1、1第五章第五章 液体燃料燃烧液体燃料燃烧5.1 液体燃料的特性 5.2 液体燃料的雾化 5.3 液滴的蒸发 5.4 液滴燃烧 第二节液体燃料的雾化一、雾化过程及机理1、雾化过程：液体燃料碎裂成细、小液滴群的过程。2、影响因素：（1）流体的湍流扩散 （2）液滴穿越气体介质时所受到的空气阻力3、重要参数：（1）液体燃料射流与周围气体间的相对速度 （2）雾化喷嘴前后的压力差液体液体柱或液膜液体碎片或细丝 球形液滴 进一步碎裂 4、四个阶段：图5-3液滴的分裂过程5、液滴分离的基本原理液体表面不断增大，直到它变得不稳定并破碎。液滴从液体产生的过程，依赖于液体在雾化喷嘴中的流动性质（即是层流还是湍流）、
2、给液体加入能量的途径、液体的物理性质以及周围气体的性质。45、控制雾化的量纲一的数韦伯（Weber）数22lg1lg1()()gggvvd vvWed作用于液滴表面的外力液滴内力 液滴的变形和碎裂的程度取决于作用在液滴上的力和形成液滴的液体表面张力之间的比值。3g气体密度（kg/m ）lgsvv 、液体、气体速度（m/ ）液体表面张力（N/m）ld 液滴的直径（m）上式表明，燃烧室中的压力增高、相对速度增加以及液体的表面张力系数减小，均对雾化过程有利。5 （1）提高液体燃料的喷射压力，压力越高，雾化得越细6、 强化液体燃料雾化的方法 （2）降低液体燃料的粘度与表面张力，如提高燃油的温 度可降低
3、燃油的粘度与其表面张力 （3）提高液滴对空气的相对速度。而且增强液体本身的 湍流扰动也可提高雾化效果22lg1lg1()()gggvvd vvWed作用于液滴表面的外力液滴内力二、雾化方式和喷嘴二、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。转式和气动式等。前两种又称为机械式雾化。如下图所示。1 1、压力式雾化喷嘴、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
4、炉和工业窑炉喷气发动机、燃气轮机、柴油机以及锅炉和工业窑炉上。上。工作原理：液体燃料在一定压力差作用下沿切向孔（或槽）进入喷嘴旋流室，在其中产生高速旋转获得转动量，这个转动量可以保持到喷嘴出口。当燃油流出孔口时，壁面约束突然消失，于是在离心力作用下射流迅速扩展，从而雾化成许多小液滴。 2 2、旋转式雾化喷嘴、旋转式雾化喷嘴 压力油流通过空心轴进入喷嘴头部高速旋转的转杯内，其转压力油流通过空心轴进入喷嘴头部高速旋转的转杯内，其转速约为速约为30006000rpm30006000rpm，高速旋转产生的离心力，使油流从转，高速旋转产生的离心力，使油流从转杯内壁向出口四周的切线方向甩出，因速度较高使油
5、膜被空杯内壁向出口四周的切线方向甩出，因速度较高使油膜被空气雾化成细滴。旋转杯式喷嘴的结构示于图气雾化成细滴。旋转杯式喷嘴的结构示于图6-56-5所所示。示。图5-6中间回油式机械喷嘴1二次风嘴2一次风嘴3转杯4风机5转轴6进油管7进油体8电动机3 3、气动式雾化喷嘴、气动式雾化喷嘴 气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利用压缩空气或高气动式雾化喷嘴又称介质式雾化喷嘴。它利用压缩空气或高压蒸汽为雾化介质，将其压力转化为高速气流，使液体喷散压蒸汽为雾化介质，将其压力转化为高速气流，使液体喷散成雾状气流。成雾状气流。 采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸汽雾化和蒸汽采用蒸汽为介质的雾化喷嘴又分为纯蒸
6、汽雾化和蒸汽机械机械（压力）综合雾化两类喷嘴。（压力）综合雾化两类喷嘴。 三三、液体燃料雾化性能、液体燃料雾化性能 一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性能。一般可用一些特性参数来表征喷嘴的雾化性能。即雾化角、即雾化角、雾化液滴细度雾化液滴细度、雾化均匀度、喷雾射程和流量密度分布等。雾化均匀度、喷雾射程和流量密度分布等。 1 1、雾化角雾化角 喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称喷嘴出口到喷雾炬外包络线的两条切线之间的夹角，也称为喷雾锥角。为喷雾锥角。图5-9雾化角示意图 喷嘴喷嘴出口处的燃料细油滴组成出口处的燃料细油滴组成雾化锥，雾化锥，喷出喷出的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并
7、的雾化气流不断卷吸炉内高温气体并形成扩展的气流边界。形成扩展的气流边界。 条件条件雾化角。以喷雾化角。以喷口为口为圆心，圆心，距离距离r为为半径半径（大流量喷嘴（大流量喷嘴r取取100150mm；小流量喷嘴；小流量喷嘴r取取4080mm ）作弧，与边界线得作弧，与边界线得两交点，连接喷口中心与两边界线交点的连线，这两连线间两交点，连接喷口中心与两边界线交点的连线，这两连线间的夹角称为条件雾化角的夹角称为条件雾化角，可用，可用 表示。表示。2 2、雾化液滴细度：表示喷雾炬液滴粗细程度。、雾化液滴细度：表示喷雾炬液滴粗细程度。 由于雾化后的液滴大小是不均匀的，因此只能用液滴由于雾化后的液滴大小是不
8、均匀的，因此只能用液滴的平均直径来表示液滴的细度。的平均直径来表示液滴的细度。（1）索太尔索太尔平均直径平均直径（SMD）3liSMD2liiiN ddN d33SMDli66iNVdN d22SMDliiAN dN d（2）质量中间直径（）质量中间直径（MMD）llmllmddddMM大于或等于这一直径的所有液滴的总质量与小于或等于这一直径的所有液滴的总质量相等。3、雾化均匀度：燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。、雾化均匀度：燃料雾化后液滴颗粒尺寸的均匀程度。 用均匀性指数用均匀性指数n来衡量来衡量1100exp()nRbdlilm100exp () ndRd 均匀性指数n可从罗辛拉姆勒（R
