液体燃料的蒸发与燃烧.pptx

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1、存在液体燃料燃烧的燃烧装置存在液体燃料燃烧的燃烧装置：直喷式活塞发动机；：直喷式活塞发动机；飞机燃气轮机；燃烧炉；锅炉飞机燃气轮机；燃烧炉；锅炉液体燃料的燃烧过程液体燃料的燃烧过程：雾化成油污：雾化成油污蒸发蒸发燃油蒸汽燃油蒸汽 在气态扩散火焰中燃烧在气态扩散火焰中燃烧本章主要研究内容本章主要研究内容：描述液体燃料喷雾火焰的结构描述液体燃料喷雾火焰的结构 建立建立单滴油珠单滴油珠（蒸发、燃烧）的模型（蒸发、燃烧）的模型 把把单滴油珠单滴油珠模型模型由由很多油滴很多油滴组成的油雾中组成的油雾中第1页/共95页液体油雾火焰的结构单滴油珠蒸发模型 油珠蒸发 d2定律及油珠寿命 特性参数取值 对流条件

2、下的油珠蒸发蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展油雾燃烧(油滴的相互作用)第2页/共95页第一节第一节 液体油雾的结构液体油雾的结构典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷第3页/共95页第4页/共95页第二节第二节 单个油珠蒸发模型单个油珠蒸发模型两相燃烧两相燃烧两相扩散燃烧两相扩散燃烧 油雾锥是由许多尺寸不同的单油雾锥是由许多尺寸不同的单滴油珠组成。因而单滴油珠在高温滴油珠组成。因而单滴油珠在高温环境的蒸发与燃烧规律是进一步研环境的蒸发与燃烧规律是进一步研究油雾燃烧的基础究油雾燃烧的基础第5页/共95页第6页/共95页1 液态燃料燃烧重要过程液态燃料燃烧重要过程油雾中的油雾

3、中的油滴油滴蒸发蒸发模拟在模拟在静止静止环境中（即没有自由和强迫对流）半径环境中（即没有自由和强迫对流）半径为为R的的孤立单滴油珠孤立单滴油珠的蒸发，求的蒸发，求质量蒸发速率与燃质量蒸发速率与燃料特性以及环境状况的函数关系料特性以及环境状况的函数关系第7页/共95页假设条件：假设条件：（1）油珠球对称（一维）；）油珠球对称（一维）；（2）过程为准稳态（气相传输速率）过程为准稳态（气相传输速率dR/dt，后者为油滴，后者为油滴半径的变化速率），即气相守恒方程中的时间偏导数项可半径的变化速率），即气相守恒方程中的时间偏导数项可以忽略，采用球坐标来表示气相稳态传输方程：以忽略，采用球坐标来表示气相稳

4、态传输方程：质量守恒方程质量守恒方程：第8页/共95页组分（能量）守恒方程组分（能量）守恒方程：纯蒸发无反应纯蒸发无反应即：在半径即：在半径r处的质量流量处的质量流量=油珠表面的质量蒸发率油珠表面的质量蒸发率(kg/m2*s)若求解则需要给能量守恒与组分守恒方程定义边界条件若求解则需要给能量守恒与组分守恒方程定义边界条件第9页/共95页在油珠表面：wf=1（液体）油珠表面能量守恒方程：第10页/共95页用能量输运律表用能量输运律表示的质量蒸发率示的质量蒸发率第11页/共95页液体组分守恒方程：意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和总流量对

5、流项扩散项第12页/共95页组分守恒和能量守恒方程具有相同的组分守恒和能量守恒方程具有相同的输运方程输运方程和和相同的边界条件相同的边界条件用组分输运律表用组分输运律表示的质量蒸发率示的质量蒸发率第13页/共95页第14页/共95页求解过程如下：求解过程如下：（1）对）对L()求一次积分，得到求一次积分，得到需估计油滴表面的常数需估计油滴表面的常数第15页/共95页（2）对油滴表面（）对油滴表面（r=R）应用如下边界条件：）应用如下边界条件：第16页/共95页（3）对方程分离变量，并从）对方程分离变量，并从r=R到到r 求积分，得到第17页/共95页第18页/共95页由于由于(r)对于对于T和

