燃烧学 第六章 液体燃料的燃烧[精]
合集下载
高等燃烧学-6液体燃料的燃烧
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 d 1)0 n id i n i
表面积平均直径：
d m ( 或 sd 2)0 n id i2
n1 /2 i
体积平均直径：
d m ( 或 v d 3)0 n id i3 n i1 /3
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
第二节 燃油雾化过程 燃油雾化现象
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
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
二、离心喷嘴理论
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
第三节 燃油雾化装置－喷嘴
二、离心喷嘴理论
空气涡核
离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程
p1 2fu x 21 2fu 2p in 1 2fu i2n H 0 co . nst
第三节 燃油雾化装置－喷嘴 离心喷嘴
Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，
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。
6液体燃料的燃烧概要
前面的计算只考虑导热，未考虑对流等相对运动。考虑相对运动 后，油滴与周围气体间热量和质量交换增强，燃油蒸发加快。
考虑相对运动后，油滴蒸发常数k2：
k2 k1(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
SC—施密特数，即气体介质运动黏度v与扩散系数D的比值； Re—雷诺数，Re=ud0/v，适用于Re=0~200。 不同直径油滴在不同空气温度下的蒸发速率对比见图6-4和表6-1
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对难蒸发或蒸发速率要求高的液体燃料，像柴油、重油等， 采用预热或高压喷射实现雾化；
由于喷雾的动态特性本质 上是大量单一液滴蒸发特 性的统计总和，故深入理 解单液滴的蒸发特性是研 究喷雾的必要前提。
6.1.2 液体燃料的蒸发过程
（1）单个油滴的蒸发
雾化
燃烧
单油滴吸热 温度升高 蒸发（气化） 混合 燃烧
是使液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时放出的一部分 热量加热管中的燃料，使其蒸发，然后再像气体燃料那样进行燃烧。 （4）雾化燃烧
是利用各种形式的雾化器将液体燃料破碎雾化为大量直径为几 微米到几百微米的小液滴，并使它们悬浮在空气中边蒸发边燃烧。
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对不同液体燃烧，根据其蒸发的难易程度采用不同的雾化方式。 易蒸发液体，采用汽化器或低压喷射；
6 液体燃料的燃烧
6.1 液体燃料燃烧原理 6.2 液体燃料的雾化过程及装置 6.3 配风原理及装置 6.4 液体燃料雾化燃烧的组织及布置
6.1 液体燃料燃烧原理
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
液体燃料有哪些
液体燃料为什么要雾化?
液体燃料的燃烧方式和过程 ?
雾化
气化
混合
燃烧
根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点 液面燃烧
考虑相对运动后，油滴蒸发常数k2：
k2 k1(1 0.3Sc0.33 Re0.5 )
SC—施密特数，即气体介质运动黏度v与扩散系数D的比值； Re—雷诺数，Re=ud0/v，适用于Re=0~200。 不同直径油滴在不同空气温度下的蒸发速率对比见图6-4和表6-1
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对难蒸发或蒸发速率要求高的液体燃料，像柴油、重油等， 采用预热或高压喷射实现雾化；
由于喷雾的动态特性本质 上是大量单一液滴蒸发特 性的统计总和，故深入理 解单液滴的蒸发特性是研 究喷雾的必要前提。
6.1.2 液体燃料的蒸发过程
（1）单个油滴的蒸发
雾化
燃烧
单油滴吸热 温度升高 蒸发（气化） 混合 燃烧
是使液体燃料通过一定的蒸发管道，利用燃烧时放出的一部分 热量加热管中的燃料，使其蒸发，然后再像气体燃料那样进行燃烧。 （4）雾化燃烧
是利用各种形式的雾化器将液体燃料破碎雾化为大量直径为几 微米到几百微米的小液滴，并使它们悬浮在空气中边蒸发边燃烧。
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
对不同液体燃烧，根据其蒸发的难易程度采用不同的雾化方式。 易蒸发液体，采用汽化器或低压喷射；
6 液体燃料的燃烧
6.1 液体燃料燃烧原理 6.2 液体燃料的雾化过程及装置 6.3 配风原理及装置 6.4 液体燃料雾化燃烧的组织及布置
6.1 液体燃料燃烧原理
6.1.1 液体燃料的燃烧方式
液体燃料有哪些
液体燃料为什么要雾化?
