燃烧理论基础第五章概述
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• 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。
• SMD可以用经验公式表示 S.M.D f P, a,mB,
S.M .D
A(p)0.135
B 0.121 0.131
S.M .D
i 1 k
di2ni
i 1
Δni为直径为di被测量的油粒数量；k为直径分档数；N为被测油滴总数。
• 影响柴油喷雾粒度的因素：
喷油压力、背压、油泵转速、喷油量、燃料性质、喷 孔面积、喷孔粗糙度等
• 在一定的背压下，喷油泵转速提高，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；
5.1 扩散火焰与预混合 火焰的区别
• 混合气形成方式不同 • 燃烧速度的决定因素不同
预混合燃烧受控于化学反应动力学及传热与扩散 扩散火焰中混合与燃烧同时进行，燃烧受控于燃料与氧
化剂的扩散
液体燃料燃烧的一般特征
• 液体燃料燃烧的着火温度远高于它的沸点温度（如汽 油，干点温度200ºC，着火温度780K）。
滞燃期I：混合、焰前反应
缓燃期III：扩散速度控制
急燃期II：多点着火燃烧
后燃期IV：残余混合气 燃烧，对发动机性能不利
5.2 液体燃料的喷雾特性
• 全国有喷雾学会(医学、农业、锅炉、内燃机、 涡轮机、消防气象、降尘、化妆品、热处理等)。
如1ml的燃油，表面积为245mm2。若雾化成40μm油滴， 油滴总数为2.99×107个，其表面积为1.5×106 mm2。 表面积增大5090倍。
a
• 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；Δp为喷孔前后平均压差
(MPa)；B为循环喷油量(mm3/循环)；a为
周围介质密度(kg/m3)。
• 表征油滴粒度的方 法：
油滴粒度分布曲线
油滴质量分布曲线
粒子数累积分布曲线
质量累积分布曲线
烧涉及到很多油滴同时发生热量、质量、动量交换以 及化学变化，过程太复杂，而单个油滴则是其基础， 如果知道单个油滴的喷雾与燃烧，同时知道喷雾中油 滴群的尺寸、个数、速度的时空分布，则喷雾与燃烧 过程很容易得到解析解。
• 单个油滴蒸发与燃烧的理想化：理想的扩散
燃烧过程，以无限薄的燃烧火焰面为界面，将燃料与 氧化剂分开。
法、表面积平均法等，用的最多的是SMD（索特平均直径） 方法。
• SMD方法的定义：按SMD计的全部油滴的体积与表面积
之比与实际喷雾的V/A相等
• 单个油滴：V1/A1＝d/6
V A
k i 1
6
di3ni
k
di2ni
S.M .D 6
i 1
V1N/A1N＝V/A
k
di3ni
• 无量刚化：同时除以燃料的入口质量，并对密度、
半径、速度无量纲化，由于u=dx/dt，可以得到贯穿距 离x与时间t之间的关系为： x∝t0.5
（三） 喷雾锥角
• 喷雾形成的油束一般是各种大小不同的 油滴组成的圆锥体，该圆锥体组成的夹 角即喷雾锥角。
5.3 单个油滴的蒸发与燃烧
• 研究单个油滴蒸发与燃烧的原因：喷雾燃
组分分布
• 求解原理：组分守恒 ＋ 能量守恒
5.3.1 单个油滴蒸发 过程的解析分析
• 单个油滴的蒸发过程为Stefen流问题（条件：
存在扩散过程及物理化学过程）
• 温差（T ∞ －TW）引起热传递（温度较低的液体 进入温度较高的空气）
• 贯穿度必须根据混合气形成方式的不同要求与 燃烧室相互配合。
• 贯穿度是喷雾燃烧品质的重要控制参数。
• 喷雾方式有两种：无涡流的自由喷射、有涡流 的受限喷射。
• 无涡流的自由喷雾贯穿距离具体的推导： • 根据动量守恒：燃料入口的动量等于出口处燃料与
空气的动量和，很容易建立入口半径与出口半径之间 的关系。
• 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NT、MT
（二） 喷雾贯穿距离
