燃烧学-5.扩散燃烧及火焰.

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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 (混合速度小于燃烧速度 )

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 。
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Biblioteka Baidu
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
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
(5.3.3)

湍流扩散火焰
用湍流涡团扩散系数ε代替(5.3.3)式内的层流扩散系
数D,即

ud 2
L ud 2
L
lu ud

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。
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




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)。
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
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
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: 分析: 1°喷射压差↗ :u0 ↗ 3°ρa、μa ↗ :空气阻力 ↗ 4° ρf 、 μf ↗ :液滴直径 dp ↗ L↗
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 。
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
L u0 t 1 2.4 a a f f
1/ 2
d d0
1.5
t
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。

喷雾特性

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。

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:
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