8-液滴蒸发与燃烧解读.ppt

* * 结合对流来研究液滴燃烧问题有几种方法[13-17]。这里采用的化工领域中的“薄膜理论”。这种方法简单易懂，和我们简略介绍的初衷一致。 薄膜理论的本质是将无穷远处的热传递和质量传递的边界条件代之以所谓的薄膜半径，对组分为?M ，对能量为?T。 * * 从图10.15中可看出薄膜半径使浓度和温度梯度变大，于是增加了液滴表面的质量和热的传递速率。当然，这意味着对流提高了液滴燃烧速率，也就是减少了燃烧时间。 * * * * 薄膜半径的定义用到的特征数对于热传递是Nusselt数， Nu ，对质量传递是Sherwood数，Sh。从物理上来讲，Nusselt数是液滴表面处的无量纲温度梯度，而Sherwod数是表面的无量纲浓度（质量分数）梯度。薄膜半径严格的定义是： * * 对于静止的介质， Nu=2 ；这时，没有对流， ?T?? 。与Lewis数一致性假设相应，我们假设Sh=Nu 。 * * 对于强制对流下液滴的燃烧，Faeth [13]推荐使用下面的关系式来计算： Nu: 其中Reynolds数Re基于液滴直径和相对速度。为了简单起见，热物理属性可以用平均温度处的参数据来计算（方程10.76d）。 * * 根据基本守恒定律，受对流影响的主要有外区的组分守恒关系式（氧化剂分布，方程10.37和10.38）和包括外区的能量守恒关系式（外区的温度分布，方程10.44和火焰面的能量平衡，方程10.63）。 * * 将由薄膜理论得到的组分守恒的边界条件， 代入10.37, yields * * 方程10.80（考虑对流）与方程10.38（不考虑对流）对应。 将由薄膜理论得到的能量守恒的边界条件， 代入方程10.40，得到外区的温度分布： * * 使用方程10.82来计算火焰处能量平衡（方程10.61），可得： * * 这一方程相当于静止介质中的方程10.54。 我们又一次建立了一个包括五个未知数 ，Tf，rf，YF,s和Ts的非线性代数方程组（参见表10.1）。同时解其中的三个未知数 —— ，Tf ，rf——得到燃烧速率： * * 或 其中传递数前面介绍过（参见方程10.68b）。值得注意的是，这个方程与静止介质的方程区别仅在于Nusselt数的出现。在静止介质情况下， Nu=2 ，两者得到相同的结果。 * * 其它因素 在实际液滴燃烧中还有很多复杂的因素被前面的简化理论忽略掉了。 在简化模型中，所有的属性都认为是常数，由对平均值合理的选择来得到与实验相符的结果。 * * 实际上，许多属性与温度和位置有很大的关系。对变属性的研究有许多不同的方法，其中一些很全面的方法参见参考文献[29]和[30]。文献[12]比较了各种不同的简化方法的数学结果。 * * 还应该指出，当环境温度或压力处于蒸发液体的热力学临界点时，只有变属性才能使守恒方程得到正确公式，这在模拟柴油机和火箭发动机中的液滴燃烧中有很重要的意义。对于超临界液滴燃烧和蒸发的信息参见参考文献[31]和[32]。 * * 由D2预测理想火焰脱离距离参见Law et al.[33]，是忽略液滴表面和火焰之间液汽积聚不稳定作用的结果。这种作用对D2定律模型结果的影响，可以通过在实验里观察火焰的移动来得到[15,33]。 * * 对液滴加热的更复杂的模型还要考虑液滴中温度的不同时性[34]。对液相的正确处理在多组分燃料液滴[35，36]中很重要。与此相关的还有对流环境下液滴中的剪切流动，也就是所谓的内循环[16，36]。 * * 最近很多关于单个液滴气化包括其数学模型的研究，都是将这一问题放入合适的轴对称系统中。这种方法直接考虑了对流的影响，而不是先假设球对称然后做修正[36]。最近有的模型[37]还考虑了火焰层详细的化学动力学，放弃了火焰面和一步化学反应的近似。 * * 在近零重力下的实验结果是在对液滴和火焰间碳黑壳形成的观察[27]。 在通常重力下，浮力作用下的流动通过对流将烟带离液滴。而在零重力下，没有浮力引起的流动来去掉烟，便形成了碳黑壳。 这个壳大大地改变了燃烧过程，使辐射在燃烧和熄火中起着重要的作用[26，28]。 * * 最后我们来讨论一下多液滴间的相互作用，这一现象可能出现在燃料喷雾中。喷雾蒸发和燃烧有着很大的实用意义，而且有一套很大的与之相关的理论。深入研究喷雾的一个好起点是文献[14,20,38]。在喷雾燃烧中的一个基本的问题是如何处理变环境条件，比如液滴在燃尽之前就消失，与液滴蒸发速率间的关系。 * * 一维蒸发控制燃烧 在这一节里，我们要用前面介绍的概念来分析一个简单的，一维，稳定流动，液体燃料燃烧器。 之所以单独列出这一节，是因为这是如何将液滴蒸发和平衡的概念（第二章）与喷雾燃烧器模型，比如