燃燒學(xué)擴(kuò)散燃燒及火焰演示文稿

燃燒學(xué)擴(kuò)散燃燒及火焰演示文稿目前一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)燃燒學(xué)擴(kuò)散燃燒及火焰目前二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)概念擴(kuò)散燃燒基本概念

燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過程是邊混合邊燃燒。也即燃燒時(shí)燃料與空氣尚未混合，而是邊擴(kuò)散邊燃燒，燃燒所用的氧氣全靠外界擴(kuò)散獲得，稱為擴(kuò)散控制燃燒，擴(kuò)散燃燒，其火焰稱為擴(kuò)散火焰。目前三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)特征燃燒過程的進(jìn)展包括兩方面：燃燒氧化的化學(xué)動(dòng)力過程和燃料與氧化劑混合的過程。根據(jù)燃燒過程進(jìn)展條件的不同：燃燒過程化學(xué)動(dòng)力燃燒

（混合速度大于燃燒速度）擴(kuò)散燃燒

（混合速度大于燃燒速度）基本性質(zhì)：控制燃燒速率的

是混合過程的快慢。（更為常見）目前四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)分類氣體擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒液體噴霧燃燒層流擴(kuò)散燃燒（分子擴(kuò)散）湍流噴霧燃燒（渦團(tuán)擴(kuò)散）目前五頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)5.1擴(kuò)散燃燒火焰的類型

按照燃料與空氣分別供入的方式，擴(kuò)散火焰可以有：

a）自由射流火焰

(freejetflame)

b）同軸流擴(kuò)散火焰（受限射流擴(kuò)散火焰）

(concentricjetflame)

c）逆向噴流擴(kuò)散火焰

(counter-flowdiffusionflame)

層流射流擴(kuò)散火焰紊流射流擴(kuò)散火焰優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，穩(wěn)定性又好，在燃燒前又不必要把燃料與氧化劑進(jìn)行預(yù)先混合，操作方便，所以在工業(yè)上應(yīng)用很廣。

目前六頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)5.2氣體擴(kuò)散燃燒火焰一、基本概念

擴(kuò)散火焰分布在寬度很小的區(qū)域中，在這一區(qū)域中，燃料氣和氧化劑互相擴(kuò)散，它們最初是分開的。已燃?xì)怏w從一個(gè)燃燒區(qū)散布到另—個(gè)燃燒區(qū)，因而燃料氣和氧化劑需要穿過形成的已燃?xì)鈱?，以便在點(diǎn)燃后相互接觸。目前七頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)著火前燃料氣和空氣分子的擴(kuò)散過程目前八頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)著火后燃料氣與空氣向燃燒產(chǎn)物中的分子擴(kuò)散

在具有理論燃燒劑量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃燒表面。燃燒速度取決于燃料與氧化劑的擴(kuò)散速度和活性中心的擴(kuò)散速度。

目前九頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象富氧擴(kuò)散火焰：火焰表面逐漸收縮到圓管的軸線上，成為圓錐形火焰。貧氧擴(kuò)散火焰：空氣中的氧氣不足，這時(shí)火焰擴(kuò)展到外管的壁上形成喇叭形的。

同心圓管內(nèi)的擴(kuò)散火焰

空氣燃料空氣1-富氧火焰2-貧氧火焰現(xiàn)象解釋：一個(gè)穩(wěn)定的火焰邊界只能是燃料和氧化劑按化學(xué)計(jì)量比混合的表面，在火焰邊界上不能有過剩的空氣，也不能有過剩的燃料，否則，火焰邊界的位置便不能穩(wěn)定。目前十頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

擴(kuò)散火焰只有在燃料與氧化劑以化學(xué)劑量比混合的表面上才是穩(wěn)定的。目前十一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)二、擴(kuò)散火焰高度

1.實(shí)驗(yàn)觀察

火焰特征隨氣流噴射速度的變化

目前十二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)層流擴(kuò)散火焰推導(dǎo)依據(jù)：燃料通過圓管的質(zhì)量流率M1與層流擴(kuò)散混合的燃料質(zhì)量M2成比例。2.數(shù)學(xué)模型火焰高度噴管尺寸（直徑d）流率（u）

（5-2）目前十三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)湍流擴(kuò)散火焰

用湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)ε代替（5-2）式內(nèi)的層流擴(kuò)散系數(shù)D，即：（5-4）

湍流火焰的高度與噴管直徑成正比，而與氣流速度、湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)無關(guān)，即L/d=定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。

