单个滴燃烧技术研究报告.ppt

单滴燃烧 ——液滴燃烧的理论模型和解析解 今年的研究生复试，考察创新意识和分析能力，出了这两道题，后一道没有被采用： 三、我在小轿车的顶上装一个风力发电机，当轿车开起来以后，就可以利用相对风驱动风力发电机发电，再通过电动机驱动轿车前进，因而可以不消耗燃料，这一方案可行吗？如果说不能完全的取代燃料，可以部分的节能吗？简要说明理由。 四、海军60周年的海上阅兵刚过，分析一下，水面舰艇在航行时所受的阻力有哪些。潜艇是浮在水面上航行得快，还是潜在水下航行得快？为什么？如果要你定量的分析某舰艇的阻力，你会怎样做。 一、斯蒂芬流 在燃烧问题中，高温气流和气流周围的物体存在着一个相分界面，了解相分界面处情况，对于正确地写出边界条件，正确地研究各种边界条件下的燃烧问题是十分重要的。在燃烧问题中，在相分界面处存在着法向的流动，这与单组分流体力学问题是不相同的。通常单组分粘性流体流过惰性表面时，如果气压不是很低，则在表面处认为有一层附着层，但是多组分流体在一定的条件下在表面处将形成一定的浓度梯度，因而可能形成各种组分法向的扩散物质流。另外如果相分界面上有物理或化学过程存在，那么这种物理或化学过程也会产生或消耗一定的质量流。于是在物理或化学过程作用下，表面处又会产生一个与扩散物质流有关的法向总物质流。这个总物质流是由表面本身因素造成的。这一现象是斯蒂芬在研究水面蒸发时首先发现的，因此称为斯蒂芬流。要强调指出的是，这个斯蒂芬流是由扩散作用以及物理化学过程两个作用共同产生的。 水面蒸发流如右图所示。A—B是水面，水面上方空间是空气。这时水—空气相分界面处只有水汽和空气两种组分。我们用fH2O表示水汽的相对浓度，用fair表示空气的相对浓度。那么它们的分布如图所示。且有： 那么空间的水汽分子和空气分子扩散流分别是： 在相分界面上有： 并且： 也即有一个流向分界面的空气扩散流。但我们知道空气是不会被水面吸收的，那么这些流向相分界面的空气流到哪里去了呢？这里只有一种解释，即在分界面处，除有扩散流之外，一定还有一个与空气扩散流方向相反的空气—水蒸汽混合气的整体质量流，使得空气在相分界面上的总物质流为零。假设混合气的总体质量流是以流速v0流动的，这时每一组分的质量流就可以分为两部分：一部分是该组分由于浓度梯度造成的扩散物质流，另一部分是由于混合气的总体质量流所携带的该组分的物质流。因此，可以写出下边的关系式： 在水面蒸发问题中，水面处的总物质流为： 即： 由此可以得到在水面蒸发问题中，斯蒂芬流(即水的蒸发流)并不等于水汽的扩散物质流，而是等于扩散物质流加上混合气总体运动时所携带的水汽物质流两部分所构成。 问题：推导燃料液滴在空气中扩散燃烧时的火焰面半径计算公式，并分析理论计算与实验结果可能的差别。 二、单滴燃烧的计算公式 关于单滴液体燃料燃烧的数学研究，一维球对称准定常的数学模型可以求得解析解。模型如右图所示。为此现作如下假设： 1、忽略重力，液滴和火焰面为同心球形。 2、液滴半径与火焰面半径不变。单滴燃烧为定常过程。 3、火焰面是典型的扩散火焰面，即反应速率无限大，火焰面厚度无限薄。 4、燃料和氧化剂的物性参数相等并等于常数。 5、Le=λ/ρDcp=1。 6、液滴表面的温度与内部温度相等并等于其饱和蒸发温度T0。 这时，在球坐标下数学模型可以写成： 边界条件： 燃料的汽化潜热 燃料的饱和蒸发温度 其中，β为化学恰当比。 由扩散火焰的假定可知，当 所以可以分别在两个区域里积分组份方程： 在火焰面内有： 积分两次： 边界条件： 带入积分常数，最终可得： 在火焰面外有： 积分两次： 带入边界条件可得： 带入积分常数，最终可得： 求得火焰面内、外的浓度分布后，可由火焰面处的反应边界条件： 确定火焰面半径rf： 在r=rf处： 其中质量流量g0仍是未知数，为求得g0，可用能量方程减去组分方程以消去源项。在火焰面外rfr∞，令： 在火焰面内r0rrf，令： 将h的定义式分别代入以上两式（红），可以求得火焰面内外的温度分布。用火焰面内的分布关系代入蒸发量的边界条件，求得g0： 至此，已可以求得单滴燃烧的所有未知参数。其中火焰面半径可以叠代求得。但由于在推导过程中引入了假设，必然是计算结果与实验相比存在误差，带来误差的主要原因有： 1、由于在重力场中温度梯度带来自然对流的影响。火焰面形状，蒸发速率。 2、物性参数随温度变化。 3、并且Le数一般不等于1。对构造耦合函数h至关重要。 4、液滴的初始温度低于其蒸发饱和温度T0。 5、在燃烧过程中液滴直径不断减小。非定常过程。 6