第6章 液体燃料燃烧
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【2017年整理】燃烧学复习重点
第一章燃烧化学反应动力学基础1、什么叫燃烧？2、浓度和化学反应速度正确的表达方法？化学反应速度如何计量？3、什么是单相反应、多相反应、简单反应、复杂反应、总包反应？4、质量作用定律的适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解质量作用定律？试用质量作用定律讨论物质浓度对反应速度的影响。
5、什么是反应级数？反应级数与反应物浓度（半衰期）之间的关系如何？6、常用的固体、液体和气体燃料的反应级数值的范围是多少？7、试用反应级数的概念，讨论燃尽时间与压力之间的关系。
8、惰性组分如何影响化学反应速率？9、Arrhenius定律的内容是什么？适用范围？如何从微观的分子运动论的观点来理解Arrhenius定律？10、什么是活化能？什么是活化分子？它们在燃烧过程中的作用？11、图解吸热反应和放热反应的活化能与反应放热（吸热）之间的关系。
12、什么叫链式反应？它是怎样分类的？链反应一般可以分为几个阶段？13、描述氢原子燃烧的链式反应过程。
14、试用活化中心繁殖速率和销毁速率的数学模型，结合编程技术，绘制氢原子浓度随时间变化的图线，解释氢燃烧的几种反应的情况。
并讨论：分支链反应为什么能极大地增加化学反应的速度？15、烃类燃烧的基本过程是什么，什么情况下会发生析碳反应？如何进行解释？什么样的烃类燃烧时更容易发生析碳反应？如何防止烃类燃烧析碳？16、图解催化剂对化学反应的作用。
17、什么叫化学平衡？平衡常数的计算方法？吕·查德里反抗规则的内容是什么？18、什么是燃料的低位发热量和高位发热量？19、试用本章的知识解释，从燃烧学的角度来看，涡轮增压装置对汽车发动机的作用是什么？20、过量空气系数（a）与当量比（b）的概念？21、燃烧过程中，有几种NOx的生成机理？第二章燃烧空气动力学基础——混合与传质1．为什么说混合与传质对燃烧过程很重要？2．什么是传质？传质的两种基本形式是什么？3．什么是“三传”？分子传输定律是怎样表述的？它们的表达式如何？（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、费克扩散定律）4．湍流中，决定“三传”的因素是什么？湍流中，动量交换过程和热量、质量交换的强烈程度如何？怎么用无量纲准则数的数值来说明这一点？5．试推导一个静止圆球在无限大空间之中，没有相对运动的情况下，和周围气体换热的Nu数，以及和周围气体进行传质的Nu zl数。
燃烧学 6液体燃料的燃烧
6液体燃料的燃烧6.1液体燃料的燃烧原理✧液体燃料的燃烧方式：主要为扩散燃烧✧液体燃料的燃烧过程：先蒸发气化为油蒸汽，进而进行均相燃烧。
（1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧）✧液体燃料燃烧特点：1、扩散燃烧2、非均相燃烧✧液体燃料与气体燃料的不同点：液体燃料在与空气混合之前存在着蒸发气化过程✧液体燃料在在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点，可将其燃烧分为，液面燃烧、灯芯燃烧、蒸发燃烧、雾化燃烧。
✧燃油雾化燃烧：油的雾化油滴的蒸发油滴的燃烧过程✧雾化燃烧：用雾化器将燃油分裂成许多微小而分散的油滴，以增加燃油单位质量的表面积，使其能和周围空间的氧化剂更好地进行混合，在空间达到迅速和完全的燃烧。
✧雾化的方法可分为机械式雾化和介质式雾化。
✧液体燃料雾化的目的（为什么用雾化、为什么说雾化过程是液体燃料燃烧的关键）：（P185）✧雾化性能及质量的评定主要指标：（P185）✧雾化过程的几个阶段：（P185）✧雾化角等概念（P186-P191好好看看）✧常用雾化方式及装置：①机械雾化、介质雾化、混合式雾化、组合式雾化。
②✧配风器的作用（任务）：P195✧配风原理及配风器应该满足的要求：P196-P197✧合理的稳焰技术：P203✧对于重油燃料，燃烧器应？P204✧加强液体燃料的燃烧方法：P201（1）加强雾化，减小油滴直径，选用合适的雾化器；（2）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；（3）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。
（4）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；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；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。
燃烧学讲义-第6章油滴燃烧分析解析
α
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
32
