液体燃料的蒸发与燃烧
合集下载
内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)
R
2
]
dbD dr
0
bT bTW
bD
bDW
WW
g g
dbT dr
W
WW g Dg
dbD dr
W
bT bD
bT bD
0 0
方程的求解
求解二阶常微分方程需要两个条件，另外还有界面传质速
度和温度两个未知量，需要四个边界条件，前面的边界条
件提供了三个，另外一个可以从液面处气液两相平衡的热
力学关系得出，即利用饱和蒸汽压和温度的函数关系给出
补充条件
假设Le=1，即 g DF ，对求坐标下的蒸发能量方程式
（7-30）进行积分，得：
ggr 2
db dr
[WWR2 ]b
cons(与r无关的常数）
利用壁面处的边界条件求出该常数
下面的这些关于热气体中液滴蒸发的假设经常会 用到，因为它们能极大的简化问题，主要原因是 排除了处理质量传递的必要，而且仍与实验结果 符合得很好。
1、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。 2、蒸发过程是准稳态的。这意味着蒸发过程在任一 时 刻都可以认为是稳态的。这一假设去掉了处理偏 微分方程的必要。 3、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。
B cg (T TW ) (wF wFW ) l cl (TW TR ) (wFW wFR )
1
1
0
Nu
h0d kg
2
0.6
ud vg
2
vg
g
3
s R
h0d 2 kg
h0 kg s
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。
第四章液体燃料的燃烧理论
连续方程: 连续方程: 4πr02 ρ 0 v 0 = 4πr 2 ρv = G 动量方程: 动量方程: 扩散方程 能量方程
2．基本方程及求解
p = const
2
G —总蒸发速率
（液滴与环境无相对速度） 液滴与环境无相对速度）
df i d df i 2 4πr ρv − (4πr Di ρ )=0 dr dr dr
水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流， 水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流，即Stefan流。 流
22
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
C + O2 → CO 2
12
碳表面
32
44
f O2 + f CO2 = 1
( ∂f O2 ∂y )0 = −( ∂f CO2 ∂y )0
23
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
氧扩散流
（1）液滴与环境无相对速度，只有Stefan流引起 的球对称一维流动； （2）忽略热辐射和热解离（例：CH4→C+2H2）； （3）过程是准定常的，即不考虑液面的内移效应； （4）火焰面为一几何面，火焰面上 f f = f ox = 0 。
28
2．基本方程及求解
基本方程（球坐标下） （1）基本方程
2
—单位质量液体的蒸发热 单位质量液体的蒸发热， q e = L + C l (T0 − Tl ) 单位质量液体的蒸发热
df i 2 − 4πr0 Di 0 ρ 0 ( ) 0 + 4πr0 f i 0 ρ 0 v0 = f il (4πr02 ρ 0 v0 ) dr
气体扩散流 Stefan流 流 携带的该组分 液体蒸发引起的 液滴消耗量
bD = bT = b
bT ≡ C P (T − T∞ ) qe 2
2．基本方程及求解
p = const
2
G —总蒸发速率
（液滴与环境无相对速度） 液滴与环境无相对速度）
df i d df i 2 4πr ρv − (4πr Di ρ )=0 dr dr dr
水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流， 水蒸气蒸发的质量流正好等于总质量流，即Stefan流。 流
22
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
