燃烧理论与应用课件

层流火焰燃烧理论与应用---层流火焰层流火焰------燃烧与火焰一、燃烧与火焰★燃烧发生燃烧反应的外部表现★火焰燃料和氧化剂两种组份在空间激烈地发生放热化学反应的过程（火焰－燃烧波、火焰前沿、火焰前锋）★发光、发热火焰的几个重要特征★电离★自行传播层流火焰------燃烧与火焰热和辐射现象O·未燃气火焰前锋容器已燃气层流火焰------燃烧与火焰火焰前锋厚度一般约为10-3m◆缓燃（爆燃）--燃烧波传播的速度为亚音速◆爆震--燃烧波传播的速度为超音速◆爆炸--释热速率极大，不需要有燃烧波在介质中的传播deflagrationdetonation层流火焰------燃烧与火焰湍流火焰◆根据混合气的流动状态分火焰分类层流火焰◆根据混合气反应前的接触状态分扩散火焰预混火焰层流火焰------燃烧与火焰本生灯火焰层流火焰------燃烧与火焰层流火焰------层流预混火焰二、层流预混火焰1.火焰传播速度（SL）---定义：火焰相对于未燃混合气在其法线方向上的速度---

物理意义：代表单位时间内在火焰前锋的单位表面上所燃去的混合气体的体积[cm3/s·cm2=cm/s]cm/s★几个概念---

火焰移动速度（Ua）：火焰前锋在未燃混合气中相对于静止坐标系的前进速度---

混合气运动速度（vu）层流火焰------层流预混火焰vu未燃气已燃气vb火焰前锋Ua层流火焰------层流预混火焰SL★SL=vu，Ua=0稳定vu未燃气已燃气vb火焰前锋层流火焰------层流预混火焰UaSL★SL>vu，Ua<0回火★SL=vu，Ua=0稳定vu未燃气已燃气vb火焰前锋层流火焰------层流预混火焰UaSL★SL<vu，Ua>0吹除★SL=vu，Ua=0稳定★SL>vu，Ua<0回火vu未燃气已燃气vb火焰前锋层流火焰------层流预混火焰UaSL2.层流火焰传播速度理论★

热理论★

扩散理论★

综合理论火焰中的化学反应主要是由于热量的导入使分子热活化而引起的，所以，化学反应区（火焰前锋）在空间中的移动取决于从反应区向未燃气传热的热导率。火焰中的化学反应主要是由于活化中心向未燃气的扩散热传递与扩散共同作用层流火焰------层流预混火焰★层流火焰结构vu未燃气已燃气vbδδPδcρuρb层流火焰------层流预混火焰3.Spalding的简化理论

耦合传热、传质、化学动力学以及热力学的原理来理解支配火焰速度和火焰厚度的因素层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（1)温度层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（1)温度〔安德鲁斯（Andrews）和布拉德利（Bradley）〕层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（1)温度常压CH4-Air层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（2)压力〔安德鲁斯（Andrews）和布拉德利（Bradley）〕层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（2)压力CH4-AirTu＝16-27℃层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（3)当量比常压CH4-Air层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（3)当量比常压CH4-Air层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（4)燃料类型燃料分子式SL（cm/s）MethaneCH440AcetyleneC2H2136EthyleneC2H467EthaneC2H643PropaneC3H844HydrogenH2210层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（5)混合气中掺杂物的影响层流火焰------层流预混火焰4.影响火焰速度和厚度的因素

（5)混合气中掺杂物的影响层流火焰------层流预混火焰5.火焰速度的测量方法

困难一：不容易获得一个稳定的平面火焰困难二：确定火焰前沿层流火焰------层流预混火焰5.火焰速度的测量方法

（1)本生灯法火焰内锥的表面积Af管子的横截面积At管内平均流体速度Vt层流火焰------层流预混火焰5.火焰速度的测量方法

（2)平面火焰法层流火焰------层流预混火焰5.火焰速度的测量方法

（3)球弹法γ－未燃气比热比α－球半径r－压力为p时的火焰半径层流火焰------层流预混火焰5.火焰速度的测量方法

（4)粒子示踪法（5)驻定火焰法（6)透明管法层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（1)熄火---