• 贯穿距离的大小(即贯穿度)对燃料在燃烧室中 的分布影响很大。
• 贯穿距离不能太大，也不能太小。
• 贯穿度太大，有较多的燃油喷到燃烧室壁上； 反之，贯穿太小，燃料不能很好地分布到燃烧 室空间，使燃烧室空气得不到充分利用。
• 假设单个油滴的蒸发面为壁面，外界热 空气中没有燃料，燃料中无空气：很明显，
燃料的蒸发与燃料的类别、介质温度与成分、 油滴的初始尺寸有关。
YFR
TR 液相
相界面
T
气相
设T为温度，Yi为第i个组 分的质量分数， 下标∞、W、R分别代表周 围介质、油滴表面蒸发处、
油滴内部。
• 稳常定数蒸 ，发 液时 相， 源液区相YF内R=温1 度与组分分布一定：TR为 • 气相区无穷远处燃料的质量分数 YF∞=0 • 为求解蒸发速度，必须知道液相及气相的温度与
• 有了足够大的表面积有利于导热（吸热），扩 散。（肉丝与肉块为例）
• 表征喷雾特征的三个参数：喷雾粒度、贯穿距 离及喷雾锥角
பைடு நூலகம் （一） 喷雾粒度
• 喷雾粒度：表示燃料喷散雾化的程度，一般指喷散的细
度和喷散的均匀度。如何求得喷雾中的油粒平均直径。 采用激光全息、CT技术加计算机数据采集处理技术。
• 表征粒度的方法：算术平均法、质量平均法、体积平均
• 燃料的活化能远大于气化热(如汽油，1281>335 kJ/kg) 因此，液体燃料总是先蒸发后着火的，即燃烧总是在 气态下进行的。
• 汽油机为准预混合的燃烧。柴油机以扩散燃烧为主。 • 提高扩散速度是提高扩散火焰燃烧的关键。工程上采
用压力喷射法。如柴油机，为200MPa，实现细化。
柴油机扩散燃烧过程的几个阶段
《燃烧理论基础》课件
第五章 扩散火焰与液体燃料 的燃烧
汽车与交通工程学院 王维强
主要内容
• 各种火焰类型的回顾 • 扩散火焰与预混合火焰的区别 • (以柴油机为例)扩散燃烧过程的几个阶段 • 液体燃料的喷雾特性 • 单个油滴的蒸发与燃烧
各种火焰类型的回顾
• 四种分类方法
可燃混合气的制备：预混合火焰、扩散火焰 燃烧过程中火焰的相对位置：定置火焰、行进火焰 混合气的流动状态：层流燃烧、湍流燃烧 着火方式：点燃、压燃
• 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。
• SMD可以用经验公式表示 S.M.D f P, a,mB,
S.M .D
A(p)0.135
B 0.121 0.131
S.M .D
i 1 k
di2ni
i 1
Δni为直径为di被测量的油粒数量；k为直径分档数；N为被测油滴总数。
• 影响柴油喷雾粒度的因素：
喷油压力、背压、油泵转速、喷油量、燃料性质、喷 孔面积、喷孔粗糙度等
• 在一定的背压下，喷油泵转速提高，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；
5.1 扩散火焰与预混合 火焰的区别
• 混合气形成方式不同 • 燃烧速度的决定因素不同
预混合燃烧受控于化学反应动力学及传热与扩散 扩散火焰中混合与燃烧同时进行，燃烧受控于燃料与氧
化剂的扩散
液体燃料燃烧的一般特征
• 液体燃料燃烧的着火温度远高于它的沸点温度（如汽 油，干点温度200ºC，着火温度780K）。
滞燃期I：混合、焰前反应
缓燃期III：扩散速度控制
急燃期II：多点着火燃烧
后燃期IV：残余混合气 燃烧，对发动机性能不利
5.2 液体燃料的喷雾特性
• 全国有喷雾学会(医学、农业、锅炉、内燃机、 涡轮机、消防气象、降尘、化妆品、热处理等)。
如1ml的燃油，表面积为245mm2。若雾化成40μm油滴， 油滴总数为2.99×107个，其表面积为1.5×106 mm2。 表面积增大5090倍。
a
• 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；Δp为喷孔前后平均压差
(MPa)；B为循环喷油量(mm3/循环)；a为
周围介质密度(kg/m3)。
• 表征油滴粒度的方 法：
油滴粒度分布曲线
油滴质量分布曲线
粒子数累积分布曲线
质量累积分布曲线