C + O2 → CO 2
12
碳表面
32
44
f O2 + f CO2 = 1
( ∂f O2 ∂y )0 = −( ∂f CO2 ∂y )0
23
2．碳在纯氧中的燃烧 ．
氧扩散流
（1）液滴与环境无相对速度，只有Stefan流引起 的球对称一维流动； （2）忽略热辐射和热解离（例：CH4→C+2H2）； （3）过程是准定常的，即不考虑液面的内移效应； （4）火焰面为一几何面，火焰面上 f f = f ox = 0 。
28
2．基本方程及求解
基本方程（球坐标下） （1）基本方程
2
—单位质量液体的蒸发热 单位质量液体的蒸发热， q e = L + C l (T0 − Tl ) 单位质量液体的蒸发热
df i 2 − 4πr0 Di 0 ρ 0 ( ) 0 + 4πr0 f i 0 ρ 0 v0 = f il (4πr02 ρ 0 v0 ) dr
气体扩散流 Stefan流 流 携带的该组分 液体蒸发引起的 液滴消耗量
bD = bT = b
bT ≡ C P (T − T∞ ) qe 2
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。
10-液体燃料的蒸发与燃烧
组分守恒和能量守恒方程具有相同的输运方程和相同的边界条件
在r R处 : d s g Dg m , s (即T Ts , w f w f , s ) dr s , g 式中Ts , w f , s 未知, 需要加以补充 在r 处, 0 即 : T T ; w f w f ,
用能量输运律表 示的质量蒸发率
液体组分守恒方程：
dw f s w f ,s m s g Dg m dr
总流量 对流项 扩散项
s, g
意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等 于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和
s (w f ,s m
液体油雾火焰的结构 单滴油珠蒸发模型 油珠蒸发 d2定律及油珠寿命 特性参数取值 对流条件下的油珠蒸发 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展 油雾燃烧(油滴的相互作用)
第一节 液体油雾的结构
典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷
第二节 单个油珠蒸发模型
两相燃烧 两相扩散燃烧 油雾锥是由许多尺寸不同的单 滴油珠组成。因而单滴油珠在高温 环境的蒸发与燃烧规律是进一步研 究油雾燃烧的基础
随着雷诺数的增大（油滴和气体间的相对速度增 大），Nu增加，h增大，ms也随之增大
第三节 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展
对孤立的蒸发油滴，守恒方程可以以下面的形式表示 L(η)=0
其中η可以为质量分数变量，也可以是显焓变量。由于 方程中源项为零，故η为守恒标量，对化学反应情况， ηs可以适当组合成一个守恒标量，则 L(β)=0
s , 需要知道 s ,即需要知道 Ts 或w f , s 为了估算 m 定义 B 交换数 (传热传质驱动 ) - s 由于 0 B - s s 故 m
燃气蒸发器的基本原理
燃气蒸发器的基本原理
燃气蒸发器是一种用于将液态燃料转变为燃气形式的装置。
它的基本原理是通过提供热量使燃料从液态转变为气态。
燃气蒸发器通常由以下几个主要部分组成：
1. 液体燃料进入：液态燃料通过管道或喷嘴进入蒸发器。
2. 热源：燃气蒸发器需要一个热源，通常是来自发动机冷却系统的冷却液或者电加热元件。
热源提供所需的热量以使燃料蒸发。
3. 蒸发室：液态燃料进入蒸发室，在这里受到热源的热量作用下，燃料开始蒸发并转变为气态。
4. 气体燃料输出：蒸发后的燃气通过管道或喷嘴输出，用于供给燃烧系统，如发动机或燃气炉。
在燃气蒸发器中，液态燃料通过加热转变为气态燃料，这样做的目的是为了方便储存、输送和燃烧。
通过蒸发器，液态燃料可以更加高效地转化为可燃燃气，以满足不同设备和系统的能源需求。
液体燃料雾化与燃烧概述
液体燃料雾化与燃烧理论
液体燃料的燃烧特点概述