9、osin-Rammler）分布函数中求得R：液滴群中，颗粒直径大于dli的质量分数n：均匀系数，一般数值24。 愈大，均匀性好 ：特征尺度（相当于 时油滴直径） mld36.8%R dli：与R相应的液滴直径雾化均匀度较差，则大液滴数目较多，这对燃烧是不利的。但是，过分均匀也是不相宜的，因为这会使大部分液滴直径集中在某一区域，使燃烧稳定性和可调节性变差。最有利的雾化分布应根据燃烧设备类型、构造和气流情况等具体条件而定。4. 喷雾射程喷雾射程指水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能到达的平面与喷口之间的距离。雾化角大和雾化很细的喷雾炬，射程比较短；密集的喷雾炬，由于吸入的空气量较少，射程比较远。
10、一般射程长的喷雾炬所形成的火焰长度也长。5. 流量密度分布图5-11燃料分布特性a)、b)离心式机械雾化喷嘴c)直流式机械雾化喷嘴 单位时间内，通过与燃料喷射方向相垂直的单位横截面上燃单位时间内，通过与燃料喷射方向相垂直的单位横截面上燃料液体质量（或体积）沿半径方向的分布规律。料液体质量（或体积）沿半径方向的分布规律。第三节液滴的蒸发一、液滴蒸发时的斯蒂芬流二、相对静止环境中液滴的蒸发三、强迫气流中液滴的蒸发四、液滴群的蒸发一、液滴蒸发时的斯蒂芬流1、蒸发过程液滴周围成分分布图5-12液体周围成分分布wxg空气中空气质量分数wlg空气中燃料蒸气的质量分数wxgs液滴表面的燃料蒸气质量分数wlg
11、s液滴表面的空气质量分数第三节液滴的蒸发2、斯蒂芬（斯蒂芬（Stefan）流）流 由于含量梯度的存在，使燃料蒸气不断地从表面向外扩散； 相反地，空气x则从外部环境不断地向液滴表面扩散。 在液滴表面，空气力图向液滴内部扩散，然而空气既不能进入液滴内部，也不在液滴表面凝结。 因此，为平衡空气的扩散趋势，必然会产生一个反向流动。 根据质量平衡定理，在液滴表面这个反向流动的气体质量正好与向液滴表面扩散的空气质量相等。 这种气体在液滴表面或任一对称球面以某一速度vg离开的对流流动被称为斯蒂芬（Stefan）流。 xggggxg0dwDv wdr 假设液滴为规则球体，半径为r1，由于斯蒂芬流引起的燃料蒸汽
12、向外对流，其数量为：2ml,0gsgs1lgs4qvr wxggggxg0dwDv wdr 上式表明，在蒸发液滴外围的任意对称球面上，由斯蒂芬流引起的空气质量迁移正好与分子扩散引起的空气质量迁移相抵消，因此空气的总质量迁移为0。实际上不存在x组分的宏观流动，真的存在的流动是由于斯蒂芬流动引起燃料蒸气向外对流。二、相对静止环境中液滴的蒸发1、在相对静止环境中液滴的蒸发速率图5-13高温下液滴蒸发的能量平衡图 高温气流中液滴的蒸发高温气流中液滴的蒸发蒸发模型假设蒸发模型假设(1) 液滴是球形的，由一高温球面所包围，相当于 包围燃烧油滴的狭窄燃烧区，见图所示；(2) 蒸发是稳定过程；(3) 蒸发率决
13、定于液滴的加热速率；(4) 蒸发率的大小能满足液滴表面处蒸气和液体处 于平衡的条件；(5) 通过传热和扩散，液滴达到稍低于液体沸点的温度；(6) 蒸发过程是等压的；(7) 燃料蒸发和周围介质气体满足理想气体定律；(8) 导热系数不随温度而改变；(9) 不考虑辐射和对流热损失；(10) 在液滴附近，燃料浓度和温度随离开液滴中心的距离作线性变化。 液滴表面的燃料蒸气比流速率1lg22ml,0g1gsglg44ssr rdwqr Drv wdr 液滴表面和火焰前锋之间任意半径球面的蒸气比流速率lg22ml,0ggglg22gglg22gggxg2gglgggg44 =44 =44 =4xqr Drv
14、 wrrdv wrwDdwdrvdwrvrv wr （5-15）则式（5-15）可改写为xglg1wwxggggxg0dwDv wdrlg2ml,0gml,0lg4dwqr Dqwdr lgml,0g2lg41dwdrqDrw 边界条件边界条件1lglglglg srrwwrww ，lg1lgml,0glg1()4ln(1)|swrwqDwrlgml,0g1lg114ln1swqDrwlgml,01glg14ln1swqrDwlglglgml,01glg14ln1ssswwwqrDwlglgml,01glg4ln(1)1sswwqrDwml,01g4ln(1)qrDBlglglg1sswwBw
15、lgml,0g1lg114ln1swqDrw相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率2、液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率231ml,01ml,0lg11l44()03gpgpdTdTrqcTTqQrcdrdbw10dTdTdd2ml,01lg4()gpgdTrqcTTQdrml,021lg4()gpgdTqdrrcTTQ边界条件1,bwg , rrTTrTT 导热量蒸气升温需热量液滴蒸发需潜热液滴内部温度均匀T1所需热量液滴达到平衡蒸发温度后液滴达到平衡蒸发温度后1bwml,01lg1( )ln()4gTgrpggTpgqcTTQrcbwml,01lg()4ln1g
