第6章 液体燃料燃烧

1、燃烧理论基础第6章液体燃料燃烧1、供油系统、供油系统 2、供气系统、供气系统3、燃烧系统、燃烧系统第6章液体燃料燃烧1、扩散燃烧、扩散燃烧 2、非均相燃烧、非均相燃烧1、雾化、雾化2、蒸发、蒸发3、掺混、掺混4、燃烧、燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。由于液体射流本身的初始湍流以及周围气由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体对射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。体碎片或细丝。在

2、表面张力的作用下，液体碎片或细丝收在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。缩成球形油珠。在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。在气动力作用下，大油珠进一步碎裂。第6章液体燃料燃烧气动力气动力表面张力表面张力第6章液体燃料燃烧22/42/udduWe油珠内压力力作用于油珠表面的气动14We油珠破碎油珠破碎两种力：两种力：外力：气动力、惯性力外力：气动力、惯性力内力：表面张力、粘性力内力：表面张力、粘性力第6章液体燃料燃烧直流喷嘴直流喷嘴离心喷嘴离心喷嘴气动喷嘴气动喷嘴旋转喷嘴旋转喷嘴 第6章液体燃料燃烧结构简单，尺寸紧结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便凑，安装布置方便雾化角小，雾化质雾化角小

3、，雾化质量差量差多用于加力燃烧室、多用于加力燃烧室、冲压发动机等冲压发动机等第6章液体燃料燃烧雾化锥角大，雾化雾化锥角大，雾化质量好质量好采用双油路，可获采用双油路，可获得更大的供油能力得更大的供油能力第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧雾化质量高雾化质量高排气冒烟少排气冒烟少贫油熄火范贫油熄火范围窄围窄可采用特殊可采用特殊的气化剂的气化剂第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧流体为无粘性的理想流体；流体为无粘性的理想流体；不计喷嘴内部流动的径向分速度；不计喷嘴内部流动的径向分速度；喷嘴处于最大流量状态工作。喷嘴处于最大流量状态工作。基本假设：基本假设：1944年前苏联的阿勃拉

4、莫维奇教授提出了离心喷年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论：嘴理论：第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧.2121210222constHupuupinfinfxf离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程 根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为根据连续方程，燃油在切向孔内的流动速度为 2inffinrnmu不计粘性时，流体的动量守恒，故有不计粘性时，流体的动量守恒，故有 ruRurumRumsinfsinf或第6章液体燃料燃烧由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆形，其值为通面积为一圆形，其值为 )(2

5、20arrf取轴向长度为取轴向长度为1 1的环形微元的环形微元体，其质量为体，其质量为 rdrudprdrurrdpff2222或frdrdm2微元体旋转时产生离心力正好微元体旋转时产生离心力正好与径向压力差相平衡，故有与径向压力差相平衡，故有 第6章液体燃料燃烧rdrudprdrurrdpff2222或udurdrruRusinduudpf2积分得积分得 .212constupf.constux（与（与r无关）无关） 第6章液体燃料燃烧以以“空穴率空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用表示喷孔内空气核的大小，用表表示示 202202201rrrrraa10rraHpHuuxfaf0222121在

6、燃油与空气核的交界面上有在燃油与空气核的交界面上有 第6章液体燃料燃烧空气核界上的切向速度为空气核界上的切向速度为 asinarRuu220inxinnrruu120insxanrrRuu1Auuxa又据连续方程有又据连续方程有 A称为离心喷嘴的几何称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则喷嘴几何相似的准则 第6章液体燃料燃烧fxHAu/211122 为轴向速度系数为轴向速度系数 ffxfHrrum22020ffHrm2202211/1A 为流量系数为流量系数 第6章液体燃料燃烧0112/122A最大流量原理最大流量原理 2/ )1 (2A2322211/1A1

7、/32 第6章液体燃料燃烧雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定xuutg/2xmmuutg/2,81111122Atgm2/ )(0amrrr第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧设计程序：设计程序：1、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数A2、确定流量系数、确定流量系数3、确定喷嘴的孔径、确定喷嘴的孔径4、确定喷嘴其它尺寸、确定喷嘴其它尺寸已知条件：已知条件：供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性参数（密度、粘度）参数（密度、粘度）第6章液体燃料燃烧iiimn

8、dndd)(10或2/1220)(iiimsndndd或3/1330)(iiimvndndd或第6章液体燃料燃烧2332)(iiiidndndSMD或 大于与小于大于与小于MMD的的油珠质量各占油珠质量各占50%。第6章液体燃料燃烧小于（或大于）给定直小于（或大于）给定直径的油珠所具有的质量径的油珠所具有的质量M占占油珠群总质量油珠群总质量M0的百分数的百分数 直径在范围内的油珠质量所占直径在范围内的油珠质量所占有的百分数有的百分数 )2()2(iiiiiddddd第6章液体燃料燃烧 niddMMRexp1063.2%RddiP ( psi )ninniidddnddddRexp)(1nidd