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置——
燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合 过程。
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
思考1：
液体燃料的雾化燃烧的具体过程？
液体燃料的物理与化学变化过程
液体燃料喷射
液体燃料破碎
连续大体积液体
火焰
液体燃料蒸发 液滴
气态燃料化学反应
燃油液滴燃烧过程
气体团
思考2：
液体燃料燃烧的主要影响因素？
液态燃油的雾化 液态燃油的蒸发 气态燃油与氧化剂的混合 燃烧过程的化学反应动力学
油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的 残余物，粘度大、杂质多，常温
为固态，先预热，雾化难，
油雾边缘易混合中心难混合通过喷 嘴使油雾化，油的颗粒不均匀， 从几 到500 。大颗粒容易产 生大的烟粒与焦粒。油颗粒燃烬时
间与颗粒直径平方成正比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
讨论点4：关于液雾燃烧模型建立的推演建立过程及当 前存在的不足分析与改进思路。
6. 关于作业与课题讨论内容的思考
算例练习：
表面波失稳案例测试：1）理论解析解的特征分析；2）数 值解对解析解的近似求解；
基于CFD的液雾燃烧算例计算测试与讨论。
液体燃料的燃烧特点概述
一、液体燃料的燃烧过程
燃油槽车 / 油管工厂油罐过滤油泵烧嘴炉膛或燃烧室 ————— 供油系统 ———————— —燃烧装置——
燃油的燃烧过程：沸点低于燃点、受热后先蒸发、汽化、然后燃烧 油的雾化油滴蒸发、高温热解与裂解与空气混合着火燃烧 油的蒸发：提供反应需要的可燃物质 油的燃烧：提供油蒸发所需要的热量 蒸发与混合的速度——燃烧速度 当燃油、空气等条件一定时，控制油的燃烧过程主要控制雾化和混合 过程。
油滴的平均直径小、分布好、有利于蒸发、也有利于形成良好的浓度 场
思考1：
液体燃料的雾化燃烧的具体过程？
液体燃料的物理与化学变化过程
液体燃料喷射
液体燃料破碎
连续大体积液体
火焰
液体燃料蒸发 液滴
气态燃料化学反应
燃油液滴燃烧过程
气体团
思考2：
液体燃料燃烧的主要影响因素？
液态燃油的雾化 液态燃油的蒸发 气态燃油与氧化剂的混合 燃烧过程的化学反应动力学
油机、燃气轮机等) 。 重油和渣油是石油炼制过程中的 残余物，粘度大、杂质多，常温
为固态，先预热，雾化难，
油雾边缘易混合中心难混合通过喷 嘴使油雾化，油的颗粒不均匀， 从几 到500 。大颗粒容易产 生大的烟粒与焦粒。油颗粒燃烬时
间与颗粒直径平方成正比。
雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备
讨论点4：关于液雾燃烧模型建立的推演建立过程及当 前存在的不足分析与改进思路。
6. 关于作业与课题讨论内容的思考
算例练习：
表面波失稳案例测试：1）理论解析解的特征分析；2）数 值解对解析解的近似求解；
基于CFD的液雾燃烧算例计算测试与讨论。
《燃烧学》第7章液滴的蒸发与燃烧
7.4 扩展到对流条件
· 对于强制对流下液滴的燃烧，可使用下面的关 系式来计算：
· 其中Reynolds数Re基于液滴直径和相对速度。 为了简单起见，热物理属性可以用平均温度处 的参数据来计算（方程10.76d）。
燃烧学
59
7/28/2023
7.4 扩展到对流条件
燃烧学
60
7/28/2023
7.4 扩展到对流条件
燃烧学
20
7/28/2023
7.2 液滴蒸发的简单模型
· 采用以上公式可以很简单地预测液滴的蒸发。然而，在 分析中，我们假定cpg和kg都是常数。而实际上从液滴表 面到气流，它们的变化很大，我们面临的问题是如何合 理地确定cpg和kg。Law & Williams关于燃烧液滴的论述 中，建议由下面方法近似：
· 我们希望求解的问题是任一时刻液滴表面燃料的蒸发速 率，这样，我们就可以计算液滴半径关于时间的函数以 及液滴寿命。
燃烧学
8
7/28/2023
7.2 液滴蒸发的简单模型
·
燃烧学
9
7/28/2023
7.2 液滴蒸发的简单模型
·
燃烧学
10
7/28/2023
