高等燃烧学-6液体燃料的燃烧

1、 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃油雾化机要求：了解液体燃料的燃烧过程，掌握燃油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴的雾化特性，掌握理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴的雾化特性，掌握油珠、油雾燃烧特性，了解液体燃烧装置特点。油珠、油雾燃烧特性，了解液体燃烧装置特点。第5章液体燃料燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing Univ

2、ersity Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 液体燃料燃烧系统1、供油系统 2、供气系统3、燃烧系统第一节 液体燃料燃烧过程 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 液体燃料燃烧特点1、扩散燃烧 2、非均相燃烧1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧第一节 液体燃料燃烧过程 Institute of Energy and Environment, Chong

3、qing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 燃油雾化现象第二节 燃油雾化过程 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 燃油雾化现象第二节 燃油雾化过程 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-m

4、ail: 燃油雾化现象第二节 燃油雾化过程 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 燃油雾化过程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体对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），使液体表面产射流的作用（脉动、摩擦等），使液体表面产生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或细丝。生波动、褶皱，并最终分离出液体碎片或

5、细丝。在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成在表面张力的作用下，液体碎片或细丝收缩成球形油珠。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。第二节 燃油雾化过程 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 油珠破碎过程气动力表面张力第二节 燃油雾化过程 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 4

6、0044, P. R. CHINA E-mail: 油珠破碎准则f20g0f2gv/42/vddWe油珠内压力力作用于油珠表面的气动14We油珠破碎两种力：外力：气动力、惯性力内力：表面张力、粘性力第二节 燃油雾化过程 式中式中 v v是气流速度；是气流速度；d d0 0是喷嘴直径；是喷嘴直径； g g是气体的密度；是气体的密度； f f 是燃料的表面张力是燃料的表面张力 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，02

7、3-65103114一、喷嘴类型直流喷嘴离心喷嘴气动喷嘴旋转喷嘴 第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 直流喷嘴结构简单，尺寸紧凑，安装布置方便雾化角小，雾化质量差多用于加力燃烧室、冲压发动机等第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA

8、E-mail: 离心喷嘴雾化锥角大，雾化质量好采用双油路，可获得更大的供油能力第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 离心喷嘴第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: /p>

9、n气动喷嘴雾化质量高排气冒烟少贫油熄火范围窄可采用特殊的气化剂第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 其它喷嘴第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、喷嘴类型第三节 燃油雾化装置喷嘴 Ins

10、titute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴理论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；喷嘴处于最大流量状态工作。基本假设：1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论：第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，023-65

11、103114二、离心喷嘴理论第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴理论.2121210222constHupuupinfinfxf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 2inffinrnmu n为喷孔个数。不计粘性时，流体的动量守恒，故有 ruRurumRumsinfsinf或第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy a

12、nd Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴理论由于空气核的存在，燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆形，其值为 )(220arrf取轴向长度为1的环形微元体，其质量为 rdrudprdrurrdpff2222或frdrdm2微元体旋转时产生离心力正好与径向压力差相平衡，故有 第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P.

13、 R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴理论rdrudprdrurrdpff2222或udurdrruRusinduudpf积分得 .212constupf.constux（与r无关） 第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴理论以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小，用表示 202202201rrrrraa10rraHpHuuxfaf0222121在燃

14、油与空气核的交界面上有（伯母利方程：） 第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴理论空气核界上的切向速度为 asinarRuu220inxinnrruu120insxanrrRuu1Auuxa又据连续方程有 A称为离心喷嘴的几何特性参数，表示离心喷嘴几何相似的准则 第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing

15、University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: xHAu/211122二、离心喷嘴理论为轴向速度系数 ffxfHrrum22020ffHrm220211/1A为流量系数 第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，023-651031140112/122A最大流量原理 2/ )1 (2A2211/1A2/第三节 燃油雾化装置喷嘴二、离心喷嘴理论 I

16、nstitute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 化锥角可根据切向速度和轴向速度的大小来确定xuutg/2xmmuutg/2,81111122Atgm2/ )(0amrrr第三节 燃油雾化装置喷嘴二、离心喷嘴理论 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 三

17、节 燃油雾化装置喷嘴二、离心喷嘴理论 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、离心喷嘴设计计算程序设计程序：1、选定雾化锥角，由此确定几何特性参数A2、确定流量系数3、确定喷嘴的孔径4、确定喷嘴其它尺寸已知条件：供油能力（供油量）、供油温度和压力、燃油物性参数（密度、粘度）第三节 燃油雾化装置喷嘴 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Ch

18、ongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、油珠群的平均直径iiimndndd)(10或2/1220)(iiimsndndd或3/1330)(iiimvndndd或第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，023-651031142332)(iiiidndndSMD或 大于与小于MMD的油珠质量各占50%。第四节 燃油喷嘴的雾化特性一、油珠群的平均直径 Insti

19、tute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、油珠群的尺寸分布小于（或大于）给定直径的油珠所具有的质量M占油珠群总质量M0的百分数 直径在范围内的油珠质量所占有的百分数 )2()2(iiiiiddddd第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: ，023-651

