
d
3 SMD
S
ni
d
2 i
nd
2 SMD
液体燃料的雾化特性（评价指标）
质量中间直径MMD： D50: Mass-median-diameter (MMD). The log-normal distribution mass median diameter. The MMD is considered to be the average particle diameter by mass
燃烧反应
油的蒸发
提供热量
整个燃烧过程的速度
油的蒸发速度 油的燃烧速度
油粒的蒸发与燃烧
•油滴的净导热量：
Q1
4r 2
dT dr
•油滴升温：
Q2
4 3
rs3
l
Cl
dT1
d
•油滴气化潜热：Q3 mv Ll
•油蒸气升温： Q4 mvC p (T TL )
稳态时：Q2 0, 稳定蒸发过程的热平衡方程：
4r 2
dT dr
mv Ll
mvCp (T
TL )
0
油粒的蒸发与燃烧
mv dr
dT
4 r 2 C p (T TL ) Ll
边界条件： r rs，T TL
r ，T T
蒸发速率
mv
4rs
Cp
ln 1
Cp T TL
Ll
引入传输系数：
BT
Cp T TL
Ll
mv
4rs
Cp
ln 1
＋R
直流喷嘴油滴流量密度分布曲线
液滴集中在油雾距轴线附 近，燃烧时间长、火焰长
－R
0
＋R
旋流喷嘴油滴流量密度分布曲线
液滴分布较均匀，与空气
混合好，燃烧快、火焰短
液体燃料的雾化特性（评价指标）
雾化对燃烧影响： 雾化越细，烧越充分； 雾化的好坏，是组织好燃料燃烧的前提。
油粒的蒸发与燃烧
• 蒸发 受热产生油蒸气
• d:特征尺寸R=36.8的液滴直径
•n 均匀度指数，n=1～4
di
例：R90=32:大于 90μm的颗粒占总颗粒的32％
液体燃料的雾化特性（评价指标）
4、流量密度分布
• 单位时间内在油滴运动的法线方向上，单位面积上通 过的油滴的流量。
• 判断油雾断面上油量分布的均匀程度。
流量密度
流量密度
－R
0
第七章 颗粒燃料的燃烧
刘雪玲 天津大学热能工程系
PM2.5
PM2.5：particulate matter 颗粒物，是指大气中直径小于 或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直 径还不到人的头发丝粗细的1/20。
根据PM2.5检测网的空气质量新标准： 优：0~35 良：35~75 轻度污染：75~115 中度污染：115~150 重度污染：150~250 严重污染：250及以上
雾化角对火焰的影响： 过大：火焰粗而短； 过小：细而长。
α αr
液体燃料的雾化特性（评价指标）
2、雾化液滴细度
Sauter平均直径：假设每个液滴直径相等时，按所测得的 所有液滴的总体积V与总表面积S计算出来的液滴直径。
V 6
ni
d
3 i
S
ni
d
2 i
d SMD
6V S
V 6
ni
d
假设存在一中间直径dm，大于与小于dm的油珠的总质 量相等。
Mddm Mddm
液体燃料的雾化特性（评价指标）
3、雾化均匀度
燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。
Rosin-Rammlar分布
R
R
100
exp
di
n
%
d
n大
•R：di d 液滴质量(体积)占取 样总质量(体积)的百分数
12月8日，预报PM2.5指数最高值达到395。 图为记者在济南市山大路拍到的街景。（中 新社发 邱江波 摄）
（一）液体燃料燃烧
发动机中喷射的汽油和柴油燃料
（一）液体燃料燃烧
航空燃气（涡）轮（发动）机
（一）液体燃料燃烧
运载火箭发动机（美国阿波罗土星推
进器，中国神九长征2号运载火箭液体助推器）