淬熄距离：火焰在圆形管道内熄灭（不传播）的临界直径

---

熄火现象：强烈的放热反应

无反应状况层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（1)熄火层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（1)熄火层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（1)熄火温度和压力对淬熄距离的影响：层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（2)火焰传播极限---

下限：使火焰稳定传播的最小混合比（Φ<1）---

上限最大的混合比（Φ>1）层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（2)火焰传播极限Φ=1Φ<1Φ>1Φ层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（2)火焰传播极限影响火焰传播极限的因素燃料种类混合气的组成温度压力层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（2)火焰传播极限实验条件：T=20℃1-甲烷2-丁烷3-乙烷层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（3)着火---

着火混合气自动的反应加速、升温，以致引起空间某部或在某时间出现火焰---

着火方式

自燃与点燃层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（3)着火---

着火条件如果在一定的初始条件或边界条件(闭口系统)

之下，由于化学反应的剧烈加速，使反应系统在某个瞬间或空间的某部分达到高温反应态（即燃烧态），那么，实现这个过渡的初始条件或边界条件便称为“着火条件”---最小着火能将混合气从初始状态加热到火焰温度所需要的能量层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（3)着火层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（3)着火

压力和温度对最小着火能的影响层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（3)着火压力和温度对最小着火能的影响层流火焰------层流预混火焰6.熄火、传播极限和着火（3)着火压力和温度对最小着火能的影响层流火焰------层流预混火焰7.火焰稳定

★回火(flashback)层流火焰------层流预混火焰★回火(flashback)层流火焰------层流预混火焰7.火焰稳定

★火焰提升(liftoff)

7.火焰稳定

★回火(flashback)层流火焰------层流预混火焰7.火焰稳定

★回火(flashback)★火焰提升(liftoff)

层流火焰------层流预混火焰7.火焰稳定

天然气含氢气的人工合成气层流火焰------层流预混火焰层流火焰------层流扩散火焰三、层流扩散火焰1.基本概念（1)火焰外形过量供气火焰供气不足火焰层流火焰------层流扩散火焰1.基本概念（2)火焰结构空气燃料空气2.无反应的常密度层流射流

（1)物理描述中心径向层流火焰------层流扩散火焰2.无反应的常密度层流射流

（2)速度分布任一x位置射流的动量，J＝来自喷嘴的动量，Je轴向速度分布中心速度层流火焰------层流扩散火焰2.无反应的常密度层流射流

（2)速度分布层流火焰------层流扩散火焰2.无反应的常密度层流射流

（3)射流半宽、扩展速率和扩展角★射流半宽（jethalf-width)：射流速度下降到中心速度值一半时的径向位置层流火焰------层流扩散火焰2.无反应的常密度层流射流

（3)射流半宽、扩展速率和扩展角★扩展速率（spreadingrate)：射流半宽与轴线距离x的比值★扩展角(spreadingangle)：扩展速率的正切角层流火焰------层流扩散火焰2.无反应的常密度层流射流

（4)浓度场中心线上质量分数层流火焰------层流扩散火焰3.层流射流火焰的简化理论

★Burke&Schumann理论（1928）层流火焰------层流扩散火焰3.层流射流火焰的简化理论

★常密度解法★变密度解法（Fay）层流火焰------层流扩散火焰3.层流射流火焰的简化理论

★ROPER理论（1977）层流火焰------层流扩散火焰3.层流射流火焰的简化理论

★数值解法层流火焰------层流扩散火焰4.流速和几何结构对火焰长度的影响层流火焰------层流扩散火焰在射流速度较低时，火焰保持层流状态，火焰前沿面光滑、稳定、明亮。随射流速度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此时火焰仍保持层流。再增大射流速度，火焰顶部开始出现颤动、皱折、破裂。由于湍流影响，湍流扩散混合加快，燃烧速度增加，使火焰高度缩短。继续增加射流速度，开始颤动、皱折、破裂的点向喷口方向移动，直到破裂点靠近喷口。此时火焰达完全湍流状态，此后破裂点位置不变、火焰高度趋于定值。但噪音增加如果过分增加射流速度，火焰会脱离喷口直至吹熄。4.流速和几何结构对火焰长度的影响层流火焰------层流扩散火焰5.