液体燃料的燃烧方式和过程 ?
雾化
气化
混合
燃烧
根据液体燃料在着火燃烧前发生蒸发与气化的特点 液面燃烧
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。
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
07液体燃料的燃烧解读
闪点计算
（1）波道查公式；
t f 0.6946 tb 73.7
（2）利用液体分子中的碳原子数
(t f 277.3) 10410 nc
2
5、 粘度与凝固点
燃烧方式
液体蒸发成燃料蒸汽，再与氧气完 成扩散燃烧过程：蒸发是关键。 预蒸发燃烧； 表面燃烧； 雾化燃烧。
预蒸发燃烧
表面燃烧
液体燃料的燃烧
蒸发 液体
气体 ＋ O2 燃烧
液体燃料的性质
1、蒸气压：
在给定温度下，液体和其蒸气处于 平衡状态时，蒸气所具有的压力， 称为饱和蒸气压（蒸气压）。
蒸气压主要由液体的性质（液体分子间的 作用力）和温度决定。 克劳修斯-克拉佩龙方程（与温度的关系）：
LV ln P C RT
kJ / m 2 sec
kJ / m 2 sec
即
d T W g ( ) dr Q W Lg g d CPS T ( ) dt Q
g ∵ Lg g CPg
∴
• 以下是传质速度的求解过程：
定义无因次温度
bT
CPS (T T ) Q
dbT dr dYF ) D F dr
∵T 为常数
∴
W L g g
（3）
同理，对组分 F 的通量按 Stefen 流考虑
W YFR W YFw ( g
即
W g
YF d ( DF dr YFw YFR )
定义无因次浓度
YF YF bD YFw YFR
∴
W gD F
液体在一个设定的表面蒸发，然后完成扩 散燃烧过程。 ——煤油灯； ——煤油炉； ——蜡烛。
工程燃烧学
二、介质雾化喷嘴（气动式雾化喷嘴）
蒸汽作为介质，可以在雾化同时降低油的粘度，进入喷 嘴的燃油粘度较高时，仍能保证雾化质量，
空气作为介质时，空气压力低，雾化质量较差。
低压喷嘴（3x103~1x104Pa） 高压喷嘴（1x105Pa以上）
1. 低压空气雾化喷嘴
采用鼓风机供给的空气作为雾化介质，喷嘴前风压 低，一般为(5.0~10.0) ×103Pa，高的可达12.0×103Pa。
以平均直径表示雾化细度，工程上两种表示方法：
（1）中间直径法（d50或dMMD） 液雾中大于或小于这一直径的两部分液滴的总质量相等。
（2）索太尔平均直径法（dSMD） 假设油滴群中每个油滴直径相等时，按照所测得的所有油
滴的总体积V与总表面积S计算出的油滴直径，故又称体面积
平均直径。
d SMD
Nidi3 Nidi2
（2）雾化方法
机械式雾化 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。直流式、离心式和转杯式。 介质式雾化
靠附加的雾化介质（蒸气或压缩空气）的能量来雾化。 根据其压力的不同，分为高压雾化、中压雾化和低压雾化。 组合雾化
两种雾化方式有机结合起来。
6.2.2 雾化性能及评定指标
（1）雾化过程
雾化过程：
燃油从喷嘴喷出时形成液 流，由于初始湍流状态和 空气对油流的作用，使油 流表面发生波动，在外力 作用下，油流开始变为薄 膜并被碎裂成细油滴。
已分裂出的油滴在气体介质中还 会继续再分裂。油滴在飞行过程 中，受外力（油压形成的推进力、 空气阻力和重力）和内力（内摩 擦力和表面张力）作用，只要外 力大于内力，油滴便会产生分裂。 直到最后内力和外力达到平衡， 油粒不再破碎。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
– 该定律说明：油滴直径的平方随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：
r d02 k
4.4液雾燃烧
一、液雾的燃烧
• 工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组
成的液雾在燃烧
• 有必要掌握液雾燃烧的基本概念 • 了解液雾燃烧过程中配风的基本原则
二、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 – 液滴强烈蒸发，燃烧，在界面上产生向外的质量流，
斯蒂芬流，不能忽略 – 液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧
r1
– 忽略对流与辐射换热；
– 忽略液滴周围的温度场不均匀对热导
r0
率和扩散系数的影响；
– 忽略斯蒂芬流。
Tr T0
C0
r dr
液滴燃烧模型
• 推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系
对于半径为r的球面，由热量平衡可知：
4 r2 d dT rq mC pT T 0H
油的气化潜热
导热率
油的流量
油滴表面温度，假设 等于油的饱和温度
将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分
Tr4
dT
T0
Cp T T0
H
r1 dr r r0 2
qm
4
Cp
1 r0
1 r1
ln1
Cp H
Tr
T0
液滴燃烧模型
假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个 球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即
式中：
4r2D dC/dr = bqm
D——氧的分子扩散系数；
C——氧的浓度；
b——氧与油的化学计量比。
将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：
C 4DdC 0
r1 bqm
dr r2
r1
bqm 4DC
4.3液滴燃烧模型
消去r1，得：
qm 4r0Cp ln1CHp Tr T0DbC
k
8
rr
Cp
ln1CHp Tr
T0DbC
式中，rr——油密度；
d——液滴直径
则：
qm
• 液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应，只能在
表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃 烧，液体表面无火焰，内部无火焰
• 液体燃料燃烧时，如果缺氧，会产生热分解
CmHn 缺氧 xC+yH2+Cm-xHn-2y
三、喷雾型燃烧的要点
– 蒸发良好 – 供氧充分
6.3油滴的蒸发
一、静止气流中的油滴特点
的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾 化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发，边混合， 边燃烧。
• 动力行业多采用此种燃烧方式。