20、03114三、油珠群几种典型分布 niddMMRexp1063.2%RddiP ( psi )ninniidddnddddRexp)(1niddMMR693. 0exp10MMDd%5Rddi0均匀指数第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、油珠群几种典型分布为常数、babdaddddNniiiexp)(222expydydR为常数)/ln(SMDdyi第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Inst

21、itute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 、计算SMD的经验公式)(55. 04 . 025. 06 . 02 . 0mpmvSMDfll)(1945)(1350056. 027. 034. 0mpupFNSMDgpQFN)(1015. 32 . 04muvSMDll第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing

22、40044, P. R. CHINA E-mail: 蒸发或燃烧时的油珠温度Twb为蒸发平衡温度（或湿球温度）第五节 油珠的蒸发与燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: Stefan流drdYDmdrdYDmaaff02sasdrdYDd0 . 1faYY任意半径上：在油珠表面：022sasasssdrdYDdYvd 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Stefan

23、流。且有：第五节 油珠的蒸发与燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: Stefan流定义 在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相界面（异相在液体或固体燃料燃烧过程中，气体与燃料的接触存在相界面（异相反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为多组分气体，这些气体在反应），燃料加热气化或燃烧过程中的气体为多组分气体，这些气体在燃料界面附近产生浓度梯度，形成各组分相互扩散的物质流，只要在相燃料界面附近产生浓度

24、梯度，形成各组分相互扩散的物质流，只要在相界面上存在物理或界面上存在物理或 化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不化学变化（如蒸发或燃烧过程），而且这种变化在不断产生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的扩散过程断产生或消耗物质流，这种物理或化学变化过程与气体组分的扩散过程的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量的综合作用下，在相界面法线方向产生一股与扩散物质流有关的总质量流，是一股宏观物质流动。这一现象是流，是一股宏观物质流动。这一现象是Stefan在研究水面蒸发时首先发在研究水面蒸发时首先发现的，故称现的，故称Stefan流。流。在相的分界面上有物理

25、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上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成第五节 油珠的蒸发与燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 强迫对流条件下油珠的蒸发与燃烧0Re*0Re)(2)(ffmNumgsgRdURe33. 05 . 0*PrRe60. 02Nu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想的等值球对称分子导热与扩散问题：1、不考虑蒸发和燃烧，把液滴看成只和气流有对流换热

26、的固球2、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层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸发和燃烧速度第五节 油珠的蒸发与燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 油雾燃烧的特点油雾中的每一个油珠所处的环境（温度与浓度等）随油雾中的每一个油珠所处的环境（温度与浓度等）随时间、空间不断变化时间、空间不断变化两颗油珠体系：随着滴间距离的减小，燃烧常数先增两颗油珠体系：随着滴间距离的减小，燃烧常数先增加后减小；多油珠体

27、系：中央燃烧常数高，四周低。加后减小；多油珠体系：中央燃烧常数高，四周低。1、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高，燃烧过程加速。2、油珠周围的氧浓度降低，引起燃烧过程减缓。第六节 油雾燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 油雾燃烧模型预蒸发型燃烧滴群扩散燃烧复合燃烧气相燃烧加液滴蒸发第六节 油雾燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University

28、 Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 油雾燃烧模型雾化液滴很细，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。 加力燃烧室第六节 油雾燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 围介质温度低或雾化颗粒较粗（或蒸发性能差），进入

29、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。 内燃机第六节 油雾燃烧n油雾燃烧模型 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 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。火箭发动机冲压发

30、动机第六节 油雾燃烧n油雾燃烧模型 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 油雾燃烧模型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，因此没有滴群扩散火焰，只有部分预混的气体火焰。工业炉第六节 油雾燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-ma

31、il: 滴群扩散燃烧sn,2/330)/1 (11sddfsKd/2fsKd /20Probert滴群扩散燃烧模型：影响燃烧效率的因素：均匀油珠群：1、雾化细度2、燃烧常数3、均匀指数sd越小，后期nsfK第六节 油雾燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 基本概念燃油与水在少量乳化剂及乳化装置的搅拌下形成稳定、均匀的油水乳化液。1、提高燃烧效率、节约燃料2、降低污染1、油包水型HLB

32、262、水包油型HLB1218HLB乳化剂的亲憎平衡值HLB20亲水、不溶于油HLB0不亲水、只溶于油第七节 乳化油及其燃烧 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 乳化油的燃烧特点1、二次雾化2、水的催化作用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：2222222222900900HCOOHCCTHCOOHCOHCOOHCCT第七节 乳化油及其燃烧 Institute of Energy and En

33、vironment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 航空燃气（涡）轮（发动）机第八节 典型液体燃料燃烧装置 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 航空燃气（涡）轮（发动）机第八节 典型液体燃料燃烧装置 Institute of Energy and Environment, Chongqing Unive

34、rsity Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 航空燃气（涡）轮（发动）机第八节 典型液体燃料燃烧装置 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 航空燃气轮机燃烧室第八节 典型液体燃料燃烧装置 Institute of Energy and Environment, Chongqing University Chongqing 40044, P. R. CHINA E-mail: 航空燃气轮机燃烧室主燃烧室：把压气机增压后的空气，经过喷油燃烧提高温度，然后流向涡轮膨胀做功。加力燃烧室：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，使发动机增加推力。燃料的化学能热能机械能