摩尔当量比S的影响

★燃料类型

对CxHy

层流火焰------层流扩散火焰5.

摩尔当量比S的影响

★一次风层流火焰------层流扩散火焰5.

摩尔当量比S的影响

★氧化剂中的氧含量层流火焰------层流扩散火焰5.

摩尔当量比S的影响

★燃料用惰性气体稀释层流火焰------层流扩散火焰6.烟炱的形成和消除

层流火焰------层流扩散火焰6.烟炱的形成和消除

四个步骤层流火焰------层流扩散火焰6.烟炱的形成和消除

层流火焰------层流扩散火焰THEEND

湍流简介

湍流流动的主要特点湍流流场具有完全不规则的瞬息变化的运动特征湍流流场中，各种物理量都是随时间和空间变化的随机量湍流流场中，流体微团的随机运动在足够长的时间内服从某种数学统计规律。空间点上任一瞬时物理量均可用平均值与脉动值之和来表示，即湍流的物理本质湍流可以看成是许多不同涡旋尺度和涡流强度的涡所组成的。

湍流射流喷入静止容器时射流中心面的流体流体中流体微元的急速交扭是湍流区别于层流的一个特征。当流体微元湍流运动时，其动量、组分、能量能够在横向进行大量的传递。这种传递比起层流中由于分子扩散运动而造成的传递要剧烈得多。正因为如此，很多实际燃烧装置都采用湍流，以图在相对较小的空间里能更好地混合和释放热量。欧拉法描述湍流场的三种统计平均方法：时间平均、空间平均和系综平均法时间平均：

空间平均：

系综平均：

不同的平均方式有不同的适用范围：定常或准定常（平均值是不随时间变化，或按恒定规律随时间作极缓慢的变化）研究体系，采用时间平均；燃烧设备中的流动一般都假定为准定常湍流，故采用时间平均法均匀流场，实施空间平均既不定常又不均匀的湍流体系，进行同样条件下的大量实际数据为依据的系综平均采用时间平均法时速度u及其脉动值的特点:工程上，衡量气流脉动程度的大小，一般用脉动值的均方根值表示

把湍流场中各物理量分为平均值和脉动值的主要好处：各物理量的瞬时值是随机的，使理论研究遇到很多困难。采用上述分解后，可以在大多数情况下假定流动是准定常的，并可采用统计的平均方法对流动方程进行数值求解。

试验研究时，各物理量的瞬时值的确定比较困难，而时间平均值较容易测定。对一般的工程问题，知道流动的平均值已可满足要求。

湍流特性参数湍流强度

式中：

湍流特性参数方向关联系数脉动速度在不同方向之间的统计联系程度方向关联系数具有如下特征：

方向关联系数永远小于或等于1方向关联系数的几种典型情况:方向关联系数的大小在一定程度上表示了气流在空间的湍流混合情况。方向关联系数越小，则脉动速度向四方脉动的可能性越大，气流将混合得越均匀湍流特性参数坐标关联系数

表示在同一方向上、不同位置的两点间脉动速度的统计联系各向同性湍流(方向关联系数为0)：

湍流特性参数时间关联系数Rt

和表示同一气体微团在t0和t1瞬间的脉动速度

t0则Rt1t则Rt0湍流特性参数--湍流中的长度尺度L-流体的特征宽度或者宏观尺度系统中最大的一个长度尺度，也是可能的最大涡流尺度的一个上限通常用来定义基于平均流速的雷诺数，但是却不能用来定义湍流雷诺数湍流特性参数--湍流中的长度尺度l0-整体尺度或者泰勒宏观尺度

在物理上表示湍流中那些低频率、长波长的涡的平均涡流尺度通常比L要小，但是与L处于同一数量级在不是很精确的情况下，l0表示流体中脉动速度不再相关联的两点间的距离湍流特性参数--湍流中的长度尺度lλ

