燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧[精]

二、水蒸发时的斯蒂芬流
• 假设：
– A-A为一水面，水面 上方为大气空间， 水面A-A处为水与空 气的相分界面，在 相界面上只有水蒸 气和空气两种气体 组 分 ， 以 f1 和 f2 分 别 表示水蒸气和空气 的质量相对浓度。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
二、水蒸发时的斯蒂芬流
三、碳燃烧时的斯蒂芬流
– 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 d02 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
火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油 滴内部燃料浓度ff0为常数。
• 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。
基本方程
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
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
6.2液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
– 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。 – 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
油的流量
油滴表面温度，假设 等于油的饱和温度
将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分
Tr4
dT
T0
Cp T T0
H
r1 dr r r0 2
qm

4
Cp

1 r0

1 r1

ln1

Cp H
Tr
T0

液滴燃烧模型

krrd
4
4.3液滴燃烧模型
另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小
联立后得到
燃尽时间 或者改写为
qm

பைடு நூலகம்
rr
d
d

6
d
3


r r
2
d
2
dd d
2ddd kd
d d 2 kd


d
2 0
d 2
k
d
2

d
2 0

k
4.3液滴燃烧模型
• 上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律
• 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
CmHn 缺氧 xC+yH2+Cm-xHn-2y
三、喷雾型燃烧的要点
– 蒸发良好 – 供氧充分
6.3油滴的蒸发
一、静止气流中的油滴特点
假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个 球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即
式中：
4r2D dC/dr = bqm
D——氧的分子扩散系数；
C——氧的浓度；
b——氧与油的化学计量比。
将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：
C 4DdC 0

r1 bqm
气扩散，一般使燃烧速度变慢 – 小液滴易燃尽，大液滴不易燃尽
二、液雾燃烧的特点
– 液滴大小不均匀 – 液滴有一定速度，处于强迫流动 – 除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热 – 液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸
热不能忽略 – 液滴强烈蒸发，燃烧，在界面上产生向外的质量流，
斯蒂芬流，不能忽略 – 液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧
r1
– 忽略对流与辐射换热；
– 忽略液滴周围的温度场不均匀对热导
r0
率和扩散系数的影响；
– 忽略斯蒂芬流。
Tr T0
C0
r dr
液滴燃烧模型
• 推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系
对于半径为r的球面，由热量平衡可知：
4 r2 d dT rq mC pT T 0H
油的气化潜热
导热率
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
传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。
• 燃料蒸气在表面处的浓度ffs大于环境中的浓度ff∞，故燃料蒸气由y油滴表面向
基本方程变换为
由方程的相似性变换可得
求解
积分
求解蒸发速度
求解蒸发时间
结果
6.4液滴的燃烧
液滴的燃烧模型
• 单个液滴的燃烧模型，假设：
– 液滴为均匀对称球体；
– 液滴随风飘动，与空气间无相对运动；
– 燃烧及快，火焰面薄；
– 火焰温度较高，向内向外同时传热，
液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温 度等于理论燃烧温度；
燃烧学
第6章
液体燃料的燃烧
6.1 Stefan流
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。
dr r2
r1

bqm 4DC
4.3液滴燃烧模型
消去r1，得：
qm 4r0Cp ln1CHp Tr T0DbC
k
8
rr

Cp
ln1CHp Tr
T0DbC
式中，rr——油密度；
d——液滴直径
则：
qm
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。
二、喷雾型燃烧的特点
• 液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总
是燃烧其蒸气
• 燃烧过程分为三步：
– 蒸发：较慢 – 混合：油蒸汽与氧相互扩散，较快 – 燃烧：燃烧速度高 油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度