燃烧学-5扩散燃烧及火焰

扩散燃烧火焰类型气体扩散燃烧火焰液体燃料的喷射燃烧火焰基本概念扩散火焰高度燃料雾化的喷射特性单液滴燃烧油雾燃烧燃料液滴在壁上的蒸发和燃烧燃料膜的蒸发燃烧第五章扩散燃烧及火焰（diffusioncombustion）扩散燃烧概念，扩散火焰类型，气体扩散燃烧特点，扩散火焰高度，喷雾燃烧，单液滴燃烧模型喷雾燃烧原理，气体扩散燃烧特点单液滴燃烧模型的建立与求解喷雾燃烧观察与分析概念扩散燃烧基本概念燃料和氧化剂分别送入燃烧室，燃烧过程是边混合边燃烧。也即燃烧时燃料与空气尚未混合，而是边扩散边燃烧，燃烧所用的氧气全靠外界扩散获得，称为扩散控制燃烧，扩散燃烧，其火焰称为扩散火焰。特征燃烧过程的进展包括两方面：燃烧氧化的化学动力过程和燃料与氧化剂混合的过程。根据燃烧过程进展条件的不同：燃烧过程化学动力燃烧（混合速度大于燃烧速度）扩散燃烧（混合速度小于燃烧速度）基本性质：控制燃烧速率的是混合过程的快慢。（更为常见）分类气体扩散燃烧扩散燃烧液体喷雾燃烧层流扩散燃烧（分子扩散）湍流喷雾燃烧（涡团扩散）5.1扩散燃烧火焰的类型按照燃料与空气分别供入的方式，扩散火焰可以有：a）自由射流火焰(freejetflame)b）同轴流扩散火焰（受限射流扩散火焰）(concentricjetflame)c）逆向喷流扩散火焰(counter-flowdiffusionflame)层流射流扩散火焰紊流射流扩散火焰优点：不会发生回火现象，稳定性又好，在燃烧前又不必要把燃料与氧化剂进行预先混合，操作方便，所以在工业上应用很广。5.2气体扩散燃烧火焰一、基本概念扩散火焰分布在宽度很小的区域中，在这一区域中，燃料气和氧化剂互相扩散，它们最初是分开的。已燃气体从一个燃烧区散布到另—个燃烧区，因而燃料气和氧化剂需要穿过形成的已燃气层，以便在点燃后相互接触。着火前燃料气和空气分子的扩散过程着火后燃料气与空气向燃烧产物中的分子扩散在具有理论燃烧剂量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃烧表面。燃烧速度取决于燃料与氧化剂的扩散速度和活性中心的扩散速度。实验现象富氧扩散火焰：火焰表面逐渐收缩到圆管的轴线上，成为圆锥形火焰。贫氧扩散火焰：空气中的氧气不足，这时火焰扩展到外管的壁上形成喇叭形的。同心圆管内的扩散火焰空气燃料空气1-富氧火焰2-贫氧火焰现象解释：一个稳定的火焰边界只能是燃料和氧化剂按化学计量比混合的表面，在火焰边界上不能有过剩的空气，也不能有过剩的燃料，否则，火焰边界的位置便不能稳定。扩散火焰只有在燃料与氧化剂以化学剂量比混合的表面上才是稳定的。二、扩散火焰高度1.实验观察火焰特征随气流喷射速度的变化层流扩散火焰推导依据：燃料通过圆管的质量流率M1与层流扩散混合的燃料质量M2成比例。2.数学模型火焰高度喷管尺寸（直径d）流率（u）2214/udduMdDLdM12dDLdud12DudL2（5.3.3）2udL湍流扩散火焰用湍流涡团扩散系数ε代替（5.3.3）式内的层流扩散系数D，即：2udLudul（5-4）dudL2湍流火焰的高度与喷管直径成正比，而与气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即L/d=定值。实验结果证实了这一点。5.3液体燃料的喷射燃烧火焰燃烧气态蒸发燃料雾化原因：使燃料破碎成细小的液滴以扩大它与空气接触表面，同时还尽可能将液滴合理地分布在燃烧室空间内，强化液体燃料的燃烧，满足燃烧性能好的要求。因此，液体燃料的喷射过程、喷雾特性对扩散燃烧性质及燃烧效率都有重要影响。一、燃料雾化的喷射特性雾化定义靠外界作用将连续的液流破碎成雾状的油液滴群的过程。液体燃料的喷射雾化方法用机械方法或用压缩空气对燃料加压喷散到燃烧室内；对燃料施加高压并用旋转加速方法从喷嘴喷出使其粉碎和分散；采用高压将燃料喷射在固体壁或挡板上产生飞溅破碎等等。燃油的破碎机理通过喷孔或环形缝隙，把燃油伸展成油柱(stream)或锥形空心油片(sheets)；在油柱或油片的表面出现波纹和扰动；在上述表面波和扰动的作用下，在油柱或油片的表面形成油线或空洞；油线的分裂(collapse)或空洞的扩大产生较大的油滴；由于大油滴在各种外力(运动液体的惯性力，气体动力，表面张力，粘性力等)的作用下发生振动，分散成小油滴；小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油滴，这些油滴的综合体称为油束(spray)。喷雾特性空间轮廓(长度、宽度、喷射的锥角，输送的空气或氧气的速度场等)；喷射横截面上的液体分布；雾化液体的液滴大小；雾化液体液滴大小的均匀性。