-泰勒微观尺度(Taylormicroscale)介于l0和lk之间的一个长度尺度，它更加偏向较小的长度尺度该标尺与平均应变率相关（见下式分母）湍流特性参数--湍流中的长度尺度lk-柯尔莫哥罗夫微观尺度（Kolmogorovmicroscale）湍流中最小的一个长度尺度，表示由于湍流动能的耗散而转化为的流体内能的能量大小分子作用（动力粘度）是柯尔莫哥罗夫微观尺度中比较重要的因素量纲变化显示lk与耗散率ε有关：υ分子运动粘度

k湍流动能均方根脉动速度湍流特性参数--湍流的雷诺数四个长度尺度中，有三个可用来对湍流雷诺数作出定义在所有的雷诺数定义中，特征速度是均方根脉动速度湍流特性参数--湍流的雷诺数耗散率ε的定义把最大的湍流长度尺度（整体尺度即泰勒宏观尺度）和最小的尺度（柯尔莫哥罗夫微观尺度）联系在一起：泰勒微观尺度lλ和的联系：湍流特性参数--湍流的雷诺数式运用半定量的方法描述了高雷诺数湍流之间长度尺度上的分界当为1000的时候，比例l0/lk大约为178：1提高平均流速把提高到10000的时候，相应的比例提高到了1000：1较小的湍流长度尺度随着雷诺数的升高而变小，而流体中最大的长度尺度仍然保持不变

（见下图）湍流特性参数--湍流的雷诺数在低（a）和高（b）雷诺数下的湍流射流阴影表示较小的长度尺度的湍流结构湍流分析湍流反应流（如燃烧过程）是包含有剧烈放热化学反应的流动过程，描述其规律的定律主要有：质量守恒动量平衡能量平衡化学组分平衡化学元素质量守恒湍流分析-粘性流动基本方程组（N-S方程组）（1）连续性方程（质量守恒方程）直角坐标系中：=任意控制体系内质量的增加率等于从外界进入体系的净质量流体湍流分析-粘性流动基本方程组（N-S方程组）（2）动量平衡方程单位体积流体某方向动量的增加率等于该方向动量的净流入率与作用于它的该方向外力之和包括体积力与阻力在i方向的分量湍流分析-粘性流动基本方程组（N-S方程组）（3）化学组分方程单位体积内某种化学组分质量的增加率等于由对流和扩散引起的它的净增率与其化学反应生成率之和Rl是包括化学反应引起的产生（或消耗）率以及颗粒反应产生的质量源湍流分析-粘性流动基本方程组（N-S方程组）（4）能量平衡方程单位体积流体内总能量的增加率等于滞止焓净进入率与外界对体积的传热率和作功率之和h为焓；H为滞止焓；为包括动能的总焓；Qh为包括剪切功流入的净速率和反应所产生和吸收的热能、辐射能、电能等湍流分析-粘性流动基本方程组（N-S方程组）（5）状态方程方程组中未知量为vi、、p、(或T)、ml共七个，而方程的个数也是七个，故该方程组是封闭的N-S方程组描述的是任一瞬间流体的运动特性，因此它既适合于层流运动，也适用于湍流运动湍流运动的特性标尺都很小，在求方程的数值解时必须将求解区域划分得极其微细，这使目前的计算机存储量和计算时间无能为力湍流分析-湍流运动时均方程组运用时间平均方法，把上述N-S方程组中任一瞬间物理量用平均量和脉动量之和的形式来表示再对整个方程组进行时间平均运算得到湍流运动的时均方程组（即雷诺方程组）湍流分析-湍流运动时均方程组（1）时均连续方程（2）时均动量方程（3）时均化学组分方程（4）时均能量方程湍流分析-湍流运动时均方程组时均方程可以写成如下的通用形式:式中为1、、及时，即分别表示上述四个时均方程湍流分析-湍流运动时均方程组在大多数湍流计算中，可以认为密度和其它量的关联程度很小忽略时均方程中的密度脉动关联项及所有三阶关联项，则该式可简化为（下述方程的因变量都是平均量，为清楚起见，略去了符号上的短横）：时间导数项对流项扩散项源项湍流分析-湍流运动时均方程组实行雷诺分解和平均带来了两个后果：

忽略了流体的细节；时均化控制方程较之瞬态量的N-S方程增加了新的项

(称为变量的湍流输运通量)，它的出现使体系中未知量的数目超过了独立方程的数目，原来封闭的瞬态量的N-S基本方程组变成了不封闭的时均控制方程组湍流模化方法湍流燃烧模化

