工程燃烧学工程燃烧学 (33).ppt

www.islide.cc1第四节 燃料液滴的蒸发 一、液滴蒸发时的斯蒂芬流l燃料蒸气含量在液滴表面最高。随着半径增大，含量（质量分数）逐渐减小，直到无穷远处，。l对于空气，其质量分数的变化正好相反，在无限远处 ，并逐渐减小到液滴表面的 值。l在任意半径处，有 燃料液滴蒸气过程燃料蒸气和其他气体燃料液滴蒸气过程燃料蒸气和其他气体x（空气）含量（质量分数）的变化趋势（空气）含量（质量分数）的变化趋势 l空气和燃料蒸气在液滴表面与环境之间存在浓度梯度。由于浓度梯度的存在，使燃料蒸气不断地从表面向外扩散；相反地，空气x则从外部环境不断地向液滴表面扩散。l在液滴表面，空气力图向液滴内部扩散，然而空气既不能进入液滴内部，也不在液滴表面凝结。因此，为平衡空气的扩散趋势，必然会产生一个反向流动。根据质量平衡定理，在液滴表面这个反向流动的气体质量正好与液滴表面扩散的空气质量相等。这种气体在液滴表面或任一对称球面以某一速度 vg离开的对流流动被称为斯蒂芬（Stefan）流。l斯蒂芬流数学表达式：l在蒸发液滴外围的任一对称球面上，由斯蒂芬流引起的空气质量迁移正好与分子扩散引起的空气质量迁移相抵消，因此空气的总质量迁移为0。l实际上不存在x组分的宏观流动。真正存在的流动是由于斯蒂芬流动引起燃料蒸气向外对流，其数量为：二、相对静止环境中液滴的蒸发相对静止环境指液滴与周围气体间无相对运动。1）周围介质温度低于液体燃料的沸点时，在相对静止环境中液滴的蒸发过程实际上是分子的扩散过程。即：mo-液滴周围混合气中燃料蒸汽质量分数；D-气体分子扩散系数，m2/s；l2）液滴在高于液体燃料沸点的高温气流介质中，液滴燃料受热升温而蒸发。当液滴达到某一温度，液滴所得的热量恰好等于蒸发所需要的热量，于是液滴温度就不再改变，蒸发处于平衡状态，液滴在此温度下继续蒸发直到汽化完毕。l液滴蒸发掉的数量就是等于扩散出去的分子量，即蒸发速率等于扩散速率。以液滴为中心，r为半径的液滴蒸发能量的平衡方程为：l 球面上由外部环境向内侧球体的导热量；l 液体蒸气升温所需的热量；l 液滴蒸气消耗的潜热；l 液体内部温度升高所消耗热量。7 在液滴达到蒸发平衡温度后，有：（Tl液滴温度，Tbw液滴平衡蒸发温度）能量平衡方程式化简为：边界条件积分得：对于半径为 rl的液滴，存在：是静止环境中液滴的蒸发速率常数 l相对静止环境中液滴完全蒸发所需的时间0为：l可知：温差和燃油物理特性确定后，蒸发时间只是油滴初始直径平方的函数，称为直径平方蒸发定律。l初始直径越大，蒸发所需时间就越长（成平方倍增加）。所以若液体燃料雾化后具有较多的大颗粒液滴，则蒸发时间就会大大地延长，因而火炬拖长，燃烧效率降低。故要缩短液体燃料蒸发时间，就必须要求具有较小的雾化细度。三、强迫气流液滴的蒸发l实际的液滴蒸发和燃烧过程，往往和周围气体有相对运动。l当液体燃料喷入炉膛时，和周围气体间有较大的相对运动速度，此时液滴周围的边界层会出现迎风面变薄，背风面变厚，其形状和相对运动速度的大小有关；l这使得蒸发和燃烧过程的计算变得十分困难，目前还很难解决这个复杂的问题。把液滴周围不规律的边界层折算成理想情况下的均匀边界层，则蒸发过程中液滴达到热平衡时，蒸发速率为：Tsu-折算边界层温度，K；Tbw-液滴平衡蒸发温度，K；Lo-液滴汽化潜热，J/kg。、在强迫对流气流中液滴完全蒸发时间也可写成：随着相对速度增大，Nu数增大，使得K1增大，因而蒸发时间比静止环境中明显缩短。四、燃料液滴群的蒸发l在实际喷嘴雾化过程中所形成燃料液滴是由大小不同的液滴群组成。l雾化均匀度差(n值小)的油雾，在其蒸发初始阶段具有较快的蒸发速率；但当其60%（按体积计）的燃料被蒸发完后，蒸发速率就变慢。这时雾化均匀度好的油雾却蒸发得快了。l说明雾化均匀度差的油雾，虽然其初始蒸发速率很快，但蒸发完全所需时间却较长；反之，雾化均匀度好的燃料，最初蒸发虽较慢，但蒸发过程却结束得较早。