9、MMR693. 0exp10MMDd%5Rddi0均匀指数第6章液体燃料燃烧为常数、babdaddddNniiiexp)(222expydydR为常数)/ln(SMDdyi第6章液体燃料燃烧)(55. 04 . 025. 06 . 02 . 0mpmvSMDfll)(1945)(1350056. 027. 034. 0mpupFNSMDgpQFN)(1015. 32 . 04muvSMDll第6章液体燃料燃烧Twb为蒸发平衡温度（或湿球温度）为蒸发平衡温度（或湿球温度）第6章液体燃料燃烧drdYDmdrdYDmaaff02sasdrdYDd0 . 1faYY任意半径上：在油珠表面：在油珠表面：

10、022sasasssdrdYDdYvd为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反向的流动称为向的流动称为Stefan流。且有：流。且有：第6章液体燃料燃烧Stefan流流：aasssvYdYvd22.2constvYda022drdYDdvYdaa0drdYDvYaa第6章液体燃料燃烧在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个在相的分界面上有物理或化学过程存在，这个过程要求表面排除或吸入净的质量流过程要求表面排除或吸入净的质量流上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成第6章液体燃料燃烧fssssfsfYvddr

11、dYDdm22fffvYddrdYDdm22drdYdrdYfa22)(dvYYdvmfafffffYmdrdYDrm24)1 (42fffYdYDrdrmfffsfsYYrYYrr)1ln(4BDrmsffsffsYYYB1扩散项扩散项Stefan流项流项022drdYDdvYdaa第6章液体燃料燃烧 加热油珠至蒸发温度加热油珠至蒸发温度油珠蒸发油珠蒸发加热油蒸气加热油蒸气034)(432ddTCrhmTTCmdrdTrlllsfgflpffgwbppsfhTTCCrm)(1ln4)1ln(4TsfBDrm1LeTBB fgwbpfsffshTTCYYY)(1第6章液体燃料燃烧 0)(,ff

12、ffsfsYrrYYrr)1ln(1114BrrDmfsffsfsYYB1)1 (42fffYdYDrdrmfgbfppfsfhTTCCrrm)(1ln4111第6章液体燃料燃烧 famdrdYDr24在火焰面上：在火焰面上：DYmrrdrmDdYffrfYaf4420DYhTTCCrmfgbfppsf)(1ln4rf的确定：的确定：第6章液体燃料燃烧 0Re*0Re)(2)(ffmNumgsgRdURe33. 05 . 0*PrRe60. 02 Nu把一个真实的二维轴对称对把一个真实的二维轴对称对流传热、传质问题转化为一个假流传热、传质问题转化为一个假想的等值球对称分子导热与扩散想的等值球对

13、称分子导热与扩散问题：问题：1、不考虑蒸发和燃烧，把液滴看、不考虑蒸发和燃烧，把液滴看成只和气流有对流换热的固球成只和气流有对流换热的固球2、不考虑对流的存在，只研究这、不考虑对流的存在，只研究这个假想的有分子导热和扩散的球个假想的有分子导热和扩散的球层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸发和燃烧速度发和燃烧速度第6章液体燃料燃烧122ddmtf)1ln(4BdDdt)1ln(8202BDddlKdd2020d)1ln(28*202BNuDddl设任一瞬间的油珠直径为设任一瞬间的油珠直径为d，经过，经过时间后直径减小时间后直径减小 d:)1ln(4BDrmsf直径平方定律直径

14、平方定律Kd20油珠寿命油珠寿命第6章液体燃料燃烧)1ln(28*202BNuDddl在强迫对流条件下：在强迫对流条件下： KKKKKff燃烧常数蒸发常数第6章液体燃料燃烧1、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高，燃烧过程加速。高，燃烧过程加速。2、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓。过程减缓。第6章液体燃料燃烧预蒸发型燃烧预蒸发型燃烧滴群扩散燃烧滴群扩散燃烧复合燃烧复合燃烧气相燃烧加液滴蒸发气相燃烧加液滴蒸发第6章液体燃料燃烧雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定雾化液滴很细，周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长，使液