火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr
0
α
x
13
1、雾化评价指标
④ 流量密度：单位时间内，
流过垂直于油雾方向的单位面 积上的燃油体积。
3 m q …… r
(m s)
2
14
① 雾化粒度
雾化评价指标
② 雾化油滴均匀性
③ 雾化角： ④ 流量密度：
15
雾化原理
油射流或薄膜由于射流紊流、周围气体的气动力 作用、液体中可能夹杂气体、喷枪的振动及喷嘴 表面不光滑等因素，不可避免地要经受扰动。扰 动使薄膜或射流产生变形，特别是在气动压力和 表面张力作用下，使得表面变形不断加剧，以致 于射流或薄膜产生分裂，形成液滴或不稳定的液 带，液带随之也破裂成液滴。若作用在液滴上的 作用力相当大，足以克服表面张力时，较大的液 滴就会破裂成较小的液滴，这种现象称为“二次 雾化”。
化同时降低油的粘度，故进入喷嘴的燃油粘度越
高时仍能保证雾化质量，采用空气作介质时，空
气压力低，雾化质量较差。
21
22
离心式
– 利用高压泵使油具有很高的压力（ 20~200bar ），并 以一定的角度沿切向方向进入喷嘴的旋转室，或者通 过具有旋转槽的喷嘴芯进入旋转室。 – 油的部分压能转换为动能，液体旋转运动，根据自由 旋涡动量矩守恒定律，旋转速度与旋涡半径成反比， 因此越近轴心，旋转速度越大，静压愈小，结果在喷 嘴中央形成一股压力等于大气压的空气旋流，而液体 则形成使空气芯旋转的环形薄膜从喷嘴喷出，然后液 膜伸长变薄并拉成细丝，最后细丝断裂为小液滴，这 样形成的液雾为空心圆锥形。
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火焰锋面
O2—C∞
燃烧过程分析
δ
设半径r球面，通过其向内导热 量=油汽化且升温至T所需
dT 4 r qm C p (T T0 ) H dr
内燃机原理第六章 燃烧的基础知识
作用于液滴表面张力
We
液滴张力
a d0 u2
a —周围空气密度，kg/m3；
u —气液两相间的相对速度，m/s；
—液体表面张力，N/m；
d0 —液滴直径，m。
We
破碎可能性 汽、柴油：Wec 10 ~ 14
液滴最大直径：d 0 m a x
Wec a u2
强化燃料雾化的方法：
提高燃烧室内的空气压力——增大周围空气密度； 提高燃料喷射压力——增大液滴的相对速度；
一、湍流（紊流，Turbulence）定义 流速大小和方向无规则变化的微元气体流动。
湍流影像
进气流场
压缩湍动能
二、湍流特征参数 ➢湍流强度
脉动速度uT 瞬时速度u
平均速度U
速度
曲轴 转角
ICE在第i个循环、曲轴转角为 φ时的瞬时湍流速度：
u(,i) U (,i) uT (,i)
集总平均速度：
➢高能点火可以拓宽着火极限
二、火焰的传播
已燃气体
火花
火焰前锋面
vL
气缸 未燃气体
火焰层厚度
未燃气体
预热区
反应区 已燃气体
混合气浓度
混合气温度
反应速度
燃烧速率：
dm dt
vL
FL
m
m —混合气质量 FL —火焰前锋表面积 m —混合气密度
燃烧放热速率：
dQB dt
vL FL m Hum
甲醇
提高燃烧室内空气温度——减小液滴表面张力。
一、喷雾特性
贯穿距离
喷雾特性 喷雾锥角
➢贯穿距离
喷雾粒径
要求：足够的距离，穿过火焰，防止“火包油”
孔式喷油器贯穿距离计算方法：
燃烧学-第六章
二、雾化方式和喷嘴
• 按照油的雾化机理，工程上油的雾化方式分为：压力式、旋 转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。
压力式雾化喷嘴
压力式雾化喷嘴又称为离心式机械雾化器。它可以用在航空喷气发动机、 燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。 燃油在高压下通过雾化片的特殊机械结构将燃油雾化，通过喷油嘴喷出。 按该原理工作的雾化器有：直流式、离心式和转杯式
中间直径法（d50）
是一个假定液滴的直径，即液雾中大于或小于这一直径的两部分 液滴的总质量相等。
索太尔平均直径法（dSMD）
设在特定的液滴群中的滴数为N0 ，且所有液滴的直径都等于
dSMD，而这些液滴的总体积与总面积之比正好等于实际液滴群的总
体积与总面积之比。
18
（2）雾化角
出口雾化角
19
（3）燃料的流量密度分布 单位时间内通过与燃料喷射方向相垂直的单位截面上燃 油质量沿半径的分布规律。
20
（4）喷雾射程 喷嘴水平喷射时，油雾液滴丧失水平方向动能的行程。 不同直径油粒的射程也不同。射程取决于轴向速度和颗 粒度。射程的大小影响火焰长度。
21
（5）雾化均匀度 积分表示法 将大于某一直径d的所有液滴的质量占全部液滴质量的 百分数表示成液滴直径的函数。 微分表示法 将直径在d和d＋Δ d之间的所有液滴的质量占全部液 滴总质量的百分数表示成液滴直径的函数。
7
四、雾化燃烧－－重点
1.过程：
破碎 雾化器 液体 小液滴 悬浮 边蒸发边燃烧
燃料的蒸发表面积增加 上千倍
燃烧速度加快