6、和f来说是一样的，因此有：来说是一样的，因此有：T,s=f,s BT=Bf方程的形式变为：方程的形式变为：wf,s=f(Ts)这里需要这里需要wf,s与与Ts的另一个方程来封闭求解的另一个方程来封闭求解假设油滴表面处于相平衡状态，调用克拉伯龙方程得到它们假设油滴表面处于相平衡状态，调用克拉伯龙方程得到它们之间的关系方程：之间的关系方程：做出这两个做出这两个B值随着值随着Ts的函数曲线，则其交点表示的就是所的函数曲线，则其交点表示的就是所需的边界条件需的边界条件第19页/共95页第20页/共95页注意注意：当当TsTbp（沸点温度）时，由于（沸点温度）时，由于wf,s1，所以，所以Bf存在两种极

7、限情况：（1）T Tbp（如油滴在热的燃烧产物中的情况）情况1：TsT，Bf0，即wf,s0,方程方程(4)变为：变为：第21页/共95页此时油滴的蒸发速度十分慢，以至于可以忽略斯蒂芬流动此时油滴的蒸发速度十分慢，以至于可以忽略斯蒂芬流动（气相对流项），油蒸汽主要由（气相对流项），油蒸汽主要由Fick扩散传送扩散传送B=Bfwf,s(T)-wf,其中wf,s(T)的压力为p，温度T=T 时的燃料质量分数的饱和值第22页/共95页情况2：Tsbp，wf,s1,故有故有Bf，msfvf即扩散带走的质量可以忽略，油蒸汽主要由斯蒂芬流动（即气相对流项）输运此时有：油滴加热蒸发时环境中可用的每单位质量能

8、量油滴加热蒸发时所需的能量第23页/共95页2 d2定律及油珠寿命定律及油珠寿命第24页/共95页D2蒸发定律蒸发定律说明：说明：（1）随着）随着D0减小，蒸发时间缩短；减小，蒸发时间缩短；（2）雾化效果（油滴尺寸小）对减小油滴蒸发时间很重要）雾化效果（油滴尺寸小）对减小油滴蒸发时间很重要（3）蒸发常数）蒸发常数k与与B关系较小，即蒸发常数与关系较小，即蒸发常数与T关系不大关系不大（由于传输系数与压力无关，并且对不同的气体其变化也很小，（由于传输系数与压力无关，并且对不同的气体其变化也很小，同时由于大多数燃料具有相似的密度，以及一个变数取对数后同时由于大多数燃料具有相似的密度，以及一个变数取对

9、数后其变化要比变数本身的变化慢得多，因此其变化要比变数本身的变化慢得多，因此D02/t的数值变化很小）的数值变化很小）第25页/共95页3 特性参数取值特性参数取值由于温度和组成在径向有变化，故用于计算由于温度和组成在径向有变化，故用于计算BT和和gDg（g/cpg）的气体特性是）的气体特性是r的函数的函数假设气体特性是一些平均常数，通常根据半经验油假设气体特性是一些平均常数，通常根据半经验油膜方程计算得到：膜方程计算得到：T=Ts+（T-Ts）wf=wf,s+（wf,-wf,s）对于空气中的单个油滴对于空气中的单个油滴wf,=0，一般取，一般取=1/3,则有则有第26页/共95页4 强迫对流

10、或自然对流条件下的油滴蒸发强迫对流或自然对流条件下的油滴蒸发第27页/共95页 实际燃烧过程中，油珠和气流间总是存在实际燃烧过程中，油珠和气流间总是存在相对相对运动运动，这样球对称的假设不再适用，即在对称球面，这样球对称的假设不再适用，即在对称球面上，浓度、温度等不再相等，斯蒂芬流也不再保持上，浓度、温度等不再相等，斯蒂芬流也不再保持球对称，为处理此类复杂问题，工程中一般采用球对称，为处理此类复杂问题，工程中一般采用“折算薄膜折算薄膜”来近似处理。来近似处理。第28页/共95页强迫对流条件下固体小球表面的努赛尔数强迫对流条件下固体小球表面的努赛尔数Nu=hD/g=(Re,Pr)=2+const

