液体燃料雾化与燃烧概述

,一、 课程概述,北京交通大学 机电学院 能源与动力工程系,主讲人：虞育松,-液体燃烧雾化与燃烧,Atomization and Combustion of Liquid Fuel Sprays,一. 课程简介,通过本课程的学习使学生掌握液体燃料雾化与燃烧理论方面的基本知识，掌握研究液体燃料雾化与燃烧问题的基本方法。主要内容包括：液体燃料的种类与基本特性液体射流的表面波稳定性理论液体射流分裂机制及其破碎机理液体燃料雾化过程的基本研究方法液滴的蒸发液体燃料燃烧基础理论等。,1. 课程目的及任务,本课程属于能源与动力方向研究生的专业课。通过本课程的学习，扩展和加深学生在多相流流动、射流失稳及破碎、液滴蒸发及液雾燃烧等方面的理解和认识，使学生掌握液体燃料雾化与燃烧理论方面的基本知识，掌握研究液体燃料雾化与燃烧问题的基本方法。为今后从事相关研究提供必要的基础知识。,2. 具体内容及安排,第一章：绪论 介绍本课程的教学内容与目的。液体燃料雾化与燃烧的应用背景和前景。液体燃料雾化与燃烧的研究热点与挑战等。第二章：液体燃料的种类与基本特性 油类燃料和其它液体燃料的基本物理性质。亚临界和超临界条件下的液体燃料热力学性质。液体燃料热力学性质的确定等。第三章：液体射流的表面波稳定性理论 线性稳定性理论概述。液体射流的稳定性分析。扰动时间和空间增长的稳定性分析。平面液膜、圆柱射流和环形射流碎裂的线性稳定性分析。色散方程的求解与分析等第四章：液体射流分裂机制及其破碎机理 无量纲量数的建立。液体射流分裂机制的划分。不同机制下的分裂模式及其影响因素。液体燃料喷雾场的结构划分。初次雾化与二次雾化。空气动力作用、喷孔内流对液体射流分裂的影响。喷油器种类及其对喷孔内流和雾化的影响。喷孔内流与喷孔外射流雾化的耦合作用机制分析。液滴的碰撞与聚合作用对液体燃料喷雾过程的影响、喷雾撞壁问题等。,3. 具体内容及安排,第五章：液体燃料雾化过程的实验与数值模拟研究 喷雾实验装置与测量技术。喷雾宏观和微观特性。喷雾场的实验测量方法。燃油雾化模型的种类。燃油喷雾过程的数值求解方法（拉格朗日和欧拉方法）和初始边界条件。燃油雾化过程数值模拟结果的分析。第六章：液体燃料的蒸发 相对静止环境中液滴的蒸发。液滴蒸发时的斯蒂芬流。强迫气流中液滴的蒸发。液滴群的蒸发。超临界环境中的液滴蒸发。多组分燃油液滴的蒸发。附壁液膜的蒸发。液体蒸发的实验与数值模拟研究概述。第七章：液体燃料燃料的基础理论 混合与传质。着火的基本概念、着火方式与机理、着火条件的数学描述。层流扩散燃烧。湍流扩散燃烧。非预混燃烧的实验和数值模拟研究方法等。第八章：液体燃料的燃烧 静止液滴的燃烧。强迫气流中液滴的燃烧。液滴群的燃烧。附壁液膜的燃烧。液体燃料燃烧的实验与数值模拟研究方法等。,5. 参考文献,1 曹建明. 液体喷雾学M. 北京：北京大学出版社，20132 徐通模. 燃烧学M. 北京：机械工业出版社，20113 解茂昭. 内燃机计算燃烧学M. 大连：大连理工大学出版社，20054 Glassman, Irvin. CombustionM. California: Academic Press, 20085 Alan Williams. Combustion of liquid fuel sprays. London: Butterworths, 19906 Christopher E. Brennen. Fundamentals of Multiphase Flow. New York: Cambridge University Press, 2005.,6. 关于作业与课题讨论内容的思考,讨论点1：圆柱或平面液体射流表面波线性失稳的分析过程及当前存在的不足分析与改进思路。讨论点2：主流液滴破碎模型的推演建立过程及当前存在的不足分析与改进思路。讨论点3：液滴蒸发理论分析及数学模型的推演建立过程及当前存在的不足分析与改进思路。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。,二、液体燃料雾化与燃烧理论的应用背景,普遍存在于热能动力装置中： 热机： 燃料的化学能转化成内能再转化成机械能的机器动力机械的一类，如蒸汽机、汽轮机、燃气轮机、内燃机、喷气发动机等。,思考1：,液体燃料的雾化燃烧的具体过程？