2.关键问题：－－雾化 （1）雾化方式：据液体燃料的蒸发性定 不易蒸发的液体－－喷嘴雾化 （2）易蒸发的液体－－汽化器
第六章雾化技术之油滴及油雾燃烧
(
)
既然该过程是一个准稳态过程，所以，单位时间内油 滴表面的蒸发量m就应该等于通过油气区3内各个球面扩散 出来的油蒸气量，同样也等于在火焰峰面处燃烧所消耗的 油蒸气量。蒸发速率或燃烧速率是单位时间单位表面上的 蒸发气化量与燃料消耗量，因此有：
1 mc = r0
2012-5-20
λ cp DC∞ T f − T0 + ln 1 + β cp Q
2
[
]
dr dT m 2 = 4πλ c p (T − T0 ) + Q r
2012-5-20
河北工业大学能源与环境工程学院
2012-5-20
河北工业大学能源与环境工程学院
因此油滴的蒸发量为：
λ cp DC∞ m = 4πr0 ln 1 + T f − T0 + cp Q β
1-油滴；2-火焰峰面；3-油蒸气区；4、空气区； 5-空气浓度曲线；6-温度曲线；7-油蒸汽浓度曲线
2012-5-20 河北工业大学能源与环境工程学院
单个油滴燃烧的紫外照片 （来源于NASA网页）
为了方便问题的分析，需要对单 滴燃烧模型进行一系列简化，即假设： （1）油滴为球状，且在蒸发、燃烧 过程中始终保持球对称；（2）油滴 的蒸发与燃烧过程均为准稳态过程， 不考虑液面的内移效应；（3）燃烧 只在火焰峰面的反应区内进行；（4） 火焰峰面所产生的热量全部用于加热 油滴，使之蒸发气化，并且传热方式 只考虑热传导，而忽略火焰辐射换热 与对流换热的影响；（5）导热系数、 扩散系数等恒定不变；（6）忽略油 滴表面因扩散而引起的斯蒂芬流； （7）不考虑液滴的高温热解。
2012-5-20
第6章(液体燃料燃烧)(4)
1
2013/12/5
油滴蒸发扩散方式： 油气分子扩散 油气以某一速度进行质传递，即对流扩散---斯蒂芬 (Stefan)流
稳态下单个油滴的燃烧模型
• 油滴为均匀对称球体； • 油滴与空气间无相对运动； • 燃烧极快，火焰面薄； • 火焰温度较高，向内向外同时传热， 油滴表面温度接近饱和温度； • 忽略对流与辐射换热；只考虑导热 • 忽略油滴周围的温度场不均匀对热 导率和扩散系数的影响；
式中： λ 、 λr－分别为油蒸汽和油滴的热导率 T－为液滴周围气体的温度
2
2013/12/5
另一方面，油滴燃烧过程中直径不断减小
式中， ρr－油滴密度；
联立后得到：
δ－油滴直径
液滴燃尽时间：
k－蒸发常数
或者改写为：
上式称为油滴燃烧的直径平方-—直线定律，该定律说明： 油滴直径的平方随燃尽时间的变化呈直线关系 当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽，此时对应的燃尽 时间为：
一 液体燃料雾化的基本理论
雾化液体燃料的原因:增加液滴进行反应的比表面积，增强 与氧气的混合，强化液体燃料燃烧 雾化方法： • 气体介质雾化：空气、蒸汽以一定的压力，高速冲击油流， 使其雾化。 • 机械雾化：靠液体本身的压力喷入相对静止的空气中或以高 速旋转的方式使油流加强扰动，脉动而破裂，从而被雾化。
5
2013/12/5
6 . 3 液体燃料的雾化
1ml的燃油，表面积约为245mm2。若雾化成40μ m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。 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。
一般液体燃料燃烧有液面燃烧, 液雾燃烧。燃烧常发生于气相, 是扩散燃烧, 燃烧速率和液体密度成反比。 液面燃烧：在辐射与对流的作用下，液体表面被加热，导致 蒸发加快，溶液液面上方的燃料蒸气浓度增加并与空气混合 而发生的燃烧。常为灾害或事故燃烧形式。 液雾燃烧：本身又有预蒸发燃烧, 液滴扩散燃烧以及二者的混 合。 对液雾燃烧而言, 研究液滴的蒸发和燃烧是十分重要的。
第6章 燃料的燃烧计算
12
6.2.1 理论烟气量和实际烟气量
标准状态下，l kg固体及液体燃料在理论空气 量下完全燃烧时所产生的燃烧产物的体积称为固 体及液体燃料的理论烟气量，用下式表示：
V VCO2 VSO2 V V
0 y 0 N2
0 H2O
Vy0 —标准状态下理论烟气量，m3／kg；
VCO2 —标准状态下 CO2 的体积，m3/kg；
2C+ O2 2CO 9270 kJ／kg（碳）
说明：
燃烧计算即燃烧反应计算，是建立在燃烧化学反应 的基础上的。在进行燃烧计算时，将空气和烟气均 看 作 为 理 想 气 体 ， 即 每 kmol 气 体 在 标 准 状 态 ( t =273.15K, P =0.1013MPa)下其体积为 22.4m3，燃 料以 1kg 固体及液体燃料或标准状态下 1m3 干气体 燃料为单位。按照国家质量技术监督局规定，“标准 状态”不标在单位上，而是写在文字中。
VSO2 —标准状态下 SO2 的体积，m3／kg；
0 3 — 标准状态下理论 体积， m ／kg； N VN 2 2
V
