燃烧学-扩散燃烧及火焰.ppt
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1、燃烧学扩散燃烧及火焰 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 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n概念概念扩散燃烧基本概念 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
2、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,而是边边边边扩散边燃烧扩散边燃烧扩散边燃烧扩散边燃烧,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,扩散燃烧扩散燃烧扩散燃烧扩散燃烧,其火焰称为,其火焰称为扩散火焰扩散火焰扩散火焰扩散火焰。n特征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。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:根据燃烧过程进展条件的不同:燃烧过程燃烧过程化学动力燃
3、烧化学动力燃烧化学动力燃烧化学动力燃烧(混合速度大于燃烧速度混合速度大于燃烧速度混合速度大于燃烧速度混合速度大于燃烧速度)扩散燃烧扩散燃烧扩散燃烧扩散燃烧 (混合速度小于燃烧速度(混合速度小于燃烧速度(混合速度小于燃烧速度(混合速度小于燃烧速度 )基本性质基本性质基本性质基本性质:控制燃烧速率的:控制燃烧速率的是混合过程的快慢。是混合过程的快慢。(更为常见)(更为常见)n分类分类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层流扩散燃烧散燃烧(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)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
4、散火焰可以有:按照燃料与空气分别供入的方式,扩散火焰可以有:a a)自由射流火焰自由射流火焰 (free jet flame)(free jet flame)b b)同同轴轴流流扩扩散火焰(受限射流散火焰(受限射流扩扩散火焰)散火焰)(concentric jet flame)c c)逆向喷流扩散火焰)逆向喷流扩散火焰 (counter-flow diffusion flame)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优点优点优点优点: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 与氧化剂进行预先混合与氧化
5、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。5.2 气体扩散燃烧火焰一、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,扩散火焰分布在宽度很小的区域中,在这一区域中,燃燃燃燃料气和氧化剂互相扩散料气和氧化剂互相扩散料气和氧化剂互相扩散料气和氧化剂互相扩散,它们最初是分开的。,它们最初是分开的。已燃气体从一个燃烧区散布到另已燃气体从一个燃烧区散布到另个燃烧区,因而个燃烧区,因而燃料燃料燃料燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层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,以便在点
6、燃后相互接触。触。n着火前燃料气和空气分子的扩散过程着火前燃料气和空气分子的扩散过程n着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散n 在具有理论燃烧剂量(在具有理论燃烧剂量(=1=1)的表面上)的表面上形成火焰前沿形成火焰前沿形成火焰前沿形成火焰前沿,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。n实验现象实验现象n富氧扩散火焰:火焰表面逐渐富氧扩散火焰:火焰表面逐渐收缩到圆管的轴线上,成为圆收缩到圆管的轴线上,成为圆锥形火焰。锥形火焰。n贫氧扩散火焰:
7、空气中的氧气贫氧扩散火焰:空气中的氧气不足,这时火焰扩展到外管的不足,这时火焰扩展到外管的壁上形成喇叭形的。壁上形成喇叭形的。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 空气空气1-富氧火焰富氧火焰 2-贫氧火焰贫氧火焰现象解释现象解释现象解释现象解释: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。Overventilated flameU
8、nderventilated flame 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表面上才是稳定的。学剂量比混合的表面上才是稳定的。二、扩散火焰高度 1.实验观察实验观察 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 n层流扩散火焰层流扩散火焰推导依据:燃料通过圆管的质量流率推导依据:燃料通过圆管的质量流率推导依据:燃料通过圆管的质量流率推导依据:燃料通过圆管的质量流率MM1 1与层流扩散混合的与层流扩散混合的与层流扩散混合的与层流扩散混合的 燃料质量燃料质量燃料质量燃料质量MM2 2成比例成比例成比例成比例 。2.数学模型数学模型火焰高度火焰高度
9、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)(5-2)n湍流扩散火焰湍流扩散火焰(5-4)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关,即 L L L L/d d d d=定值定值定值定值。实验结果证实了这一点。实验结果证实了这一点。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:5.3 液体燃料的喷射燃烧火焰 燃烧燃烧气态气态蒸发蒸发燃料雾化燃料雾化燃料雾化燃料雾化原因:原因:原因:原因:使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气
10、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倍一、燃料雾化的喷射特性n雾化定义雾化定义 靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。n液体燃料的喷射雾化方法液体燃料的喷
11、射雾化方法n用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内;用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内;n对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉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;碎和分散;n采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎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。等等。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n传统的燃油破碎雾化机理传统的燃油破碎雾化机理气动雾化理论气动雾化理论n通过喷孔或环形缝隙,把燃油通过喷孔或环形缝隙,把燃油伸展成油柱伸展成油柱
12、伸展成油柱伸展成油柱(stream)或锥或锥形空心油片形空心油片(sheets);n 在油柱或油片的表面在油柱或油片的表面出现波纹和扰动出现波纹和扰动出现波纹和扰动出现波纹和扰动;n 在上述表面波和扰动的作用下,在油柱或油片的表面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形成油线或空洞形成油线或空洞形成油线或空洞;n 油线的分裂油线的分裂油线的分裂油线的分裂(collapse)或空洞的扩大或空洞的扩大产生较大的油滴产生较大的油滴产生较大的油滴产生较大的油滴;n 由于大油滴在各种外力由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力,气体动力,运动液体的惯性力,气体动力,表面张力,粘性力等
13、表面张力,粘性力等)的作用下发生振动,的作用下发生振动,分散成小油分散成小油分散成小油分散成小油滴滴滴滴;n 小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油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滴,这些油滴的综合体称为油束油束油束油束(spray)。传统上:(近嘴区域)初次雾化二次雾化喷嘴内的空穴喷嘴内的空穴喷嘴内的空穴喷嘴内的空穴流动及湍动流动及湍动流动及湍动流动及湍动喷雾雾化过程新的雾化理论雾化机理雾化机理雾化机理雾化机理 喷嘴喷嘴n喷雾特性喷雾特性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 n空间轮廓空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角,输送的空气或
14、长度、宽度、喷射的锥角,输送的空气或氧气的速度场等氧气的速度场等);n喷射横截面上的液体分布;喷射横截面上的液体分布;n雾化液体的液滴大小;雾化液体的液滴大小;n雾化液体液滴大小的均匀性。雾化液体液滴大小的均匀性。1.1.喷雾油束的空间形状喷雾油束的空间形状油束油束油束油束锥锥锥锥角角角角(spray angle)喷喷油嘴孔口油嘴孔口处处油束外包油束外包络络线线的两条切的两条切线线之之间间的的夹夹角角Sitkei给给出的出的经验经验公式: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
15、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 。喷雾油束的贯穿距离喷雾油束的贯穿距离(spray penetration)在给定时间在给定时间内,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。雾油束的贯穿距离。经验经验公式:公式:分析分析分析分析: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 2喷雾油束的燃油分布特性喷雾油束的燃油分布特性 燃燃燃燃油油油油分布特性分布特性分布特性分布特性:通过
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- 关 键 词:
- 燃烧 扩散 火焰
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