液滴蒸发与燃烧课件.ppt

1、Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,10008430140294Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,1000843014029410 10 液滴的蒸发与燃烧液滴的蒸发与燃烧May 23-June 30Particle And

2、 Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-33 球形液滴的蒸发与燃烧球形液滴的蒸发与燃烧 系统简单，便于分析物理现象之间的联系。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。可以得到封闭的解析解。研究液滴尺寸和环境条件对液滴蒸发或燃烧时间研究液滴尺寸和环境条件对液滴蒸发或燃烧时间的影响。的影响。液滴气化速度和液滴寿命很重要。液滴气化速度和液滴寿命很重要。Particle And Co

3、mbustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-34内容 概述 一些应用 液滴蒸发的简单模型 液滴燃烧的简单模型 总结和求解 扩展到对流环境 其它因素 一维气化控制燃烧 总结Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,1000843

4、01402942023-1-35 柴油机、火箭、燃气轮机、燃油锅炉、工业窑炉、加热器。喷雾燃烧-而不是-单个液滴燃烧 在研究复发火焰之前，了解单个液滴的燃烧是必要的。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-36 DieselDiesel发动机有两种基本类型：间接喷射发动机有两种基本类型：间接喷射型和直接喷射型。分别见图型和直接喷射型。分别见图10.110.1和和10.21

5、0.2。在间接喷射内燃机中，燃料在高压下注入在间接喷射内燃机中，燃料在高压下注入预燃室，在这里燃料液滴开始蒸发，然后预燃室，在这里燃料液滴开始蒸发，然后燃料蒸气和空气混合。一部分燃料空气混燃料蒸气和空气混合。一部分燃料空气混合物自燃（例合物自燃（例6.16.1）形成非预混燃烧。）形成非预混燃烧。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-37Particle And Comb

6、ustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-38Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-39二冲程二冲程Particle And Combustion Engineering Resea

7、rch GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-310二冲程二冲程Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-311汽缸安置汽缸安置Particle And Combustion Engineering Research GroupDepar

8、tment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-312 随着热量的释放，预燃室压力升高，将里面各组分通过气管或孔压到主燃室。在主燃室里这些部分反应后的燃料空气混合物及一些剩余的燃料液滴，与新加的空气混合，进行完全燃烧。在直接喷射内燃机里，燃料是由一个多孔燃料喷射器来导入的。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beiji

9、ng,100084301402942023-1-313 燃料空气的混合是在燃烧区里由喷射进程和空气流动同时控制的。从前面可以看出，内燃机燃烧既有预混模式又有扩散模式。内燃机所用燃料比火花点燃所用燃料挥发性差，但更容易点燃。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-314Particle And Combustion Engineering Research GroupDep

10、artment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-315 燃料蒸发及其与空气混合的速率对形成自燃的化学反应速率有很大影响。因此，最先注入燃烧室的燃料，在它成为点燃源（已经自燃的气体）前会先预混并生成预混火焰；而后注入的燃料就会在扩散模式下燃烧，因为当燃料喷射时已经有点燃源（已经生成的火焰）存在。很明显，液滴的蒸发和燃烧在直接和间接喷射的发动机里都很重要。附录10A收录了Sir Harry Ricardo对发生在直接喷射diesel发动机燃烧区的物理过程的形象的描述。Particle A

11、nd Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-316 使用液体燃料的燃气轮机是航空器中最主要的动力设备。图10.3就是一个航天涡轮发动机的内部结构图。尽管燃烧器在发动机系统中起着关键作用，它占用的空间小得令人惊讶。在环形的燃烧器中，燃料喷入并被雾化。由于旋转空气形成了一个循环区，火焰特别稳定。Particle And Combustion Engineering Research GroupDep

12、artment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-317Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-318Single Shaft Power Train under construction 兴建中的单轴兴建中的单轴机组机组兴建中的单轴机组兴建中的单轴机组Parti

13、cle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-319燃气轮机主要结构燃气轮机主要结构压缩机段压缩机段燃烧段燃烧段热气段热气段排气段排气段中间两个部份因为温度高因此须要较多的检查。中间两个部份因为温度高因此须要较多的检查。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,T

14、singhua University,Beijing,100084301402942023-1-320Application of flameless oxidation and continuous air staging in gas turbinesindustrial gas turbinesmicro gas turbinesNGTNGTParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,1000843014029