3 0 H2O —标准状态下理论水蒸气体积，m ／kg。
13
22.4 1.866 m3 的 标准状态下，1 kg 的碳完全燃烧后产生 12 22 .4 0.7 m3 的 SO2 。 标准状态下， 1 kg 硫完全燃烧后产生 CO2 。 32
第6章 燃料的燃烧计算
6.1 燃烧所需空气量 燃烧是一种化学反应。
C+ O2 CO2 + 32860 kJ／kg（碳）
2H2 + O2 2H2O+120370
S+ O2 SO2 9050
kJ／kg（氢）
6.2.1 理论烟气量和实际烟气量
标准状态下，l kg固体及液体燃料在理论空气 量下完全燃烧时所产生的燃烧产物的体积称为固 体及液体燃料的理论烟气量，用下式表示：
V VCO2 VSO2 V V
0 y 0 N2
0 H2O
Vy0 —标准状态下理论烟气量，m3／kg；
VCO2 —标准状态下 CO2 的体积，m3/kg；
2C+ O2 2CO 9270 kJ／kg（碳）
说明：
燃烧计算即燃烧反应计算，是建立在燃烧化学反应 的基础上的。在进行燃烧计算时，将空气和烟气均 看 作 为 理 想 气 体 ， 即 每 kmol 气 体 在 标 准 状 态 ( t =273.15K, P =0.1013MPa)下其体积为 22.4m3，燃 料以 1kg 固体及液体燃料或标准状态下 1m3 干气体 燃料为单位。按照国家质量技术监督局规定，“标准 状态”不标在单位上，而是写在文字中。
VSO2 —标准状态下 SO2 的体积，m3／kg；
0 3 — 标准状态下理论 体积， m ／kg； N VN 2 2
V
3 0 H2O —标准状态下理论水蒸气体积，m ／kg。
13
22.4 1.866 m3 的 标准状态下，1 kg 的碳完全燃烧后产生 12 22 .4 0.7 m3 的 SO2 。 标准状态下， 1 kg 硫完全燃烧后产生 CO2 。 32
第6章 燃料的燃烧计算
6.1 燃烧所需空气量 燃烧是一种化学反应。
C+ O2 CO2 + 32860 kJ／kg（碳）
2H2 + O2 2H2O+120370
S+ O2 SO2 9050
kJ／kg（氢）
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tg
tg
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定
2
u / u x
u ,m / u x
m
2
rm (r0 ra ) / 2
tg
m
2
2 A 1 1
1 1 1
8
第 二、离心喷嘴理论 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
f (r02 ra2 )
取轴向长度为1的环形微元 体，其质量为 dm 2rdr f 微元体旋转时产生离心力正好 与径向压力差相平衡，故有
dr 2rdp 2r f u r
2
dr 或 dp f u r
2
第 二、离心喷嘴理论 6 章 2rdp 2r u dr 或
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第四节 燃油喷嘴的雾化特性
四、计算SMD的经验公式
离心喷嘴在静止空气中雾化： .25 0.55vl0.2 l0.6 m0 f SMD ( m) 0.4 p 离心喷嘴在气流中雾化：
( FN ) 0.34 ug SMD 13500 1945 0.56 ( m) 0.27 p p
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
离心喷嘴
特点： 1. 雾化锥角大，雾化 质量好 2. 采用双油路，可获 得更大的供油能力
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
离心喷嘴
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
气动喷嘴
特点： 1. 雾化质量高
s
d s2 v s Y fs
m f d D
2
dYf dr
d 2 vY f
扩散项
dYf dYa dr dr
d 2 vYa d 2 D
Stefan流项
dYa 0 dr
m f vd 2 (Ya Y f ) vd 2
m f 4 r 2 D
2 f
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
dr dp f u r
2
r
液 体 燃 料 燃 烧
du dr uin Rs u r r u
积分得
dp f u2 du
1 2 u const. f 2
p
u x const.
（与r无关）
第 二、离心喷嘴理论 6 章 以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用ε
P ( psi )
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第四节 燃油喷嘴的雾化特性
三、油珠群几种典型分布