16、pggpgcTTqrcQ1pgggcLeD 若液滴周围气体混合物若液滴周围气体混合物ggpgDcbwml,01lg()4ln1pgggcTTqrDQml,014ln(1)gTqrDBbwlg()pggTcTTBQ（5-24）ml,021lg4()gpgdTqdrrcTTQlglgbwlglg()1spggswwcTTwQTBB对比式（5-24）和式（5-18）可知，当平衡蒸发，且Le=1，应有ml,01g4ln(1)qrDBlglglg1sswwBw（5-18）ml,014ln(1)gTqrDBbwlg()pggTcTTBQ（5-24）相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率相对静止的高温环境中液滴
17、已达蒸发平衡温度后的蒸发速率相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率ml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率（5-24）bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率ml,014ln(1
18、)gTqrDB（5-24）bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率（5-18）ml,014ln(1)gTqrDB（5-24）bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率对比式（5-24）和式（5-18）可知，当平衡蒸发，且Le=1，应有（5-18）ml,014ln(1)gTqrDB（5-24）bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高
19、温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率TBB对比式（5-24）和式（5-18）可知，当平衡蒸发，且Le=1，应有（5-18）ml,014ln(1)gTqrDB（5-24）bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率lglgbwlglg()1spggswwcTTwQTBB对比式（5-24）和式（5-18）可知，当平衡蒸发，且Le=1，应有（5-18）ml,014ln(1)gT
20、qrDB（5-24）bwlg()pggTcTTBQ相对静止的高温环境中液滴已达蒸发平衡温度后的蒸发速率lglglg1sswwBwml,01g4ln(1)qrDB相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率ml,014ln(1)gTqrDB3、蒸发时间液滴完全蒸发所需时间对于半径为r1的液滴21ml,0114drqrd 211114ln(1)4gTdrrDBrd 111ln(1)gTrddrDB 111ln(1)pggTc rddrB 边界条件11,0110, , rrrrggpgDc1pgggcLeD 积分222211,011,011,0()2ln(1)pggTcrrddBK,01,011,018ln(
21、1)4gTmlpgBqKcd21,001,0dK111ln(1)pggTc rddrB 11,0110, , rrrrml,014ln(1)gTqrDB在相对静止气氛中液滴完全蒸发时间第四节 液滴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； 燃烧极快，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； 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率和扩散系数的影响； 忽略斯蒂芬流。r1r0C0TrT0rdr液滴燃烧模型 推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系对于液滴表面与火焰锋面之间半
22、径为r的球面，由热量平衡可知：将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分204mpdTrqc TTQdr 导热率油的流量油滴表面温度，假设等于油的饱和温度油的气化潜热100204rTrmTrpdTdrqcTTQr0014ln 111pmrpcqTTQcrrr1r0C0TrT0rdr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：D氧的分子扩散系数；C氧的浓度；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：24mdcr Dqdr1204cmrdrDdcqr14mqrDcr1r0C0
23、TrT0rdr液滴燃烧模型消去r1，得：式中，r油密度；d液滴直径则：004ln1pmrpcDcqrTTcQ08ln1prrpcDcKTTcQ4rmKq d0014ln 111pmrpcqTTQcrr14mqrDcr1r0C0TrT0rdr液滴燃烧模型另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小燃尽时间或者改写为联立后得到23()62rmrddqdd ddd 2 dKdd d 2()dKdd 220Kdd220Kdd4rmKq dr1r0C0TrT0rdr液滴燃烧模型 上式称为液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：20Kd220Kddr1r0C0TrT0rdr