目前十四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)5.3液體燃料的噴射燃燒火焰

燃燒氣態(tài)蒸發(fā)燃料霧化原因：使燃料破碎成細(xì)小的液滴以擴(kuò)大它與空氣接觸表面，同時(shí)還盡可能將液滴合理地分布在燃燒室空間內(nèi)，強(qiáng)化液體燃料的燃燒，滿足燃燒性能好的要求。

因此，液體燃料的噴射過程、噴霧特性對(duì)擴(kuò)散燃燒性質(zhì)及燃燒效率都有重要影響。目前十五頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)一、燃料霧化的噴射特性霧化定義靠外界作用將連續(xù)的液流破碎成霧狀的油液滴群的過程。液體燃料的噴射霧化方法用機(jī)械方法或用壓縮空氣對(duì)燃料加壓噴散到燃燒室內(nèi)；對(duì)燃料施加高壓并用旋轉(zhuǎn)加速方法從噴嘴噴出使其粉碎和分散；采用高壓將燃料噴射在固體壁或擋板上產(chǎn)生飛濺破碎等等。目前十六頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)燃油的破碎機(jī)理通過噴孔或環(huán)形縫隙，把燃油伸展成油柱(stream)或錐形空心油片(sheets)；在油柱或油片的表面出現(xiàn)波紋和擾動(dòng)；在上述表面波和擾動(dòng)的作用下，在油柱或油片的表面形成油線或空洞；

油線的分裂(collapse)或空洞的擴(kuò)大產(chǎn)生較大的油滴；由于大油滴在各種外力(運(yùn)動(dòng)液體的慣性力，氣體動(dòng)力，表面張力，粘性力等)的作用下發(fā)生振動(dòng)，分散成小油滴；小油滴之間的碰撞可能產(chǎn)生更小油滴或聚合成較大油滴，這些油滴的綜合體稱為油束(spray)。目前十七頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)噴霧特性燃料噴射到靜止空氣中的影像

目前十八頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)空間輪廓(長度、寬度、噴射的錐角，輸送的空氣或氧氣的速度場等)；噴射橫截面上的液體分布；霧化液體的液滴大小；霧化液體液滴大小的均勻性。

θ噴油器LB目前十九頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)1.噴霧油束的空間形狀油束錐角(sprayangle)——

噴油嘴孔口處油束外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角Sitkei給出的經(jīng)驗(yàn)公式：

θs噴油器LB

增大噴射壓差則流出噴孔燃油流速增大，使Re增加，造成增大。增加噴孔直徑與噴孔通道長度比也可增大。目前二十頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

噴霧油束的貫穿距離(spraypenetration)——

在給定時(shí)間內(nèi)，油束頂端實(shí)際到達(dá)的位置與噴油嘴噴孔間的距離稱為噴霧油束的貫穿距離。

經(jīng)驗(yàn)公式：分析：1°噴射壓差↗：u0

↗L↗2°噴孔直徑d0

↗

：液滴直徑dp

↗L↗

3°ρa(bǔ)、μa

↗

：空氣阻力↗

L↘

4°ρf

、μf

↗

：液滴直徑dp↗

L↗

目前二十一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)2．噴霧油束的燃油分布特性

燃油分布特性：通過給出燃料濃度沿油束橫截面徑向分布和沿油束軸線分布的規(guī)律來反應(yīng)。燃料濃度分布

：rx目前二十二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)軸線上：橫截面徑向上：Cfm——

r=0處軸線上的燃料濃度值h——

常數(shù)，綜合反映具體噴射過程的各種因素的影響，通過試驗(yàn)來確定。濃度分布特點(diǎn)：在橫截面內(nèi)燃料濃度沿徑向分布服從正態(tài)分布規(guī)律。在軸線上燃料濃度有最大值，隨軸線方向距離的增加濃度迅速減小，靠近噴孔燃料濃度變化大，離噴孔越遠(yuǎn)的橫截面內(nèi)燃料濃度變化越小，以至整個(gè)截面趨于均勻。目前二十三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)3.噴霧油束中的液滴尺寸大小

液滴的平均直徑：衡量霧化程度的指標(biāo)。

經(jīng)驗(yàn)公式（柴油機(jī)）：總體積及表面積平均直徑

[索特（Sauter）平均直徑]算術(shù)平均直徑

體積平均直徑

表面積平均直徑

（最為通用）目前二十四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)4.噴霧油束中液滴尺寸分布特性

液滴尺寸分布特性：噴霧液滴尺寸大小及各種尺寸的液滴數(shù)量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函數(shù)關(guān)系表示。液滴尺寸分布曲線——液滴數(shù)量的微分分布。常用的噴霧油束液滴尺寸分布函數(shù)有：(1)羅森(Rosin)—瑞姆勒(Rammler)分布函數(shù)；(2)拔山—棚澤分布函數(shù)。液滴直徑液滴數(shù)量液滴直徑目前二十五頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)二、單液滴燃燒(蒸發(fā)和燃燒）