Nukiyama-Tanasawa:
dN adi2 exp bdin d (d i )
正态分布：
a、b为常数
dR exp 2 y 2 dy
y ln(di / SMD) 为常数
Stefan流
Stefan流存在的条件： 在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个 过程要求表面排除或吸入净的质量流 上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
高温环境中相对静止油珠的蒸发速率
m f d s2 D dY f dr
FN Q p
直流喷嘴在静止空气中雾化：
3.15104 vl0.2 SMD ul (m)
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
蒸发或燃烧时的油珠温度
Twb为蒸发平衡温度（或湿球温度）
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
Stefan流
m f D dYf dr dYa ma D dr
2 在油珠表面： d s D
dYa 0 dr s
任意半径上：Ya Y f 1.0
为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反 向的流动称为Stefan流。且有：
dYa d vsYas d D dr
2 s 2 s
0
s
在油珠表面上净空气通量为零
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第四节 燃油喷嘴的雾化特性
一、油珠群的平均直径
算术平均直径：
d m (或d10 ) ni di
表面积平均直径：
n
i
d ms (或d 20 )
体积平均直径：
d mv (或d 30 )
n d n
i 2 i i
i 3 i 1/ 3 i
1/ 2
n d n
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
mf
dYf
dr 4D 2 (1 Y f ) r r rs Y f Y fs
r Y f Y f
dr dYf
m f Yf
m f 4rs D ln( 1 B)
物质交换系数：
B
Y fs Y f 1 Y fs
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为
2 uin m f n f rin
不计粘性时，流体的动量守恒，故有
m f uin Rs m f u r 或 uin Rs u r
第 二、离心喷嘴理论 6 章 轴向速度 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流 通面积为一圆形，其值为
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化过程 1. 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 2. 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气 体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液 体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液 体碎片或细丝。 3. 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收 缩成球形油珠。 4. 在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
油珠破碎过程
气动力 表面张力
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
油珠破碎准则
两种力： 外力：气动力、惯性力 内力：表面张力、粘性力
作用于油珠表面的气动 力 u 2 / 2 du 2 We ~ ~ 油珠内压力 4 / d
燃 烧 理 论 基 础
第6章 液体燃料燃烧
要求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃 油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴 的雾化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性， 了解液体燃烧装置工作过程。
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第一节 液体燃料燃烧过程
液体燃料燃烧系统
1、供油系统 2、供气系统 3、燃烧系统
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第一节 液体燃料燃烧过程