湍流预混火焰

概述许多实用装置中经常遇到湍流预混火焰

(火花点火式汽车发动机

)有关湍流预混火焰的理论描述还存在很多争议

针对预混燃烧中的一些重要的问题进行讨论

湍流火焰速度层流火焰的传播速度仅取决于混合物的热力性质和化学特性

湍流火焰传播速度不仅取决于混合物的特性，而且还与流动特性有关

湍流火焰的速度可以表达为：

由于需要测定一个稳定的火焰面积，使实验测定湍流火焰速度变得十分复杂和困难

湍流预混火焰的结构–例瞬时火焰锋面高度地波纹化

在瞬时火焰的锋面有很多褶皱，其中火焰顶部附近的褶皱最大

反应区的位置快速地移动，其所产生的时均图为一个厚反应区

（a）不同时刻得到的瞬时反应锋面的叠加图（b）同一湍流火焰的时平均图

三个火焰区域皱褶层流火焰（此处湍流的作用是使层流火焰的锋面皱褶和变形，参见上图）扩散反应火焰

涡旋火焰区

火焰区域准则湍流火焰的基本结构取决于和与层流火焰厚度之间的大小关系

层流火焰的厚度与分子、非湍流、热量或质量的传递有关

三个火焰区域的定义皱褶层流火焰（湍流的作用只是将层流火焰皱褶或扭曲）：涡旋火焰区：扩散反应区（反应区的传播除了受分子过程的影响外，至少还受湍流的影响）：

采用无量纲参数描述火焰结构湍流雷诺数数Da

流动中大涡流的生存期：根据层流火焰计算的特征化学反应时间：

快速化学反应区

反应速度低于流体混合速度

采用无量纲参数描述火焰结构粗线上方：皱褶层流火焰区粗线下方：湍流扩散火焰区两根粗线之间：涡流火焰区

皱褶层流火焰区化学反应发生在一个薄层里Da>1反应薄层与湍流的雷诺数有关化学反应速度高于流体混合速度假设火焰在一维平面层流火焰的平面内传播

湍流的作用仅仅是将火焰皱褶，使火焰面积增加

皱褶层流火焰的一种简单处理方式湍流火焰速度与层流火焰速度之比仅仅是皱褶火焰面积与时均火焰面积之比:

模型:Clavin和Williams模型:Klimov模型:皱褶层流火焰理论模型很小时

模型扩展

模型假定：纯层流中层流火焰速度为常数；火焰面积Aflame与流动速度成正比：于是：=类似地，将这个思想扩展到湍流其中皱褶的面积为火焰面积与时均面积之差：

皱褶层流火焰理论模型预测与实验的比较

模型的直线预测与实验数据的变化趋势并不一致

Klimov模型的常数由实验数据获得，所以实验数据和模型曲线吻合较好

皱褶层流火焰理论模型的局限皱褶层流火焰区湍流火焰速度Sl的理论模型未考虑长度尺度等其他的湍流特性

湍流火焰速度的相似性可以说明长度尺度与湍流火焰速度是无关的

要使火焰速度关系式应用到工程设计中去，还需要做进一步的研究

扩散反应区长度尺度和数均小于1同时要求很小和很大

在这种反应区内污染物的生成速率很低，所以研究该区域内化学反应与湍流的关系很有意义

扩散反应区内的湍流火焰传播原理

扩散反应区特点所有长度尺度均在反应区内

反应时间长于涡流的生存期（Da<1），速度脉动、温度脉动以及组分质量分数脉动都同时存在瞬时化学反应速率只与瞬时温度、瞬时组分质量分数有关，并且其自身也有脉动

时均反应速率除了与平均值有关外，还与脉动值有关

双分子单步化学反应平均反应速率反应速率

质量分数形式，瞬时值时均值+5个双变量关联项

+3个三变量关联项

湍流明显地带来了非常复杂的问题！！！涡流火焰区特点：中等的数，高湍流强度

燃烧区由一些未燃的气团和差不多已经完全燃烧的气体组成

旋涡破碎模型为了使未燃混合气与热烟气之间有充分的接触面积以利反应进行，未燃气团破碎为更小的气团

燃烧速度即取决于未燃气团破碎为更小的气团的速度

燃烧速率与化学反应速度无关，完全取决于湍流混合的速度单位体积内燃料的燃烧速率：

（各向同性湍流）容积质量燃烧速率只取决于湍流特性Y、和涡流的特征回转时间

与描述皱褶层流火焰区的理论不同,旋涡破碎模型表明：在确定湍流燃烧速率时，长度尺度非常重要

液滴蒸发与燃烧

§8.1应用背景

实用液体燃料火焰一般为以下两种：(2)压力雾化火焰，其中喷雾动量比起空气流动量来并不大。在这种情况下、火焰的特征尺寸将更多地取决于空气流的流型而不是燃料的喷雾．（1）湍流射流扩散火焰，其中燃油用高压空气或蒸汽雾化(气动雾化)，且燃料喷雾的动量大得足以保证能引射进完全燃烧所必需的助燃空气。影响喷雾液滴燃烧的主要因素是：(1)液滴尺寸；(2)燃料的成分;(3)周围气体的成分、温度和压力；(4)液滴和环境气体之间的相对速度。

§8.2液体燃料的雾化机理

液体燃料借助雾化器喷入燃烧室，使液体碎裂为尺寸处于指定范围中的液滴、并控制液滴的空间分布．形成油膜或油柱出现波纹和扰动形成油线或空洞分散成小油滴大油滴1.液滴的形成过程从液膜形成液滴的理想化过程2.油束

小油滴之间的碰撞可能产生更小油滴或聚合成较大油滴，这些油滴的综合体称为油束。

液滴变形与碎裂的程度取决于作用在液滴上的力与液滴表面张力的比，即射流。

Re1由圆孔产生的射流或油束，可用3个无量纲参数来表示。Weber数Renailds数Ohnesorge数

应用射流Renailds数

与Ohnesorge数Z可作出各种油滴的破碎状态分区图

Ⅰ区为滴下液滴区Ⅱ区为光滑液流区Ⅲ区为波纹区Ⅳ区为喷雾区§8.3液滴蒸发的简单模型

应用：气态质量守恒方程、气态能量方程式、液滴表面气态能量平衡、液滴的液态质量方程求：液滴蒸发率m，液滴半径轨迹rs(t)，液滴寿命t,液滴温度分布T(r)1假设：1)液滴的蒸发处于静止的、无限的介质中；2)

蒸发过程是稳态的，即准定常过程；3）燃油为单一成份且不溶于空气；4）液滴温度均衡，且为其蒸发温度，即Td

＝Tboil。5）Lewis数为1，即α＝D，6）设所有的热物理性能，如密度、热传导系数、比热等都是常数。

2.模型由以上假设，1)．质量守恒与连续性方程2．方程2）能量守恒方程图8.5蒸发液滴的能量平衡

a)气相平衡

b)液滴表面平衡

为简便起见，我们设Z≡cpg/4πk,则上式可写成解方程8.4可得气态下的液滴温度分布T(r)。解此方程需要两个边界条件：

T（r—∞）=T∞8.5(a)T（r=rs）=Tboil,8.5(b)对方程8.4进行变量分离并两次积分，得

代入二个边界条件8.5a、b，可得C1、C2，将其代入方程8.6，并求幂并去掉对数，得3)液滴的气相表面能量平衡我们可假设液滴温度均为Tboil，所有的热量都用来使燃油蒸发而不传入液滴内部。则液滴气相表面能量平衡方程如下：括弧内的式子定义为交换数可得4）液滴蒸发时间 通过质量平衡——液滴质量减少的速率等于气体质量增加的速率，我们可得到液滴半径或直径的轨迹，

将方程8.15与8.13代入8.14，并微分由此积分可得令D2（t）=0,可得液滴完全蒸发所用时间td,

§8.3液滴的燃烧模型当化学反应速度为无穷大时，因而火焰峰为几何表面，把流场分成内外两区．内区只有燃料蒸汽和燃烧产物，外区只有氧化剂和燃烧产物。为此，可以画出如图3．4所示的静止介质中液滴燃烧时的准定常蒸发模型。静止介质中液滴燃烧时的准定常蒸发模型