二、喷雾型燃烧的特点
• 液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总
是燃烧其蒸气
• 燃烧过程分为三步：
– 蒸发：较慢 – 混合：油蒸汽与氧相互扩散，较快 – 燃烧：燃烧速度高 油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度
燃烧学
第6章
液体燃料的燃烧
6.1 Stefan流
一、斯蒂芬流定义
• 在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相
界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为 多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形 成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或 化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产 生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的 扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩 散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现 象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现的，故称Stefan流。
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
二、油滴蒸发模型
二、油滴蒸发模型
• 忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃
烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。
• 由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射
传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。
• 燃料蒸气在表面处的浓度ffs大于环境中的浓度ff∞，故燃料蒸气由y油滴表面向
基本方程变换为
由方程的相似性变换可得
求解
积分
求解蒸发速度
求解蒸发时间
结果
6.4液滴的燃烧
液滴的燃烧模型
• 单个液滴的燃烧模型，假设：
– 液滴为均匀对称球体；
– 液滴随风飘动，与空气间无相对运动；
– 燃烧及快，火焰面薄；
– 火焰温度较高，向内向外同时传热，
液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温 度等于理论燃烧温度；
火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油 滴内部燃料浓度ff0为常数。
• 蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。 • 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本方程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
二、水蒸发时的斯蒂芬流
• 假设：
– A-A为一水面，水面 上方为大气空间， 水面A-A处为水与空 气的相分界面，在 相界面上只有水蒸 气和空气两种气体 组 分 ， 以 f1 和 f2 分 别 表示水蒸气和空气 的质量相对浓度。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
二、水蒸发时的斯蒂芬流
三、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
6.2液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
– 预蒸发型燃烧 • 燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例
与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装 有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。
• 此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。 – 喷雾型燃烧
• 把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成
krrd
4
4.3液滴燃烧模型
另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小
联立后得到
燃尽时间 或者改写为
qm
rr
d
d
6
d
3
Biblioteka r r2d
2
dd d
2ddd kd
d d 2 kd
d
2 0
d 2
k
d
2
d
2 0
k
4.3液滴燃烧模型
• 上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律
– 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：
r d02 k
4.4液雾燃烧
一、液雾的燃烧
• 工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组
成的液雾在燃烧
• 有必要掌握液雾燃烧的基本概念 • 了解液雾燃烧过程中配风的基本原则
二、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 – 液滴强烈蒸发，燃烧，在界面上产生向外的质量流，
斯蒂芬流，不能忽略 – 液雾燃烧时，液滴相互靠近，互相传热，同时妨碍氧
r1
– 忽略对流与辐射换热；
– 忽略液滴周围的温度场不均匀对热导
r0
率和扩散系数的影响；
– 忽略斯蒂芬流。
Tr T0
C0
r dr
液滴燃烧模型
• 推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系
对于半径为r的球面，由热量平衡可知：
4 r2 d dT rq mC pT T 0H
油的气化潜热
导热率
油的流量
油滴表面温度，假设 等于油的饱和温度
将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分
Tr4
dT
T0
Cp T T0
H
r1 dr r r0 2
qm
4
Cp
1 r0
1 r1