液体燃料燃烧特点
1、扩散燃烧 2、非均相燃烧
液体燃料燃烧过程
1、雾化 2、蒸发
3、掺混
4、燃烧
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
高温环境中相对静止油珠的能量平衡
加热油珠至蒸发温度 油珠蒸发 加热油蒸气
4r 2 dT dT 4 m f C p (T Tl ) m f h fg rs3 l Cl l 0 dr 3 d
C p (T Twb ) m f 4rs ln1 Cp h fg
x
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
A
2
2
f
液 体 燃 料 燃 烧
1
1
流量
为轴向速度系数
A2 1 1/ 2 1
m f u x r02 f r02 2H f
为流量系数
m f r
2 0
2 H f
第 二、离心喷嘴理论 6 章 流量系数 液 体 燃 料 燃 烧
2. 排气冒烟少
3. 贫油熄火范 围窄 4. 可采用特殊 的气化剂
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
其它喷嘴
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
一、喷嘴类型
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
二、离心喷嘴理论
1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷 嘴理论： 基本假设： 1. 流体为无粘性的理想流体； 2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度； 3. 喷嘴处于最大流量状态工作。
A2 1 1/ 2 1
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
最大流量原理
A2 1 2 1
1 / 2
0
A (1 ) / 2 / 2
2
3 2
1 / 3 2
第 二、离心喷嘴理论 6 章 雾化锥角 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
Stefan流
Stefan流－点源：
d s2 vsYas d 2 vYa
dYa 2 2 d vYa d D 0 dr
d 2 vYa const.
dYa vYa D 0 dr
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
示
tg
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定
2
u / u x
u ,m / u x
m
2
rm (r0 ra ) / 2
tg
m
2
2 A 1 1
1 1 1
8
第 二、离心喷嘴理论 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
f (r02 ra2 )
取轴向长度为1的环形微元 体，其质量为 dm 2rdr f 微元体旋转时产生离心力正好 与径向压力差相平衡，故有
dr 2rdp 2r f u r
2
dr 或 dp f u r
2
第 二、离心喷嘴理论 6 章 2rdp 2r u dr 或
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第四节 燃油喷嘴的雾化特性
四、计算SMD的经验公式
离心喷嘴在静止空气中雾化： .25 0.55vl0.2 l0.6 m0 f SMD ( m) 0.4 p 离心喷嘴在气流中雾化：
( FN ) 0.34 ug SMD 13500 1945 0.56 ( m) 0.27 p p
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
离心喷嘴
特点： 1. 雾化锥角大，雾化 质量好 2. 采用双油路，可获 得更大的供油能力
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
离心喷嘴
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
气动喷嘴
特点： 1. 雾化质量高
s
d s2 v s Y fs
m f d D
2
dYf dr
d 2 vY f
扩散项
dYf dYa dr dr
d 2 vYa d 2 D
Stefan流项
dYa 0 dr
m f vd 2 (Ya Y f ) vd 2
m f 4 r 2 D
2 f
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
dr dp f u r
2
r
液 体 燃 料 燃 烧
du dr uin Rs u r r u
积分得
dp f u2 du
1 2 u const. f 2
p
u x const.