15、42023-1-321preheated airup to 1000 Cfurnace wall air jetflue gasreaction zonefuel gas(NGTNGTParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-322NGTNGTInstitut fr VerbrennungstechnikLckerath2 windows with cooling air

16、inside200 mmParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-323Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-324Particle And Com

17、bustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-325LM 2500 Components 燃烧室：燃烧室：环形设计环形设计 30 燃料喷嘴燃料喷嘴Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-

18、326Photo(left)of a model combustor and a schematic illustration(right)showing the concept of lean-lean two stage combustor.Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-327Combustion of primary and secondary mixtu

19、res.Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-328 航空燃气轮机燃烧器的设计要考虑以下几个因素：燃烧效率，燃烧稳定性，高处再燃能力，排放等。值得一提的是，航空发动机采用非预混燃烧系统，由接近化学当量的一次风火焰区，接合二次风以彻底燃烧并在产物进入涡轮前稀释到合适温度（见图10.4a）。Particle And Combustion Engineering Resear

20、ch GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-329 一些设计和实验系统采用不同程度的预混来避免高温NOx形成区4，5。预混燃烧要先将燃料气化并混合部分空气，然后混合物进入高温燃烧区，点燃并燃烧。图10.4a描述了一个航空用燃气轮机燃烧器的一次风区、二次风区以及稀释区。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua Univ

21、ersity,Beijing,100084301402942023-1-330 图10.4b所示为把内部燃烧空间与外部空气通路隔离开的金属衬套。有一部分气体用来冷却衬套的高温部分。这部分气体从环形分布小孔中流过，平行于衬套流动，生成冷却的边界层流动。而用于燃烧的空气则直接穿过大孔，形成高速喷射穿过燃烧区中心，并很快与热气体混合。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-33

22、1Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-332 在燃气轮机燃烧器的设计中的一个关键因素是气体进入涡轮时气体温度的径向分布。在稀释区注入空气就是为了控制这项分布。能够损害叶片的高温点必须避免，而且气体温度分布要从叶片根部逐渐增大到一个最大值，然后逐渐减小到叶片顶部。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepa

23、rtment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-333 在根部，叶片压力最高，因此，根部的冷却气要使这一部分的叶片比其它部分更冷。由于叶片材料强度随温度而降低，这样做是很有意义的。最优化温度分布能够使叶轮平均入口温度达最大值，最终取得高效率。燃烧器出口的温度分布经常被称作形状因子。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,

24、Beijing,100084301402942023-1-334 在这里研究的所有燃烧设备中，现代火箭发动机中的燃烧过程是最剧烈的，也就是说，单位体积的燃烧空间释放了最多的能量。有两种类型的液体火箭：压力供料，这类火箭的燃料和氧化剂在高压气体作用下被推入燃烧室；泵供料，由涡轮泵提供推动力。这两种方案见图10.15。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-335Partic

25、le And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-336 这两种方案见图10.15。两种系统中，泵供料系统的性能高，但是也更复杂。图10.6为液氢，液氧，泵供料J-2火箭发动机，被用在阿波罗计划中的Saturn vehicle中的第二节和第三节。发动机的推力来自于在燃烧室燃料和氧化剂的燃烧产生然后通过超音速缩放喷嘴加速的高温高压气体。Particle And Combustion Engine

26、ering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-337Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-338起源于中国起源于中国Particle And Combustion Engineering Research Gro

27、upDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-339Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-340固体火箭发动机固体火箭发动机 Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment

28、of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-341液体火箭发动机液体火箭发动机Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-342电弧加热发动机Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Ther

29、mal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-343 不像前面讨论过的其他燃烧设备，火箭发动机的氧化剂是液体，燃烧之前要求燃料和氧化剂都气化。一种通常的喷射器方案是由两种液体喷射撞击合成一个液体片（见图10.7）。这个片很不稳定，容易发散成线或带状，然后分裂成液滴。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,1000843014029

30、42023-1-344Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-345 另外，需要用很多喷射器来分配燃烧室直另外，需要用很多喷射器来分配燃烧室直径方向的推动物及氧化剂。预混和扩散燃径方向的推动物及氧化剂。预混和扩散燃烧在火箭发动机燃烧中都很重要。由于检烧在火箭发动机燃烧中都很重要。由于检测燃烧器的内部非常困难，对燃烧过程的测燃烧器的内部非常困难，对燃烧过程的细节知道得也相对