7.2 液滴蒸发的简单模型
·
燃烧学
11
7/28/2023
❏ 系统简单，便于分析物理现象之间的联系
❏ 可以得到封闭的解析解
❏ 研究液滴尺寸和环境条件等因素对液滴蒸发或燃烧时 间的影响。
❏ 液滴气化速度和液滴寿命很重要。
燃烧学
3
7/28/2023
7.1 应用背景
燃烧学
图10.8 液体射流的雾化过程：液膜→ 液带→ 液滴。
- 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)。
即: T T ; w f w f ,
L( )输运方程是二阶的，故需要两个边界条件；尽管提供
了三个边界条件( d
dr
,s , )，但是由于油滴表面的边界条件
s,g
又另外两个未知量(ms和Ts或wf ,s )。这样方程仍然不封闭。
求解过程如下： （1）对L(η)求一次积分，得到
ms R2
g
Dg
r
2
d
dr
const
ms R2s
g
Dg
r
2
d
dr
s,g
(3)
需估计油滴表面的常数
（2）对油滴表面（r=R）应用如下边界条件：
d ms dr s,g g Dg 方程(3)中常数变为 ms R2 (s 1)
方r
2
d
dr
ms R2 (
s
1)
0
（3）对方程分离变量，并从r=R到r ∞求积分，得到
液体组分守恒方程：
ms
wf ,sms
g
Dg
dw f dr
s,g
总流量 对流项
扩散项
意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等 于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和
ms (wf ,s
1)
g
Dg
dw f dr
s,g
定义 :
f
wf wf , wf ,s 1
则有 :
ms
g
Dg
情况2： Tsbp， wf,s1,故有Bf∞，ms≈ρfvf
即扩散带走的质量可以忽略，油蒸汽主要由斯蒂芬流动（即 气相对流项）输运
此时有：
油滴加热蒸发时所 需的能量
B BT
c p,g (T Tbp ) Q
油滴加热蒸发时环 境中可用的每单位 质量能量
2 d2定律及油珠寿命
ms
g Dg
R
B
ms
w
f
,s ms
g
Dg
dwf dr
s,g
g
Dg
dw f dr
s,g
此时油滴的蒸发速度十分慢，以至于可以忽略斯蒂芬流动 （气相对流项），油蒸汽主要由Fick扩散传送
B=Bf≈wf,s(T∞)-wf, ∞ 其中wf,s(T∞)的压力为p，温度T=T ∞时的燃料质量分数的饱和 值
即：在半径r处的质量流量=油珠表面的质量蒸发率(kg/m2*s) 若求解则需要给能量守恒与组分守恒方程定义边界条件
在油珠表面：wf=1（液体）
油珠表面能量守恒方程：
ms[hfg cL (Ts T0 )] g (dT / dr)s,g
其中: hfg为压力p下液体蒸发潜热;cL液体比热; Ts油滴表面温度，一般为常数;T0液体初温;
d f
dr
s,g
由于Le 1 g Dg g DT ,g
用组分输运律表 示的质量蒸发率
组分守恒和能量守恒方程具有相同的输运方程和相同的边界条件
在r R处 :
ms
g
Dg
d
dr
,
s,g
s
(即T Ts , wf
wf ,s )
式中Ts , w f ,s未知,需要加以补充
在r 处, 0
燃烧学
10-液体燃料的蒸发与燃 烧
存在液体燃料燃烧的燃烧装置：直喷式活塞发动机； 飞机燃气轮机；燃烧炉；锅炉
液体燃料的燃烧过程：雾化成油污蒸发燃油蒸汽 在气态扩散火焰中燃烧
本章主要研究内容： 描述液体燃料喷雾火焰的结构 建立单滴油珠（蒸发、燃烧）的模型 把单滴油珠模型由很多油滴组成的油雾中
液体油雾火焰的结构 单滴油珠蒸发模型
质量守恒方程：
(v) 0 1 d (r 2v) 0
(1)
r 2 dr
vr2 const svs R2
组分（能量）守恒方程：
纯蒸发无反应
L() (v D) RR 0
1 d[(r 2v) Dr2 (d / dr)]
(r2 )
dr
(2)
从方程(1)得到
qm'' (r)(4r 2 ) ms (4R2 ) C
由于 0 B -s
故
ms
g Dg
R
ln(1
B)
(4)
其中
B
BT
T ,s
c p,g (T Q
Ts )
B Bf
f ,s
wf ,s wf , 1 wf ,s