（与r无关）
第 二、离心喷嘴理论 6 章 以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用ε
P ( psi )
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第四节 燃油喷嘴的雾化特性
三、油珠群几种典型分布
Nukiyama-Tanasawa:
dN adi2 exp bdin d (d i )
正态分布：
a、b为常数
dR exp 2 y 2 dy
y ln(di / SMD) 为常数
Stefan流
Stefan流存在的条件： 在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个 过程要求表面排除或吸入净的质量流 上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
高温环境中相对静止油珠的蒸发速率
m f d s2 D dY f dr
FN Q p
直流喷嘴在静止空气中雾化：
3.15104 vl0.2 SMD ul (m)
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
蒸发或燃烧时的油珠温度
Twb为蒸发平衡温度（或湿球温度）
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
Stefan流
m f D dYf dr dYa ma D dr
2 在油珠表面： d s D
dYa 0 dr s
任意半径上：Ya Y f 1.0
为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反 向的流动称为Stefan流。且有：
dYa d vsYas d D dr
2 s 2 s
0
s
在油珠表面上净空气通量为零
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第四节 燃油喷嘴的雾化特性
一、油珠群的平均直径
算术平均直径：
d m (或d10 ) ni di
表面积平均直径：
n
i
d ms (或d 20 )
体积平均直径：
d mv (或d 30 )
n d n
i 2 i i
i 3 i 1/ 3 i
1/ 2
n d n
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
mf
dYf
dr 4D 2 (1 Y f ) r r rs Y f Y fs
r Y f Y f
dr dYf
m f Yf
m f 4rs D ln( 1 B)
物质交换系数：
B
Y fs Y f 1 Y fs
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为
2 uin m f n f rin
不计粘性时，流体的动量守恒，故有
m f uin Rs m f u r 或 uin Rs u r
第 二、离心喷嘴理论 6 章 轴向速度 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流 通面积为一圆形，其值为
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化过程 1. 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 2. 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气 体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液 体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液 体碎片或细丝。 3. 在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收 缩成球形油珠。 4. 在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
油珠破碎过程
气动力 表面张力
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
油珠破碎准则
两种力： 外力：气动力、惯性力 内力：表面张力、粘性力
作用于油珠表面的气动 力 u 2 / 2 du 2 We ~ ~ 油珠内压力 4 / d
燃 烧 理 论 基 础
第6章 液体燃料燃烧
要求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃 油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴 的雾化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性， 了解液体燃烧装置工作过程。
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第一节 液体燃料燃烧过程
液体燃料燃烧系统
1、供油系统 2、供气系统 3、燃烧系统
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第一节 液体燃料燃烧过程
液体燃料燃烧特点
1、扩散燃烧 2、非均相燃烧
液体燃料燃烧过程
1、雾化 2、蒸发
3、掺混
4、燃烧
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第二节 燃油雾化过程
燃油雾化现象
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
高温环境中相对静止油珠的能量平衡
加热油珠至蒸发温度 油珠蒸发 加热油蒸气
4r 2 dT dT 4 m f C p (T Tl ) m f h fg rs3 l Cl l 0 dr 3 d
C p (T Twb ) m f 4rs ln1 Cp h fg
x
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
A
2
2
f
液 体 燃 料 燃 烧
1
1
流量
为轴向速度系数
A2 1 1/ 2 1
m f u x r02 f r02 2H f
为流量系数
m f r
2 0
2 H f
第 二、离心喷嘴理论 6 章 流量系数 液 体 燃 料 燃 烧
2. 排气冒烟少
3. 贫油熄火范 围窄 4. 可采用特殊 的气化剂
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
其它喷嘴
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
一、喷嘴类型
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
二、离心喷嘴理论
1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷 嘴理论： 基本假设： 1. 流体为无粘性的理想流体； 2. 不计喷嘴内部流动的径向分速度； 3. 喷嘴处于最大流量状态工作。
A2 1 1/ 2 1
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
最大流量原理
A2 1 2 1
1 / 2
0
A (1 ) / 2 / 2
2
3 2
1 / 3 2
第 二、离心喷嘴理论 6 章 雾化锥角 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
Stefan流
Stefan流－点源：
d s2 vsYas d 2 vYa
dYa 2 2 d vYa d D 0 dr
d 2 vYa const.
dYa vYa D 0 dr
第 6 章 液 体 燃 料 燃 烧
第五节 油珠的蒸发与燃烧
示