31、要少。使用激光探测器细节知道得也相对要少。使用激光探测器及其它技术研究火箭燃烧室中的进程的工及其它技术研究火箭燃烧室中的进程的工作仍在继续。作仍在继续。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-346 第3章中为了介绍质量传递定律，我们曾通过将stephan问题转化成球坐标而建立了一个液滴蒸发模型。由于液滴表面温度假设为一已知参数，这个模型只包括质量传递。在这里的分析中，我

32、们假设液滴表面温度接近液滴沸点，则蒸发速率就由从环境到液滴表面的热传递速率决定。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-347 这对周围温度很高的燃烧环境是一个这对周围温度很高的燃烧环境是一个很好的近似，而且蒸发过程的数学描很好的近似，而且蒸发过程的数学描述可能是最简单的形式，这对工程计述可能是最简单的形式，这对工程计算非常有用。在这一章的靠后部分，算非常有用。在这一章的

33、靠后部分，我们还会建立一个更全面的液滴燃烧我们还会建立一个更全面的液滴燃烧模型（也可以用于处理纯蒸发）。模型（也可以用于处理纯蒸发）。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-348 图图10.8定义了这个球对称系统，半径定义了这个球对称系统，半径r是是唯一的变量。半径的起点是液滴中心。液唯一的变量。半径的起点是液滴中心。液汽表面处的液滴半径用汽表面处的液滴半径用rs表示。

34、离液滴表表示。离液滴表面无穷远处（面无穷远处（r）的温度为）的温度为T。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-349Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,1000843014029420

35、23-1-350 理论上讲，从周围环境得到的热量提供了理论上讲，从周围环境得到的热量提供了液体燃料蒸发必需的能量，然后燃料蒸气液体燃料蒸发必需的能量，然后燃料蒸气从液滴表面扩散到周围空气。质量的流失从液滴表面扩散到周围空气。质量的流失导致液滴半径随时间而缩短直到液滴完全导致液滴半径随时间而缩短直到液滴完全蒸发（蒸发（rs=0）。我们希望解决的问题是求）。我们希望解决的问题是求任一时刻液滴表面燃料蒸发的质量流率。任一时刻液滴表面燃料蒸发的质量流率。知道了这些，我们就可以计算液滴半径关知道了这些，我们就可以计算液滴半径关于时间的函数以及液滴寿命。于时间的函数以及液滴寿命。Particle And

36、Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-351 下面的这些关于热气体中液滴蒸发的假设经常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。验结果符合得很好。1、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。、液滴在静止、无穷大的介质中蒸发。2、蒸

37、发过程是准稳态的。这意味着蒸发过程在任一时、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。程的必要。3、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。、燃料是单成份液体，且其气体溶解度为零。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-3524、液滴内各处温度均匀一致，而且假定该温

38、度是燃料、液滴内各处温度均匀一致，而且假定该温度是燃料的沸点，的沸点，Td=Tboil。在许多问题里，液体短暂加热过程。在许多问题里，液体短暂加热过程不会对液滴寿命有很大影响。而且许多严密的计算证明，不会对液滴寿命有很大影响。而且许多严密的计算证明，液体表面温度只比液体在燃烧条件下的沸点略低。这一液体表面温度只比液体在燃烧条件下的沸点略低。这一假设去掉了求解液相（液滴）能量方程的必要，而且更假设去掉了求解液相（液滴）能量方程的必要，而且更重要的是，去掉了求解气相中燃料蒸气（组分）传递方重要的是，去掉了求解气相中燃料蒸气（组分）传递方程。这一假设的隐含条件是程。这一假设的隐含条件是Td Tboi

39、l。在我们随后的分。在我们随后的分析中，当我们去掉液滴处于沸点这一假设后，你会发现析中，当我们去掉液滴处于沸点这一假设后，你会发现分析起来会有多复杂。分析起来会有多复杂。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-353 5、我们假设二元扩散的、我们假设二元扩散的Lewis数具有一致性（数具有一致性（=D）。）。这使得我们可以使用第这使得我们可以使用第7章介绍过的简单的章介绍

40、过的简单的Shvab-Zeldovich能量方程。能量方程。6、我们还假设所有的热物理属性，如热传导系数、密、我们还假设所有的热物理属性，如热传导系数、密度、比热等都是常数。虽然从液滴到周围远处的气相中，度、比热等都是常数。虽然从液滴到周围远处的气相中，这些属性的变化很大，但常属性的假定使我们可以求得这些属性的变化很大，但常属性的假定使我们可以求得简单分析解。在最后的分析中，对平均值合理的选择可简单分析解。在最后的分析中，对平均值合理的选择可以得到相当精确的结果。以得到相当精确的结果。Particle And Combustion Engineering Research GroupDepar