由于η(r)对于ηT和ηf来说是一样的，因此有： ηT,s=ηf,s BT=Bf
方程的形式变为：
wf,s=f(Ts) 这里需要wf,s与Ts的另一个方程来封闭求解 假设油滴表面处于相平衡状态，调用克拉伯龙方程得到它们 之间的关系方程：
s
d
/(
s
1)
R
(ms R
2
/
g
Dg
)dr
/
r
2
假设g Dg为常数，得到方程的解如下 :
ln(1 s
)
ms R
g Dg
整理得到
ms＝
g Dg R
ln(1 s )
式中ms为单位面积上的液体蒸发率(kg / m2 s)
为了估算ms ,需要知道s ,即需要知道Ts或wf ,s
定义 B 交换数(传热传质驱动) -s
油珠蒸发 d2定律及油珠寿命 特性参数取值 对流条件下的油珠蒸发 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展 油雾燃烧(油滴的相互作用)
第一节 液体油雾的结构
典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷
第二节 单个油珠蒸发模型
两相燃烧 两相扩散燃烧
油雾锥是由许多尺寸不同的单 滴油珠组成。因而单滴油珠在高温 环境的蒸发与燃烧规律是进一步研 究油雾燃烧的基础
g 气相导热系数
若Q为将油滴从温度T0加热到Ts并蒸发所需的总能量(单位质量)
Q h f ,g cL (Ts T0 )
定义 :
T
c p,g (T T ) Q
式中: c p,g为气相定压比热;T为环境温度
则有 :
ms
g DT ,g
( dT
dr
)s,g
用能量输运律表 示的质量蒸发率
式中: DT ,g为热扩散系数
Pf ,s
Pf ,s (Ts )
X
f ,s p
wf ,s
Mr M r, f
p
c1
exp
hf ,g RTs
(5)
做出这两个B值随着Ts的函数曲线，则其交点表示的就是所 需的边界条件
注意：
当TsTbp（沸点温度）时，由于wf,s1，所以Bf∞ 存在两种极限情况：
（1）T ∞<<Tbp（如室温下空气中的水珠情况） （2）T ∞>>Tbp（如油滴在热的燃烧产物中的情况） 情况1： TsT∞， Bf0，即wf,s0,方程(4)变为：
1 液态燃料燃烧重要过程——油雾中的油滴蒸发
模拟在静止环境中（即没有自由和强迫对流）半径 为R的孤立单滴油珠的蒸发，求质量蒸发速率与燃 料特性以及环境状况的函数关系
假设条件：
（1）油珠球对称（一维）；
（2）过程为准稳态（气相传输速率>>dR/dt，后者为油 滴半径的变化速率），即气相守恒方程中的时间偏导数项 可以忽略，采用球坐标来表示气相稳态传输方程：
L( )输运方程是二阶的，故需要两个边界条件；尽管提供
了三个边界条件( d
dr
,s , )，但是由于油滴表面的边界条件
s,g
又另外两个未知量(ms和Ts或wf ,s )。这样方程仍然不封闭。
求解过程如下： （1）对L(η)求一次积分，得到
ms R2
g
Dg
r
2
d
dr
const
ms R2s
g
Dg
r
2
d
dr
s,g
(3)
需估计油滴表面的常数
（2）对油滴表面（r=R）应用如下边界条件：
d ms dr s,g g Dg 方程(3)中常数变为 ms R2 (s 1)
方r
2
d
dr
ms R2 (
s
1)
0
（3）对方程分离变量，并从r=R到r ∞求积分，得到
液体组分守恒方程：
ms
wf ,sms
g
Dg
dw f dr
s,g
总流量 对流项
扩散项
意义：在分界面的液体侧传输到油滴表面的质量传输等 于气相对流项（斯蒂芬流）和Fick扩散质量之和
ms (wf ,s
1)
g
Dg
dw f dr
s,g
定义 :
f
wf wf , wf ,s 1
则有 :
ms
g
Dg
情况2： Tsbp， wf,s1,故有Bf∞，ms≈ρfvf
即扩散带走的质量可以忽略，油蒸汽主要由斯蒂芬流动（即 气相对流项）输运
此时有：
油滴加热蒸发时所 需的能量
B BT
c p,g (T Tbp ) Q
油滴加热蒸发时环 境中可用的每单位 质量能量
2 d2定律及油珠寿命
ms
g Dg
R
B
ms
w
f
,s ms
g
Dg
dwf dr
s,g
g
Dg
dw f dr
s,g
此时油滴的蒸发速度十分慢，以至于可以忽略斯蒂芬流动 （气相对流项），油蒸汽主要由Fick扩散传送