1.喷雾油束的空间形状7.01.03.02103efacsRlds油束锥角(sprayangle)——喷油嘴孔口处油束外包络线的两条切线之间的夹角Sitkei给出的经验公式：增大喷射压差则流出喷孔燃油流速增大，使Re增加，造成增大。增加喷孔直径与喷孔通道长度比也可增大。ss喷雾油束的贯穿距离(spraypenetration)——在给定时间内，油束顶端实际到达的位置与喷油嘴喷孔间的距离称为喷雾油束的贯穿距离。021/21.502.41aaffutLdtd经验公式：分析：1°喷射压差↗：u0↗L↗2°喷孔直径d0↗：液滴直径dp↗L↗3°ρa、μa↗：空气阻力↗L↘4°ρf、μf↗：液滴直径dp↗L↗2．喷雾油束的燃油分布特性燃油分布特性：通过给出燃料浓度沿油束横截面径向分布和沿油束轴线分布的规律来反应。燃料浓度分布：22expffmCChr轴线上：横截面径向上：xCf1r22exprhCCfmfCfm——r=0处轴线上的燃料浓度值h——常数，综合反映具体喷射过程的各种因素的影响，通过试验来确定。浓度分布特点：在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分布规律。在轴线上燃料浓度有最大值，随轴线方向距离的增加浓度迅速减小，靠近喷孔燃料浓度变化大，离喷孔越远的横截面内燃料浓度变化越小，以至整个截面趋于均匀。3.喷雾油束中的液滴尺寸大小液滴的平均直径：衡量雾化程度的指标。经验公式（柴油机）：0/miidndn31/30/vmiidndn21/20/smiidndn总体积及表面积平均直径[索特（Sauter）平均直径]32iisiinddnd算术平均直径体积平均直径表面积平均直径（最为通用）0.25070.513.31fcsfcvgddgufd喷油压力差增大使喷射速度增大，ds减小；黏度增大，雾化质量变坏，ds减大；喷孔直径增大，ds减大4.喷雾油束中液滴尺寸分布特性液滴尺寸分布特性：喷雾液滴尺寸大小及各种尺寸的液滴数量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函数关系表示。液滴尺寸分布曲线——液滴数量的微分分布。常用的喷雾油束液滴尺寸分布函数有：(1)罗森(Rosin)—瑞姆勒(Rammler)分布函数；(2)拔山—棚泽分布函数。液滴直径液滴数量液滴直径二、单液滴燃烧(蒸发和燃烧）破碎后的油滴置于高温含氧介质中所发生的变化：1）油滴的蒸发燃烧——油滴在不是很高的温度下，蒸发成气态后，与氧气分子接触达到着火温度着火燃烧。（蒸发速度、燃烧速度）2）油滴的热解和裂化——和氧接触前便达高温、热解、产生固体碳和氢气（燃油炉子所见到的黑烟）；未蒸发前剧烈受热，发生裂化，产生焦粒或沥青（重油烧嘴的“结焦”现象）。结论：油滴燃烧所需时间与油滴初始直径平方成正比，故燃料雾化质量对液体燃料燃烧的影响是很大的。三、油雾燃烧油雾——由许多粒度不等的油滴组成。工程上液体燃料的燃烧通常都是一群粒度不等的液体组成的液雾在燃烧。液雾燃烧的特点液滴大小不均匀；液滴有一定速度，处于强迫流动；除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热；液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸热不能忽略；液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧气扩散，一般使燃烧速度变慢；小液滴易燃尽，大液滴不易燃尽。油雾的燃烧规律轻质油基本符合直径平方—直线定律；重质油（重油）燃烧时首先受热产生碳黑壳，接着内部气化、膨胀、破裂，再燃烧，但最终总结果，燃尽时间基本符合直径平方—直线定律关系。油雾燃烧的三种形式(a)油滴之间距离很远时的燃烧(b)表示“初态油滴群燃烧”(c)表示“整体油滴群燃烧图5-13将火焰位置作为颗粒分散度的函数进行叠加的结果(燃料为十二烷)强化油雾燃烧的途径加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器；增加空气与油滴的相对速度。相对速度越大，越有利于燃料和空气之间的扩散、混合，加强燃烧；及时、适量供风及时供风，避免高温、缺氧造成燃料热分解；适量供风，提高燃烧效率；供风原则少量一次风送入火焰根部，在着火前与燃料混合，防止油在高温下热分解；燃烧中保证油雾与空气强烈混合，气流雾化角与油雾扩散角相适应；保证后期混合，提高风速，使射流衰减变慢在着火区制造适当的回流区，保证着火