扩散火焰与液体燃料的燃烧幻灯片.ppt

第五章 扩散火焰与液体燃料的燃烧 汽车与交通工程学院 王维强 主要内容 各种火焰类型的回顾 扩散火焰与预混合火焰的区别 (以柴油机为例)扩散燃烧过程的几个阶段 液体燃料的喷雾特性 单个油滴的蒸发与燃烧 各种火焰类型的回顾 四种分类方法 可燃混合气的制备：预混合火焰、扩散火焰 燃烧过程中火焰的相对位置：定置火焰、行进火焰 混合气的流动状态：层流燃烧、湍流燃烧 着火方式：点燃、压燃 5.1 扩散火焰与预混合火焰的区别 混合气形成方式不同 燃烧速度的决定因素不同 预混合燃烧受控于化学反应动力学及传热与扩散 扩散火焰中混合与燃烧同时进行，燃烧受控于燃料与氧 化剂的扩散 液体燃料燃烧的一般特征 液体燃料燃烧的着火温度远高于它的沸点温度（如汽油，干点温度200oC，着火温度780K）。 燃料的活化能远大于气化热(如汽油，1281335 kJ/kg) 因此，液体燃料总是先蒸发后着火的，即燃烧总是在气态下进行的。 汽油机为准预混合的燃烧。柴油机以扩散燃烧为主。 提高扩散速度是提高扩散火焰燃烧的关键。工程上采用压力喷射法。如柴油机，为200MPa，实现细化。 柴油机扩散燃烧过程的几个阶段 5.2 液体燃料的喷雾特性 全国有喷雾学会(医学、农业、锅炉、内燃机、涡轮机、消防气象、降尘、化妆品、热处理等)。 如1ml的燃油，表面积为245mm2。若雾化成40μm油滴，油滴总数为2.99×107个，其表面积为1.5×106 mm2。表面积增大5090倍。 有了足够大的表面积有利于导热（吸热），扩散。（肉丝与肉块为例） 表征喷雾特征的三个参数：喷雾粒度、贯穿距离及喷雾锥角 （一） 喷雾粒度 喷雾粒度：表示燃料喷散雾化的程度，一般指喷散的细度和喷散的均匀度。如何求得喷雾中的油粒平均直径。 采用激光全息、CT技术加计算机数据采集处理技术。 表征粒度的方法：算术平均法、质量平均法、体积平均法、表面积平均法等，用的最多的是SMD（索特平均直径） 方法。 SMD方法的定义：按SMD计的全部油滴的体积与表面积之比与实际喷雾的V/A相等 单个油滴：V1/A1＝d/6 V1N/A1N＝V/A 影响柴油喷雾粒度的因素： 喷油压力、背压、油泵转速、喷油量、燃料性质、喷孔面积、喷孔粗糙度等 在一定的背压下，喷油泵转速提高，喷油压力增大，燃油从喷油器的出口速度增加，就能减小油滴的直径； 背压提高，则喷油速度降低且喷雾贯穿距离减小，会使液滴出现团聚现象，油滴直径增大； 增加喷油量，喷雾液滴产生团聚的可能性增大，从而也增大了液滴的直径。 SMD可以用经验公式表示 A为常数，对孔形喷嘴A=2.33×10-3，节流轴针喷嘴A=2.18×10-3，轴针喷嘴A=2.45×10-3；Δp为喷孔前后平均压差(MPa)；B为循环喷油量(mm3/循环)； 为周围介质密度(kg/m3)。 表征油滴粒度的方法： 油滴粒度分布曲线 油滴质量分布曲线 粒子数累积分布曲线 质量累积分布曲线 直径从x到x+dx之间的油滴数称作dn，其质量为dm 一次喷射中的(或作一次测量的)油滴的总数和总质量分别为NT、MT （二） 喷雾贯穿距离 贯穿距离的大小(即贯穿度)对燃料在燃烧室中的分布影响很大。 贯穿距离不能太大，也不能太小。 贯穿度太大，有较多的燃油喷到燃烧室壁上；反之，贯穿太小，燃料不能很好地分布到燃烧室空间，使燃烧室空气得不到充分利用。 贯穿度必须根据混合气形成方式的不同要求与燃烧室相互配合。 贯穿度是喷雾燃烧品质的重要控制参数。 喷雾方式有两种：无涡流的自由喷射、有涡流的受限喷射。 无涡流的自由喷雾贯穿距离具体的推导： 根据动量守恒：燃料入口的动量等于出口处燃料与空气的动量和，很容易建立入口半径与出口半径之间的关系。 无量刚化：同时除以燃料的入口质量，并对密度、半径、速度无量纲化，由于u=dx/dt，可以得到贯穿距离x与时间t之间的关系为： x∝t0.5 （三） 喷雾锥角 喷雾形成的油束一般是各种大小不同的油滴组成的圆锥体，该圆锥体组成的夹角即喷雾锥角。 5.3 单个油滴的蒸发与燃烧 研究单个油滴蒸发与燃烧的原因：喷雾燃烧涉及到很多油滴同时发生热量、质量、动量交换以及化学变化，过程太复杂，而单个油滴则是其基础，如果知道单个油滴的喷雾与燃烧，同时知道喷雾中油滴群的尺寸、个数、速度的时空分布，则喷雾与燃烧过程很容易得到解析解。 单个油滴蒸发与燃烧的理想化：理想的扩散燃烧过程，以无限薄的燃烧火焰面为界面，将燃料与氧化剂分开。 假设单个油滴的蒸发面为壁面，外界热空气中没有燃料，燃料中无空气：很明显，燃料的蒸发与燃料的类别、介质温度与