11、*Re1/2Pr1/32对于未蒸发油珠，公式中的常数为对于未蒸发油珠，公式中的常数为0.6，对于蒸发油，对于蒸发油珠，常数与蒸发速率有关（边界层上的气流流动引珠，常数与蒸发速率有关（边界层上的气流流动引起，对蒸发油珠来说，通常取起，对蒸发油珠来说，通常取0.56）强迫对流条件下的油珠纯蒸发（或燃烧）速率强迫对流条件下的油珠纯蒸发（或燃烧）速率等于相对静止条件下的相应速率乘以系数等于相对静止条件下的相应速率乘以系数Nu*/2第29页/共95页随着雷诺数的增大（油滴和气体间的相对速度增大），随着雷诺数的增大（油滴和气体间的相对速度增大），Nu增加，增加，h增大，增大，ms也随之增大也随之增大第30

12、页/共95页第三节第三节 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展对孤立的蒸发油滴，守恒方程可以以下面的形式表示对孤立的蒸发油滴，守恒方程可以以下面的形式表示L()=0其中其中可以为质量分数变量，也可以是显焓变量。由于可以为质量分数变量，也可以是显焓变量。由于方程中源项为零，故方程中源项为零，故为守恒标量，对化学反应情况，为守恒标量，对化学反应情况，s可以适当组合成一个守恒标量，则可以适当组合成一个守恒标量，则L()=0第31页/共95页考虑单个孤立油滴在静止氧化环境中燃烧的情形考虑单个孤立油滴在静止氧化环境中燃烧的情形不考虑对流，油滴将被下图所示的火焰包围不考虑对流，

13、油滴将被下图所示的火焰包围第32页/共95页参照参照s定义定义，就可以将蒸发油滴的分析扩展到燃烧情况，就可以将蒸发油滴的分析扩展到燃烧情况，这样燃烧油滴的边界条件就和蒸发油滴一样了：这样燃烧油滴的边界条件就和蒸发油滴一样了：第33页/共95页则在燃烧时，油滴的蒸发速率（称为油滴燃烧速率）公则在燃烧时，油滴的蒸发速率（称为油滴燃烧速率）公式为：式为：对在空气中燃烧的碳氢化合物，对数符号后面括号中的对在空气中燃烧的碳氢化合物，对数符号后面括号中的变量在变量在6-16之间，此时之间，此时D02/tb近似等于近似等于10-6m2/s第34页/共95页当当B具有典型的实际数值时（如等于具有典型的实际数值

14、时（如等于9.0），），ln(1+B)的增的增加比加比B的增加慢得多；的增加慢得多；从大气改为纯氧时，从大气改为纯氧时，B增加为原来的四倍，但仅使燃烧速增加为原来的四倍，但仅使燃烧速率增加约率增加约40%；粘性影响雾化特性，因而也影响粘性影响雾化特性，因而也影响D0，通常它对燃烧时间，通常它对燃烧时间的的 影响比燃料的其它特性的影响大得多影响比燃料的其它特性的影响大得多第35页/共95页第36页/共95页各参数定义与气相扩散火焰的是相同的，但与蒸发问题各参数定义与气相扩散火焰的是相同的，但与蒸发问题定义的定义的s有些不同。有些不同。因为因为wO,S=0(即火焰中没有氧气渗入即火焰中没有氧气渗入

15、)，于是有，于是有两个焓的比值化学恰当油气比第37页/共95页B数的形式与蒸发油滴的相同，但是多了一项考虑由化学数的形式与蒸发油滴的相同，但是多了一项考虑由化学反应中得到的能量项：反应中得到的能量项：fstwO,Hc为单位质量化学恰当混合物的反应热为单位质量化学恰当混合物的反应热为了计算为了计算cp,g和和g g的平均值，利用下式估算液膜特性的平均值，利用下式估算液膜特性第38页/共95页也可以用也可以用快速反应假设快速反应假设来计算火焰半径，从而推出在火焰表面来计算火焰半径，从而推出在火焰表面wf=wO=0对任意对任意r，方程，方程L()=0的解与方程的解与方程L()=0的解相同。的解相同。