破碎后的油滴置于高溫含氧介質(zhì)中所發(fā)生的變化：1）油滴的蒸發(fā)燃燒

——

油滴在不很高的溫度下，蒸發(fā)成氣態(tài)后，與氧氣分子接觸達(dá)到著火溫度著火燃燒。（蒸發(fā)速度、燃燒速度）2）油滴的熱解和裂化——

和氧接觸前便達(dá)高溫、熱解、產(chǎn)生固體碳和氫氣（燃油爐子所見到的黑煙）；未蒸發(fā)前劇烈受熱，發(fā)生裂化，產(chǎn)生焦?；?yàn)r青（重油燒嘴的“結(jié)焦”現(xiàn)象）。目前二十六頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)高溫氣流中液滴的蒸發(fā)蒸發(fā)模型假設(shè)(1)液滴是球形的，由一高溫球面所包圍，相當(dāng)于包圍燃燒油滴的狹窄燃燒區(qū)，見圖所示；(2)蒸發(fā)是穩(wěn)定過程；(3)蒸發(fā)率決定于液滴的加熱速率；(4)蒸發(fā)率的大小能滿足液滴表面處蒸氣和液體處于平衡的條件；(5)通過傳熱和擴(kuò)散，液滴達(dá)到稍低于液體沸點(diǎn)的溫度；(6)蒸發(fā)過程是等壓的；(7)燃料蒸發(fā)和周圍介質(zhì)氣體滿足理想氣體定律；(8)導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而改變；(9)不考慮輻射和對(duì)流熱損失；(10)在液滴附近，燃料濃度和溫度隨離開液滴中心的距離作線性變化。目前二十七頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)理論計(jì)算1°質(zhì)量蒸發(fā)率對(duì)于半徑為r

的球面，由熱量平衡可知：導(dǎo)熱率油的質(zhì)量蒸發(fā)率油滴的氣化潛熱油滴表面溫度

液滴直徑的無限小，兩邊對(duì)r求導(dǎo)數(shù)：目前二十八頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)對(duì)球形火焰區(qū)積分，即從r0到r（r≤r1），從T0到T（T≤T1）：（5-19）導(dǎo)熱熱量被用作蒸發(fā)熱，則：（5-20）式(5-20)代人式(5-19)中，并在r0到r（r≤r1），從T0到T（T≤T1）間積分：

（5-20）目前二十九頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)2°蒸發(fā)時(shí)間

通過上式我們可求出對(duì)于給定直徑的油滴完全蒸發(fā)所需的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為蒸發(fā)時(shí)間或油滴生存時(shí)間，油滴蒸發(fā)時(shí)間對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)來說是一個(gè)很重要的參數(shù)。對(duì)于半徑為r0的油滴，其質(zhì)量：（5-22）（5-23）對(duì)r0微分：將式(5-21)代人：（5-24）目前三十頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)r1>r0，故可以忽略：

（5-25）將上式自0到t，r0到r之間進(jìn)行積分：

（5-26）（5-27）（5-28）——蒸發(fā)常數(shù)

目前三十一頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

油滴的燃燒過程

油滴燃燒示意圖目前三十二頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)

根據(jù)油滴擴(kuò)散燃燒理論獲知，油滴的燃燒速度決定它的蒸發(fā)速度。

油蒸發(fā)速度，也就是在單位時(shí)間蒸發(fā)的油汽量應(yīng)該與氧從周圍向火焰面擴(kuò)散的數(shù)量相等，或者說與氧的擴(kuò)散速度有著如下的關(guān)系：

（5-30）氧與燃油的化學(xué)當(dāng)量比從無窮遠(yuǎn)處(r=∞)與火焰面(r=r1)之間積分：目前三十三頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)（5-32）（火焰鋒面的位置）

將式(5-32)代人式(5-21)中并求解：（5-33）——直徑為2r的油滴在燃燒時(shí)，從油滴表面上蒸發(fā)的油汽量，也就是它在單位時(shí)間內(nèi)在焰面中燃燒掉的燃油量。式中T1為火焰面上的溫度，在所討論的條件下也就是理論燃燒溫度。目前三十四頁\總數(shù)三十九頁\編于五點(diǎn)令：（5-34）（5-35）（燃燒速度常數(shù)）

油滴在燃燒過程中其直徑不斷縮小，由此而減少的燃油重量等于其重量燃燒速度，即：（5-36）式(5-35)和式(5