燃油液滴燃烧过程,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,液体燃料蒸发,气态燃料化学反应,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,三、液体燃料雾化与燃烧的研究热点与挑战,目前面临的挑战：更高的燃烧效率；更低的污染物排放（CO、CO2、HC、PM、NOX、SO2）研究热点：清洁替代燃料燃烧技术；高压喷射技术；均质/分层燃烧技术；缸内直喷技术；液体燃料掺混；高增压技术,节能减排！,空气中粒径10微米（0.01毫米）以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡；粒径2.5微米（0.0025毫米，相当于头发粗细的1/10）以下的细颗粒物，被人吸入后会进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发哮喘、支气管炎和心血管病等。 2011年，全国机动车排放的PM达62.1万吨，而汽车贡献了94.9%，排放量达59万吨。其中，按排放标准划分，保有量占9.5%的国I前标准汽车贡献了其中的48.9%。而按燃料类型来分，保有量占17.0%的柴油车则贡献了99%以上。,车用发动机的污染物排放问题：,NOx（氮氧化合物）、排放限制的对象 NO、NO2、N2O、N2O2等等化合物的总称。在高温下氮和氧结合后产生。越接近完全燃烧产生的量越多，所以必须降低燃烧温度。,LTC(Low Temperature Combustion）低温燃烧,HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）均质充量压燃,PCCI(Premixed Charge Compression Ignition)预混充量压燃,PM（Particulate Matter=微粒子状物质）/黑烟、排放限制的对象 PM是柴油发动机排放的微粒子状物质的总称。主要由黑烟、被称为SOF（可溶有机成分）的燃烧残留下来的燃料及润滑油的成分、硫化物等构成。（过浓缺氧燃烧下形成）,燃油雾化效果不佳,油气混合不充分、混合气局部过浓,燃烧效率不高、扩散燃烧、高温火焰,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。,二、液体燃料燃烧形式分类 根据液体燃料蒸发的特点 ，分为: 液面燃烧 灯芯燃烧 蒸发燃烧 雾化燃烧 三、液面燃烧1.燃烧过程：液面燃烧是直接在液体燃料表面上发生的燃烧。,液体燃料容器,热源或火源,液体表面,辐射和对流,受热蒸发,液面上方的燃料蒸汽增加,可燃混合气,一定浓度,周围空气,燃烧,着火温度,受热,2.特点燃烧状况不好，将导致燃料严重热分解,重质燃料,未燃烧,污染、冒黑烟,火灾,油罐火灾、海面浮油火灾等,工程燃烧中不宜采用该燃烧方式,四、灯芯燃烧,灯芯,吸附,燃油,灯芯表面,燃烧,燃烧功率小、适用于家庭、小规模燃烧器（煤油灯、煤油炉）,容器,蒸汽,五、蒸发燃烧,1.类似于气体燃料燃烧 ：燃料蒸发象气体燃料燃烧 2.过程,液体燃料,管道,蒸气,气体,燃烧,高温烟气,管道,3.适用燃料： 粘度不太大 沸点不太高 轻质液体燃料 在工程中有一定应用,蒸发,放热,加热,六、雾化燃烧,1.过程：,雾化器,破碎,小液滴,悬浮,边蒸发边燃烧,液体,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（2）易蒸发的液体汽化器,汽油,不易蒸发的液体喷嘴雾化,柴油,燃料的蒸发表面积增加上千倍,23,喉部,流速大,进气管,小雾滴,吸入汽油,高速气流,冲散油股,边蒸发边流动,混合良好,燃烧室,燃烧,（3）汽化器原理图,燃油和空气分别进入燃烧室（类似扩散燃烧），边混合边燃烧,（3）喷嘴雾化难蒸发,难蒸发液体燃料的物理性能差别很大。例如轻柴油、煤油的粘度不太大，较易雾化，雾化装置简单。属优质燃料，移动式发动机(例如柴油机、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，,雾化装置复杂，用于工业窑炉和锅炉等固定式燃烧设备,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