16、第39页/共95页第40页/共95页经过与气态层流扩散火焰相似的分析，可以知道火焰位于化学经过与气态层流扩散火焰相似的分析，可以知道火焰位于化学恰当比的面上，并且：恰当比的面上，并且：Tf=Tad(=1)令方程令方程(9)中中r=rf，则，则第41页/共95页第42页/共95页【例例10.1】第43页/共95页第44页/共95页第45页/共95页第46页/共95页第47页/共95页第48页/共95页从计算中可以看出，虽然水蒸气的扩散性强，但是从计算中可以看出，虽然水蒸气的扩散性强，但是C6H6的饱和的饱和蒸汽压大，可见饱和蒸汽压对质量蒸发速率的影响起了决定性蒸汽压大，可见饱和蒸汽压对质量蒸发速

17、率的影响起了决定性的作用，使得的作用，使得C6H6的质量蒸发速率比水大的质量蒸发速率比水大6倍多倍多第49页/共95页第50页/共95页第51页/共95页第52页/共95页第53页/共95页同理得：同理得：从表中可以看出，液滴表面温度降低从表中可以看出，液滴表面温度降低2%，其寿命将增，其寿命将增大大30%。温度对液滴寿命的影响主要通过输运数。温度对液滴寿命的影响主要通过输运数BY来来实现的，其中分母实现的，其中分母1-YA,s当当YA,s很大时对温度的影响特很大时对温度的影响特别敏感。别敏感。第54页/共95页 在很多实际应用的装置中，特别是在很多实际应用的装置中，特别是燃气轮机和柴油机燃气

18、轮机和柴油机中，中，高温下液滴的蒸发高温下液滴的蒸发显得非常重要，在这些装置中，液滴显得非常重要，在这些装置中，液滴蒸发常常发生在液滴进入压缩的热空气中或者有燃烧反应的蒸发常常发生在液滴进入压缩的热空气中或者有燃烧反应的燃烧室中。燃烧室中。在火花点火的发动机中在火花点火的发动机中，吸气系统的温度接近环，吸气系统的温度接近环境温度，压力稍低于大气压力。在大多数情况下，境温度，压力稍低于大气压力。在大多数情况下，强制对流强制对流对蒸发过程对蒸发过程有重要影响有重要影响第55页/共95页【例例10.3】第56页/共95页第57页/共95页第58页/共95页根据上面计算的蒸发常数，当根据上面计算的蒸发

19、常数，当d50m时，时，td将在将在10ms这个数这个数量级上。在许多喷雾燃烧系统中，平均液滴尺寸大约为量级上。在许多喷雾燃烧系统中，平均液滴尺寸大约为50m或者更小。或者更小。第59页/共95页【例例10.4】第60页/共95页第61页/共95页第62页/共95页【例例10.5】第63页/共95页第64页/共95页第65页/共95页第66页/共95页第67页/共95页第68页/共95页第69页/共95页第70页/共95页第71页/共95页第72页/共95页第73页/共95页第74页/共95页第75页/共95页第76页/共95页第77页/共95页第78页/共95页第79页/共95页第80页/共

20、95页第81页/共95页第82页/共95页第83页/共95页第84页/共95页第85页/共95页第86页/共95页第87页/共95页第四节第四节 油滴的相互作用油滴的相互作用 在实际的喷油中，油滴密度非常高，于是孤立油滴假在实际的喷油中，油滴密度非常高，于是孤立油滴假设不成立，必须考虑油滴间的相互作用，可以通过观察油设不成立，必须考虑油滴间的相互作用，可以通过观察油滴蒸发的交换数看出这种相互作用的物理解释滴蒸发的交换数看出这种相互作用的物理解释 对于单个油滴，对于单个油滴，wf,=0。然而，对临近油珠正在蒸发。然而，对临近油珠正在蒸发的情形，的情形，wf,0，BBiso相应地，蒸发速率会有所下

21、降相应地，蒸发速率会有所下降第88页/共95页已经有多种方法来考虑油滴间的相互作用，一种近似方法已经有多种方法来考虑油滴间的相互作用，一种近似方法通过修正孤立油滴的计算结果来考虑相互作用，例如：通过修正孤立油滴的计算结果来考虑相互作用，例如：evap=evap,iso式中式中:为相互作用的修正因子，为相互作用的修正因子，=（N,D/R）N为相互作用阵列的油滴数；为相互作用阵列的油滴数；D为油滴间距为油滴间距且有且有1-(N-1)/(D/R)例如：假设油滴排列成对称的四个阵列，则例如：假设油滴排列成对称的四个阵列，则N=4，假设，假设D/R=5，则，则=0.4evap=0.4evap,iso第8