B=Bf≈wf,s(T∞)-wf, ∞ 其中wf,s(T∞)的压力为p，温度T=T ∞时的燃料质量分数的饱和 值
即：在半径r处的质量流量=油珠表面的质量蒸发率(kg/m2*s) 若求解则需要给能量守恒与组分守恒方程定义边界条件
在油珠表面：wf=1（液体）
油珠表面能量守恒方程：
ms[hfg cL (Ts T0 )] g (dT / dr)s,g
其中: hfg为压力p下液体蒸发潜热;cL液体比热; Ts油滴表面温度，一般为常数;T0液体初温;
d f
dr
s,g
由于Le 1 g Dg g DT ,g
用组分输运律表 示的质量蒸发率
组分守恒和能量守恒方程具有相同的输运方程和相同的边界条件
在r R处 :
ms
g
Dg
d
dr
,
s,g
s
(即T Ts , wf
wf ,s )
式中Ts , w f ,s未知,需要加以补充
在r 处, 0
燃烧学
10-液体燃料的蒸发与燃 烧
存在液体燃料燃烧的燃烧装置：直喷式活塞发动机； 飞机燃气轮机；燃烧炉；锅炉
液体燃料的燃烧过程：雾化成油污蒸发燃油蒸汽 在气态扩散火焰中燃烧
本章主要研究内容： 描述液体燃料喷雾火焰的结构 建立单滴油珠（蒸发、燃烧）的模型 把单滴油珠模型由很多油滴组成的油雾中
液体油雾火焰的结构 单滴油珠蒸发模型
质量守恒方程：
(v) 0 1 d (r 2v) 0
(1)
r 2 dr
vr2 const svs R2
组分（能量）守恒方程：
纯蒸发无反应
L() (v D) RR 0
1 d[(r 2v) Dr2 (d / dr)]
(r2 )
dr
(2)
从方程(1)得到
qm'' (r)(4r 2 ) ms (4R2 ) C
由于 0 B -s
故
ms
g Dg
R
ln(1
B)
(4)
其中
B
BT
T ,s
c p,g (T Q
Ts )
B Bf
f ,s
wf ,s wf , 1 wf ,s
由于η(r)对于ηT和ηf来说是一样的，因此有： ηT,s=ηf,s BT=Bf
方程的形式变为：
wf,s=f(Ts) 这里需要wf,s与Ts的另一个方程来封闭求解 假设油滴表面处于相平衡状态，调用克拉伯龙方程得到它们 之间的关系方程：
s
d
/(
s
1)
R
(ms R
2
/
g
Dg
)dr
/
r
2
假设g Dg为常数，得到方程的解如下 :
ln(1 s
)
ms R
g Dg
整理得到
ms＝
g Dg R
ln(1 s )
式中ms为单位面积上的液体蒸发率(kg / m2 s)
为了估算ms ,需要知道s ,即需要知道Ts或wf ,s
定义 B 交换数(传热传质驱动) -s
油珠蒸发 d2定律及油珠寿命 特性参数取值 对流条件下的油珠蒸发 蒸发模型向单个燃烧油滴模型的扩展 油雾燃烧(油滴的相互作用)
第一节 液体油雾的结构
典型的液体喷雾火焰，燃料为庚烷
第二节 单个油珠蒸发模型
两相燃烧 两相扩散燃烧
油雾锥是由许多尺寸不同的单 滴油珠组成。因而单滴油珠在高温 环境的蒸发与燃烧规律是进一步研 究油雾燃烧的基础
g 气相导热系数
若Q为将油滴从温度T0加热到Ts并蒸发所需的总能量(单位质量)
Q h f ,g cL (Ts T0 )
定义 :
T
c p,g (T T ) Q
式中: c p,g为气相定压比热;T为环境温度
则有 :
ms
g DT ,g
( dT
dr
)s,g
用能量输运律表 示的质量蒸发率
式中: DT ,g为热扩散系数
Pf ,s
Pf ,s (Ts )
X
f ,s p
wf ,s
Mr M r, f
p
c1
exp
hf ,g RTs
(5)
做出这两个B值随着Ts的函数曲线，则其交点表示的就是所 需的边界条件
注意：
当TsTbp（沸点温度）时，由于wf,s1，所以Bf∞ 存在两种极限情况：
（1）T ∞<<Tbp（如室温下空气中的水珠情况） （2）T ∞>>Tbp（如油滴在热的燃烧产物中的情况） 情况1： TsT∞， Bf0，即wf,s0,方程(4)变为：
1 液态燃料燃烧重要过程——油雾中的油滴蒸发
模拟在静止环境中（即没有自由和强迫对流）半径 为R的孤立单滴油珠的蒸发，求质量蒸发速率与燃 料特性以及环境状况的函数关系
假设条件：
（1）油珠球对称（一维）；
（2）过程为准稳态（气相传输速率>>dR/dt，后者为油 滴半径的变化速率），即气相守恒方程中的时间偏导数项 可以忽略，采用球坐标来表示气相稳态传输方程：