15、滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧区间距离长，使液滴进入火焰区前已全部蒸发完，燃烧完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃完全在无蒸发的气相区中进行，这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。料的燃烧机理相同，液滴蒸发对火焰长度的影响不大。 加力燃烧室第6章液体燃料燃烧周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），周围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），进入燃烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，进入燃烧区时油珠基本未蒸发，只有滴群的扩散燃烧，此时反应动力学因素影响不大。此时反应动力学因素影响不大。 燃气轮机燃气轮机内燃机内燃机第6章液体燃料燃烧介于预

16、蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中常见的喷雾液滴燃烧，因喷出的雾滴大小不均匀，其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火较小的液滴在火焰区前方已蒸发完，形成预混型气体火焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群焰，较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕，产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧发生作用。都将对燃烧发生作用。火箭发动机火箭发动机冲压发动机冲压发动机第6章液体燃料燃烧部分小油珠已经蒸发完毕，另一部分液滴

17、进入火焰部分小油珠已经蒸发完毕，另一部分液滴进入火焰区时其直径已过小而着不了火，只能蒸发，因此没有滴区时其直径已过小而着不了火，只能蒸发，因此没有滴群扩散火焰，只有部分预混的气体火焰。群扩散火焰，只有部分预混的气体火焰。工业炉工业炉第6章液体燃料燃烧此处R表示直径大于 的液滴质量占总质量的百分数。Probert滴群扩散燃烧模型：滴群扩散燃烧模型：expnoidRdoid假设油雾中初始滴径的分布符合Rosin-Rammler分布，即 第6章液体燃料燃烧根据直径平方定律，在任何瞬间 ，初始直径小于及等于 的油珠都已蒸发完毕，剩下的只有那些初始直径大于 的油珠，这些油珠经过 时间后剩余的质量百分数为

18、：Probert滴群扩散燃烧模型：滴群扩散燃烧模型：fkfk)()()(0030iikiidddddRddf第6章液体燃料燃烧Probert滴群扩散燃烧模型：滴群扩散燃烧模型：根据扩散燃烧的概念，燃烧过程与蒸发过程同步，因此完全燃烧程度或燃烧效率应为)()()(10030iikiidddddRddf第6章液体燃料燃烧Probert滴群扩散燃烧模型：滴群扩散燃烧模型：23202320230)1 ()()(ifiiiidkdddd11noidndoioiddRned ddd 第6章液体燃料燃烧Probert滴群扩散燃烧模型：滴群扩散燃烧模型：43/221noinfdnoidoifoinKdndKe

19、d dd 3/24221noifdndoioioinKsdddnedddd 或：fsKd/2第6章液体燃料燃烧sn,2/330)/1 (11sddfsKd /20Probert滴群扩散燃烧模型：滴群扩散燃烧模型：影响燃烧效率的因素：影响燃烧效率的因素：均匀油珠群：均匀油珠群：1、雾化细度、雾化细度2、燃烧常数、燃烧常数3、均匀指数、均匀指数sd越小，后期nsfK第6章液体燃料燃烧燃油与水在少量乳化剂燃油与水在少量乳化剂及乳化装置的搅拌下形成稳及乳化装置的搅拌下形成稳定、均匀的油水乳化液。定、均匀的油水乳化液。1、提高燃烧效率、节约燃料、提高燃烧效率、节约燃料2、降低污染、降低污染1、油包水型、

20、油包水型HLB262、水包油型、水包油型HLB1218HLB乳化剂的亲憎平衡值乳化剂的亲憎平衡值HLB20亲水、不溶于油亲水、不溶于油HLB0不亲水、只溶于油不亲水、只溶于油第6章液体燃料燃烧1、二次雾化、二次雾化2、水的催化作用、水的催化作用碳氢燃料在高温缺氧条件下下析碳，水气碳氢燃料在高温缺氧条件下下析碳，水气对析出碳粒有催化作用：对析出碳粒有催化作用：2222222222900900HCOOHCCTHCOOHCOHCOOHCCT第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧第6章液体燃料燃烧主燃烧室：主燃烧室：把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高温度，然后流向涡轮膨胀做功。温度，然后流向涡轮膨胀做功。加力燃烧室：加力燃烧室：利用经涡轮膨胀后燃烧室燃烧所剩余的利用经涡轮膨胀后燃烧室燃烧所剩余的氧气再补充喷油燃烧，提高气流温度，增加做功能力，氧气再补充喷油燃烧，提高气流温度，增加做功能力，使发动机增加推力。使发动机增加推力。燃料的燃料的化学能化学能热能热能机械能机械能动能动能大气第6章液体燃料燃烧1、进口气流速度高，组织燃烧困难。、进口气流速度高，组织燃烧困难。2、燃烧室容积小，且要求在短时间内发出大量的热、燃烧室容积小，且要求在短时间内发出大量的热3、出口气流温度受到限制、