烧涉及到很多油滴同时发生热量、质量、动量交换以 及化学变化，过程太复杂，而单个油滴则是其基础， 如果知道单个油滴的喷雾与燃烧，同时知道喷雾中油 滴群的尺寸、个数、速度的时空分布，则喷雾与燃烧 过程很容易得到解析解。
• 单个油滴蒸发与燃烧的理想化：理想的扩散
燃烧过程，以无限薄的燃烧火焰面为界面，将燃料与 氧化剂分开。
法、表面积平均法等，用的最多的是SMD（索特平均直径） 方法。
• SMD方法的定义：按SMD计的全部油滴的体积与表面积
之比与实际喷雾的V/A相等
• 单个油滴：V1/A1＝d/6
V A
k i 1
6
di3ni
k
di2ni
S.M .D 6
i 1
V1N/A1N＝V/A
k
di3ni
• 无量刚化：同时除以燃料的入口质量，并对密度、
半径、速度无量纲化，由于u=dx/dt，可以得到贯穿距 离x与时间t之间的关系为： x∝t0.5
（三） 喷雾锥角
• 喷雾形成的油束一般是各种大小不同的 油滴组成的圆锥体，该圆锥体组成的夹 角即喷雾锥角。
5.3 单个油滴的蒸发与燃烧
• 研究单个油滴蒸发与燃烧的原因：喷雾燃
组分分布
• 求解原理：组分守恒 ＋ 能量守恒
5.3.1 单个油滴蒸发 过程的解析分析
• 单个油滴的蒸发过程为Stefen流问题（条件：
存在扩散过程及物理化学过程）
• 温差（T ∞ －TW）引起热传递（温度较低的液体 进入温度较高的空气）
• 贯穿度必须根据混合气形成方式的不同要求与 燃烧室相互配合。
• 贯穿度是喷雾燃烧品质的重要控制参数。
• 喷雾方式有两种：无涡流的自由喷射、有涡流 的受限喷射。
• 无涡流的自由喷雾贯穿距离具体的推导： • 根据动量守恒：燃料入口的动量等于出口处燃料与
空气的动量和，很容易建立入口半径与出口半径之间 的关系。
• 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NT、MT
（二） 喷雾贯穿距离
• 贯穿距离的大小(即贯穿度)对燃料在燃烧室中 的分布影响很大。
• 贯穿距离不能太大，也不能太小。
• 贯穿度太大，有较多的燃油喷到燃烧室壁上； 反之，贯穿太小，燃料不能很好地分布到燃烧 室空间，使燃烧室空气得不到充分利用。
• 假设单个油滴的蒸发面为壁面，外界热 空气中没有燃料，燃料中无空气：很明显，
燃料的蒸发与燃料的类别、介质温度与成分、 油滴的初始尺寸有关。
YFR
TR 液相
相界面
T
气相
设T为温度，Yi为第i个组 分的质量分数， 下标∞、W、R分别代表周 围介质、油滴表面蒸发处、
油滴内部。
• 稳常定数蒸 ，发 液时 相， 源液区相YF内R=温1 度与组分分布一定：TR为 • 气相区无穷远处燃料的质量分数 YF∞=0 • 为求解蒸发速度，必须知道液相及气相的温度与
• 有了足够大的表面积有利于导热（吸热），扩 散。（肉丝与肉块为例）
• 表征喷雾特征的三个参数：喷雾粒度、贯穿距 离及喷雾锥角
பைடு நூலகம் （一） 喷雾粒度
• 喷雾粒度：表示燃料喷散雾化的程度，一般指喷散的细
度和喷散的均匀度。如何求得喷雾中的油粒平均直径。 采用激光全息、CT技术加计算机数据采集处理技术。
• 表征粒度的方法：算术平均法、质量平均法、体积平均
• 燃料的活化能远大于气化热(如汽油，1281>335 kJ/kg) 因此，液体燃料总是先蒸发后着火的，即燃烧总是在 气态下进行的。
• 汽油机为准预混合的燃烧。柴油机以扩散燃烧为主。 • 提高扩散速度是提高扩散火焰燃烧的关键。工程上采
用压力喷射法。如柴油机，为200MPa，实现细化。
柴油机扩散燃烧过程的几个阶段
《燃烧理论基础》课件
第五章 扩散火焰与液体燃料 的燃烧
汽车与交通工程学院 王维强
主要内容
• 各种火焰类型的回顾 • 扩散火焰与预混合火焰的区别 • (以柴油机为例)扩散燃烧过程的几个阶段 • 液体燃料的喷雾特性 • 单个油滴的蒸发与燃烧
各种火焰类型的回顾
• 四种分类方法
可燃混合气的制备：预混合火焰、扩散火焰 燃烧过程中火焰的相对位置：定置火焰、行进火焰 混合气的流动状态：层流燃烧、湍流燃烧 着火方式：点燃、压燃