燃烧学-5.扩散燃烧及火焰-PPT课件.ppt

1、江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院扩散燃烧火焰类型扩散燃烧火焰类型气体扩散燃烧火焰气体扩散燃烧火焰液体燃料的喷射燃烧火焰液体燃料的喷射燃烧火焰基本概念基本概念扩散火焰高度扩散火焰高度燃料雾化的喷射特性燃料雾化的喷射特性单液滴燃烧单液滴燃烧油雾燃烧油雾燃烧燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧燃料膜的蒸发燃烧燃料膜的蒸发燃烧第五章 扩散燃烧及火焰（diffusion combustion）江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院 扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点，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

2、烧模型扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点单液滴燃烧模型的建立与求解单液滴燃烧模型的建立与求解喷雾燃烧观察与分析喷雾燃烧观察与分析江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院 燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混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，而是合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称为扩散控制燃烧，为扩散控制燃烧，其火焰称为，其火焰称为。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江

3、苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院燃烧过程燃烧过程（）：控制燃烧速率：控制燃烧速率的是混合过程的快慢。的是混合过程的快慢。（更为常见）（更为常见）江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院气体扩散燃烧气体扩散燃烧扩散燃烧扩散燃烧液体喷雾燃烧液体喷雾燃烧层流扩散燃烧层流扩散燃烧（分子扩散）（分子扩散）湍流喷雾燃烧湍流喷雾燃烧（涡团扩散）（涡团扩散）江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院层流射流扩散火焰层流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰：不会发生回火现象：不会发生回火现象，稳定性又，稳定性又 好，在燃烧前又不必要把燃料好，在燃烧前又不必要把燃料

4、 与氧化剂进行预先混合与氧化剂进行预先混合，操作，操作 方便方便，所以在工业上应用很广。，所以在工业上应用很广。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院n 在具有理论燃烧剂量（在具有理论燃烧剂量（）的表面上）的表面上，形成燃烧，形成燃烧 表面。表面。n 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。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。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院同心圆管内的扩散火焰同心圆管内的扩散火焰 空气空气 燃料燃料

5、空气空气1-富氧火焰富氧火焰 2-贫氧火焰贫氧火焰：一个稳定的火焰边界只能是燃：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过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不能稳定。能稳定。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院Overventilated flameUnderventilated flame江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院 扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化学剂量比混合的

6、表面上才是稳定的。学剂量比混合的表面上才是稳定的。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院火焰特征随气流喷射速度的变化火焰特征随气流喷射速度的变化 江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院火焰高度火焰高度喷管尺寸（直径喷管尺寸（直径d）气流喷射速度（气流喷射速度（u）2214/udduMdDdLM12dDLdud12DudL2（5-2）2udL 江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院2udL udu l（5-4）dudL2 湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与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，即气流速度、湍流涡团扩散系数无

7、关，即 。实验结果证实了这一点。实验结果证实了这一点。DudL2用湍流涡团扩散系数用湍流涡团扩散系数代替（代替（5-2）式内的层流扩散系数）式内的层流扩散系数D，即，即：江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院燃烧燃烧气态气态蒸发蒸发使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气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，满足燃烧性烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性能好的要求。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因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧性

8、质及燃烧效率都有重要影响性质及燃烧效率都有重要影响。1cm3：4.83cm21071200cm2250倍江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院柴油机燃油喷射雾化：机械式高压喷射柴油机燃油喷射雾化：机械式高压喷射共轨式喷油器共轨式喷油器传统喷油器传统喷油器喷雾喷雾喷嘴喷嘴江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院传统上：（近嘴区域）初次雾化二次雾化喷雾雾化过程新的雾化理论江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程

9、学院喷嘴喷嘴江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院燃料喷射到静止空气中的影像燃料喷射到静止空气中的影像 江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院7.01.03.02103efacsRlds(spray angle)喷油嘴孔口处油束外包络喷油嘴孔口处油束外包络线的两条切线之间的夹角线的两条切线之间的夹角Sitkei

10、给出的经验公式：给出的经验公式：ss喷油器喷油器LB 增大喷射压差则流出增大喷射压差则流出喷孔燃油流速增大，使喷孔燃油流速增大，使Re增加，造成增加，造成 增大。增大。增加喷孔直径与喷孔增加喷孔直径与喷孔通道长度比也可增大通道长度比也可增大 。ss江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院021/21.502.41aaffu tLdtd 经验公式：经验公式：1喷射压差喷射压差 ：u0 L 2喷孔直径喷孔直径d0 ：液滴直径：液滴直径dp L 3a、a ：空气阻力：空气阻力 L 4 f、f ：液滴直径：液滴直径 dp L 江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院rx22ex

11、pffmCCh rxCf1江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院轴线上：轴线上：横截面径向上：横截面径向上：xCf1r22exprhCCfmfCfm r=0处轴线上的燃料浓度值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。试验来确定。：在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分：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，离喷孔越远的加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料

12、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。横截面内燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院 32iisiin ddn d0/miidn dn31/30/vmiidn dn21/20/smiidn dn算术平均直径算术平均直径 体积平均直径体积平均直径 表面积平均直径表面积平均直径（最为通用）最为通用）衡量雾化程度的指标。衡量雾化程度的指标。cfffcsdggudd31.315.7025.00江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院液滴直径液滴直径液液滴滴数数量量液滴直径液滴直径江苏大学江苏大学能源与动