ln1
Cp H
Tr
T0
液滴燃烧模型
假设火焰锋面之外有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个 球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即
式中：
4r2D dC/dr = bqm
D——氧的分子扩散系数；
C——氧的浓度；
b——氧与油的化学计量比。
将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：
C 4DdC 0
r1 bqm
dr r2
r1
bqm 4DC
4.3液滴燃烧模型
消去r1，得：
qm 4r0Cp ln1CHp Tr T0DbC
k
8
rr
Cp
ln1CHp Tr
T0DbC
式中，rr——油密度；
d——液滴直径
则：
qm
• 液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应，只能在
表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃 烧，液体表面无火焰，内部无火焰
• 液体燃料燃烧时，如果缺氧，会产生热分解
CmHn 缺氧 xC+yH2+Cm-xHn-2y
三、喷雾型燃烧的要点
– 蒸发良好 – 供氧充分
6.3油滴的蒸发
一、静止气流中的油滴特点
的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾 化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发，边混合， 边燃烧。
• 动力行业多采用此种燃烧方式。
二、喷雾型燃烧的特点
• 液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总
是燃烧其蒸气
• 燃烧过程分为三步：
– 蒸发：较慢 – 混合：油蒸汽与氧相互扩散，较快 – 燃烧：燃烧速度高 油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度
燃烧学
第6章
液体燃料的燃烧
6.1 Stefan流
一、斯蒂芬流定义
• 在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相
界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为 多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形 成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或 化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产 生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的 扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩 散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现 象是Stefan在研究水面蒸发时首先发现的，故称Stefan流。
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
二、油滴蒸发模型
二、油滴蒸发模型
• 忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃
烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。
• 由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐射
传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。
• 燃料蒸气在表面处的浓度ffs大于环境中的浓度ff∞，故燃料蒸气由y油滴表面向
基本方程变换为
由方程的相似性变换可得
求解
积分
求解蒸发速度
求解蒸发时间
结果
6.4液滴的燃烧
液滴的燃烧模型
• 单个液滴的燃烧模型，假设：
– 液滴为均匀对称球体；
– 液滴随风飘动，与空气间无相对运动；
– 燃烧及快，火焰面薄；
– 火焰温度较高，向内向外同时传热，
液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温 度等于理论燃烧温度；
火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油 滴内部燃料浓度ff0为常数。
• 蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。 • 设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。
基本方程
各组分边界条件
物理量变换
物理量变换
重新整理边界条件
二、水蒸发时的斯蒂芬流
• 假设：
– A-A为一水面，水面 上方为大气空间， 水面A-A处为水与空 气的相分界面，在 相界面上只有水蒸 气和空气两种气体 组 分 ， 以 f1 和 f2 分 别 表示水蒸气和空气 的质量相对浓度。
二、水蒸发时的斯蒂芬流
二、水蒸发时的斯蒂芬流
三、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
二、碳燃烧时的斯蒂芬流
6.2液体燃料燃烧的特点
一、燃烧方式
– 预蒸发型燃烧 • 燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例
与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装 有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。
• 此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。 – 喷雾型燃烧
• 把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成
krrd
4
4.3液滴燃烧模型
另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小
联立后得到
燃尽时间 或者改写为
qm
rr
d
d
6
d
3
Biblioteka r r2d
2
dd d
2ddd kd
d d 2 kd
d
2 0
d 2
k
d
2
d
2 0
k
4.3液滴燃烧模型
• 上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律