41、tment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-354 有了上面的假设，我们可以通过气相质量守恒方有了上面的假设，我们可以通过气相质量守恒方程、气相能量方程、液滴气相边界能量平衡及液程、气相能量方程、液滴气相边界能量平衡及液滴液相质量守恒方程来求解质量蒸发率滴液相质量守恒方程来求解质量蒸发率 ，和液，和液滴半径随时间的关系滴半径随时间的关系 。气相能量方程提供了。气相能量方程提供了气相中的温度分布，由此我们可以去估计从表面气相中的温度分布，由此我们可以去估计从表面传导给液滴的热量。必须求

42、解分界面能量平衡才传导给液滴的热量。必须求解分界面能量平衡才能得到蒸发率能得到蒸发率 。知道了。知道了 之后，我们就很容之后，我们就很容易得到液滴大小与时间的关系。易得到液滴大小与时间的关系。m)(trsm)(tm Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-355 质量守恒质量守恒 由准稳态燃烧的假设可知，质量流由准稳态燃烧的假设可知，质量流率率 是一个与半径无关的常数，因

43、此，是一个与半径无关的常数，因此，以及以及 其中，其中，是整体流动速度。是整体流动速度。)(rm antconstrvmmrF240)(2drrvdrrvParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-356 由前面第由前面第7章可得，图章可得，图10.9a中所述情形的中所述情形的质量守恒可用方程质量守恒可用方程7.05来表示。运用常属来表示。运用常属性及一致性性及一致性Lewi

44、s数的假设，该方程可改数的假设，该方程可改写为：写为：drdTkcmdrdrdTrdpg4)(2Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-357Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,1000

45、84301402942023-1-358 其中反应速率为零，因为纯蒸发过程中没其中反应速率为零，因为纯蒸发过程中没有化学反应发生。有化学反应发生。为了以后研究的方便起见，我们定义为了以后研究的方便起见，我们定义Z cpg/4 k，则：，则：.)(2drdTmZdrdrdTrdParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-359 求解方程求解方程10.4可以得到气相下的温度可以得

46、到气相下的温度分布分布T(r)。这个方程有两个边界条件：。这个方程有两个边界条件：边界条件边界条件 1：T(r)=T 边界条件边界条件 2：T(rrs)=Tboil.方程方程10.4很容易求解，只需两次分离变量很容易求解，只需两次分离变量并积分。第一次积分后可解得：并积分。第一次积分后可解得：Particle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-360 其中是积分常数。第二次分离变量并

47、积分其中是积分常数。第二次分离变量并积分后可得到通式：后可得到通式：,12CTmZdrdTr,1)ln(121CrCTmZmZParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-361 其中其中C2是第二个积分常数。将方程是第二个积分常数。将方程10.5a代入方程代入方程10.6，将，将C2用用C1表示：表示：将将C2代回到方程代回到方程10.6，应用第二个边界条，应用第二个边界条件

48、（方程件（方程10.5b），而且用指数代替对数，），而且用指数代替对数，可以解出可以解出C1，即：，即：).ln(112CTmZmZCParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-362 将将C1代入上面的代入上面的C2表达式里，便可得到第表达式里，便可得到第二个积分常数：二个积分常数：.)/exp(1)/(1sboilsrmZTrmZTmZC.)/exp(1)(ln12sbo

49、ilrmZTTmZmZCParticle And Combustion Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-363 最后，将最后，将C1，C2代回到方程代回到方程10.6的通式的通式中便可以得到温度分布。得到的结果有一中便可以得到温度分布。得到的结果有一些复杂，如下：些复杂，如下：.)/exp(1)/exp()/exp()(sboilsboilrmZTrmZTrmZTTrTParticle And Combusti

50、on Engineering Research GroupDepartment of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084301402942023-1-364 方程方程10.7本身并没有提供求解蒸发率本身并没有提供求解蒸发率 的方法，的方法，但它可以求解传递到液滴表面的热量，参见图但它可以求解传递到液滴表面的热量，参见图10.9b中所示的分界面（表面）能量平衡。热量从中所示的分界面（表面）能量平衡。热量从热气体传入分界面，因为我们假定液滴温度处处热气体传入分界面，因为我们假定液滴温度处处为为 ，所有这些热量都会用来蒸发燃料