13、力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院对于半径为对于半径为r 的球面，由热量平衡可知：的球面，由热量平衡可知：LTTCmdrdTrp024导热率油的质量蒸发率油滴的气化潜热油滴表面温度 液滴直径的无限小，两边对液滴直径的无限小，两边对r求导数：求导数：drdTCmdrdTrdrdp42)(0TTCmQdtdTmCQppAdrdTqAQ江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院drdTrdrddrdTCmp24对球形火焰区积分对球形火焰区积分，即从，即从r0到到r（rr1），从），从T0到到T

14、（TT1）：）：（5-19）012204rrrrpdrdTrdrdTrTTCm导热热量被用作蒸发热，则：导热热量被用作蒸发热，则：（5-20）LmdrdTrrr024式式(5-20)代人式代人式(5-19)中，并在中，并在r0到到r（rr1），从），从T0到到T（TT1）间积分：）间积分：（5-21）0001101ln4TTLCrrrrCmpp江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院 通过上式我们可求出对于给定直径的油滴完全蒸发所需的时通过上式我们可求出对于给定直径的油滴完全蒸发所需的时间，这个时间称为间，这个时间称为，油滴蒸发时间对燃，油滴蒸发时间对燃烧室设计来说是一个很重要的参

15、数。烧室设计来说是一个很重要的参数。对于半径为对于半径为r0的油滴，其质量：的油滴，其质量：（5-22）ffrm3430（5-23）0204drrdmdtmff对对r0微分：微分：将式将式(5-21)代人：代人：（5-24）00001201ln1TTLCdrrrrCdtpfp江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院r1r0，故，故 可以忽略：可以忽略：（5-25）00001lnTTLCdrrCdtpfp120/rr将上式自将上式自0到到t，r0到到r之间进行积分：之间进行积分：（5-26）002201ln2TTLCrrCtpfp（5-27）（5-28）fffffppdmrmrrmr

16、rrrmCTTLCK00101001010142)11(221ln81220Kddt蒸发常数 0001101ln4TTLCrrrrCmpp蒸发过程中，油滴直径的平方随蒸发过程中，油滴直径的平方随时间的变化呈直线关系。时间的变化呈直线关系。江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院油滴燃烧示意图油滴燃烧示意图江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院 油蒸发速度，也就是在单位时间蒸发的油汽量应该与氧从周围向油蒸发速度，也就是在单位时间蒸发的油汽量应该与氧从周围向火焰面扩散的数量相一致，即与氧的扩散速度有着如下的关系：火焰面扩散的数量相一致，即与氧的扩散速度有着如下的关系：（5

17、-30）mdrdCDrOO2224氧与燃油的化学当量比 从无穷远处从无穷远处(r=)与火焰面与火焰面(r=r1)之间积分：之间积分：1222204rOCOrdrmdcDO)1(412220rOCOrdmdcDO江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院1104122rmCDOO（5-32）2241OOCDmr（火焰锋面的位置）（火焰锋面的位置）将式将式(5-32)代人式代人式(5-21)中并求解中并求解 ：（5-33）2201001ln4OOppCDTTLCCrm m 直径为直径为2r0的油滴在燃烧时，从油滴表面上蒸发的油汽量，也就是的油滴在燃烧时，从油滴表面上蒸发的油汽量，也就是它

18、在单位时间内在焰面中它在单位时间内在焰面中。式中。式中T1为火焰面上的温度，为火焰面上的温度，在所讨论的条件下也就是理论燃烧温度。在所讨论的条件下也就是理论燃烧温度。)1(412220rOCOrdmdcDO江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院令：令：（5-34）220101ln8OOppfCDTTLCCK（5-35）4dKmf（燃烧速度常数）油滴在燃烧过程中其直径不断缩小，由此而减少的燃油重量等于油滴在燃烧过程中其直径不断缩小，由此而减少的燃油重量等于其重量燃烧速度，即其重量燃烧速度，即：（5-36）dtddddtdddddtdddtddtdVdtdmmfffff22334)(

19、236)(6)6(式式(5-35)和式和式(5-36)联立：联立：（5-37）Kdtdd2 江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院从从0到到t，d0到到d的范围内积分上式，得经过的范围内积分上式，得经过t时间燃烧后所剩余的油时间燃烧后所剩余的油滴颗粒大小：滴颗粒大小：)0(202tKddKtdd202从初始直径为从初始直径为d0的油滴燃烧到直径为的油滴燃烧到直径为d 所需的燃烧时间：所需的燃烧时间：Kddt220油滴燃尽油滴燃尽 所需的时间：所需的时间：KdtB20：油滴燃烧所需时间与油滴初始直径平方成：油滴燃烧所需时间与油滴初始直径平方成 正比，故正比，故江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院(a)油滴之间距离很远时的燃烧油滴之间距离很远时的燃烧 (b)表示表示“初态油滴群燃烧初态油滴群燃烧”(c)表示表示“整体油滴群整体油滴群燃烧燃烧 图图5-13 将火焰位置作为颗粒分散度的函数进行叠加的结果将火焰位置作为颗粒分散度的函数进行叠加的结果(燃料为十二烷燃料为十二烷)江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院江苏大学江苏大学能源与动力工程学院能源与动力工程学院