22、9页/共95页第90页/共95页油雾燃烧油雾燃烧 油雾燃烧室十分复杂的物理化学过程，它不是单个油油雾燃烧室十分复杂的物理化学过程，它不是单个油珠燃烧过程的简单叠加，要考虑油珠间的相互影响，不同珠燃烧过程的简单叠加，要考虑油珠间的相互影响，不同点有两个方面：点有两个方面：（1）相邻油滴释放燃烧热使油珠周围的温度增高，促使燃）相邻油滴释放燃烧热使油珠周围的温度增高，促使燃烧过程加速；烧过程加速；（2）油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓）油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓第91页/共95页 燃烧常数的变化取决于这两个方面的综合影响，燃烧常数的变化取决于这两个方面的综合影响，当前当前者的影响占

23、主导时，使者的影响占主导时，使Kf增大，进而燃烧速度加快，感应增大，进而燃烧速度加快，感应时间变小，反之，当后者占主导时，时间变小，反之，当后者占主导时，Kf降低，燃烧速度变降低，燃烧速度变慢，感应时间变长。慢，感应时间变长。实际的油雾燃烧，根据工作条件的不实际的油雾燃烧，根据工作条件的不同，采用燃烧不同，可以得到四种不同类型的油雾火焰同，采用燃烧不同，可以得到四种不同类型的油雾火焰第92页/共95页（1）预蒸发型气态燃烧：）预蒸发型气态燃烧：此时进口温度高，进入燃烧区之间油珠已经完成蒸发过程，此时进口温度高，进入燃烧区之间油珠已经完成蒸发过程，是油雾燃烧的一种极端情况（好的情况），类似于气体

24、湍是油雾燃烧的一种极端情况（好的情况），类似于气体湍流燃烧，蒸发过程几乎不影响火焰的长度。流燃烧，蒸发过程几乎不影响火焰的长度。（2）滴群扩散燃烧）滴群扩散燃烧对应于另一种极端情况（坏的情况），进口温度低，进燃对应于另一种极端情况（坏的情况），进口温度低，进燃烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，此时烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，此时火焰火焰的燃烧过程和蒸发过程几乎是同步的，蒸发过程的快慢控的燃烧过程和蒸发过程几乎是同步的，蒸发过程的快慢控制着整个燃烧过程的进展制着整个燃烧过程的进展，因而为了强化燃烧和缩短火焰，因而为了强化燃烧和缩短火焰，必须加速燃烧过程。必须加速燃烧过程。内

25、燃机和燃气轮机主燃烧时中的燃烧接近于这种情况内燃机和燃气轮机主燃烧时中的燃烧接近于这种情况第93页/共95页（3）复合燃烧：）复合燃烧：细油雾进入燃烧室室前已经蒸发完毕，并形成一定浓度的细油雾进入燃烧室室前已经蒸发完毕，并形成一定浓度的预混气体，燃烧区内既有预混气体的气相燃烧，又有粗大预混气体，燃烧区内既有预混气体的气相燃烧，又有粗大油滴的扩散燃烧油滴的扩散燃烧火箭发动机和冲压式发动机燃烧室中的燃烧接近该形式火箭发动机和冲压式发动机燃烧室中的燃烧接近该形式（4）气相燃烧加上液滴的蒸发：）气相燃烧加上液滴的蒸发：已经蒸发的油珠进行气象燃烧，未蒸发的油珠由于直径太已经蒸发的油珠进行气象燃烧，未蒸发的油珠由于直径太大而着不了火，只能在燃烧区中继续蒸发，而不存在扩散大而着不了火，只能在燃烧区中继续蒸发，而不存在扩散燃烧燃烧在后两种情况下，不是单纯一方面起作用，而是蒸发因素、在后两种情况下，不是单纯一方面起作用，而是蒸发因素、湍流因素和反应动力学因素共同起作用，实际装置属于哪湍流因素和反应动力学因素共同起作用，实际装置属于哪一种液雾燃烧类型，应该对不同情况进行具体分析一种液雾燃烧类型，应该对不同情况进行具体分析第94页/共95页感谢您的观看！第95页/共95页