由物理模型可知．需要求的未知数有：蒸发速度m，燃烧温度Tf，火焰锋半径rf，液滴表面温度Ts。，液滴表面燃料蒸汽相对重量浓度Yf,s等五个未知数。为此，我们可以在A区列出一个扩散方程，一个能量方程。同时还可列出液滴表面饱和蒸汽浓度(相对重量浓度)与液滴温度的关系方程。8.3.1静止状态下的液滴燃烧模型1假设由球对称火焰包围的燃烧液滴处于静止、无限的介质中。忽略对流。2)与以上分析一样，燃烧过程是定常的。3)燃油液滴为单一成份，且不溶于气体。液气界面相平衡。4)压力均匀且为常数。5)气相中仅包括三种成份：燃油蒸气、氧化剂及燃烧产物。气相区可分为两个区域：里侧从液滴表面到火焰表面，只包括燃油气及燃烧产物，外侧则包括所在氧剂与燃烧产物。因此每个区都有两相传播。6)火焰中的燃油与空气为化学计量比。当其化学反应速率极高，达到极限时视作无限大，火焰面极薄，近似为零。7)路易士数Le=αD=kg/ρlcpgD，为一定数。8)忽略辐射热传导。9)气体的热传导系数kg、比热cpg、及密度与扩散率的积ρD，皆为常数。10)液态燃油是唯一的凝固相，无煤烟及液态水滴存在。1)质量守恒所有气态质量守恒都如同我们前面所述的一样，即

2方程2)气体组份守恒（1）内侧区域

对内侧区域来说，最重要的扩散气体是燃油蒸气。设A为燃料，B为燃烧产物，则在里侧区域应用Fick定律，有Fick（费克）定律可写为:

其一阶微分方程一定满足液滴表面及液—气平衡曲线的二个边界条件：在火焰面处，燃料耗尽，

应用火焰表面参数（方程8.27a、b），解方程8.26，得（2）外侧区域在外侧区域,重要的掺混气体是空气，它沿径向向火焰内传输。在火焰面，空气与燃料的化学计量比按下式计算:1kg（燃油）+νkg（氧气）＝（1＋ν）kg（产物）

8.32因此外侧区域的Fick方程为得到有关

mF

、rf

的代数关系式边界条件3)能量守恒由于我们定义化学反应在边界，即火焰面上进行，反应区极薄，近似为零，则火焰面内、外的反应速率皆为零。因此由纯蒸发得出的能量方程同样可用于液滴燃烧。边界条件为，其一般解为将边界条件代入8.40在rs≤r≤rf

的内侧区域，应用方程8.41a、8.41b两个条件，可得其温度分布为同理，对rf≤r≤∞的外侧区域，将8.41c、8.41d代入方程8.42，得4)液滴表面的能量平衡图8.8表示蒸发液滴表面的热传导速率及焓的流动。

用式子表示

传入液滴内部的热有几种处理方法，最常用的是建立双区液滴模型：液滴内部的均匀处于原始温度T0的区域，及温度为Ts的液滴表面层区域。即所谓的洋葱皮模型。5)火焰面的能量平衡

如图8.8所示各种能量在火焰表面的流动关系。由于火焰温度是系统中最高的，热量同时向液滴与介质空间传递，其传递的热分别为Qf-i

与Qf-∞。由火焰释放的化学能可由计算燃料的流量、空气及燃烧产物的绝对焓得到。则火焰表面的能量平衡可写成：

在液滴表面与火焰之间不存在产物的交叉流动，

因此所有的燃烧产物快速流向火焰外，

故方程8.55可写成

我们可选择火焰温度作为参考状态，方程可简化为

我们再次应用傅立叶定律及前面已导出的温度分布来计算热传导量Qf-I,Qf-∞，6)气液平衡在气液分界面，部分燃料的压力为并有和将方程8.64、8.65代入8.66，就得

Ⅰ(8.30)内侧区域的燃料守恒Ⅱ(8.38)外侧区域的空气守恒Ⅲ(8.54)液滴气液界面的能量平衡Ⅳ(8.63)火焰面的能量平衡Ⅴ(8.67)应用Clausius-c的液气平衡

通过联立Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ方程解出mF、rf

、Tf，将Ts设为对时间的已知参数，解得燃烧速度：火焰温度为火焰半径为

液滴表面的燃料质量分数为

液滴表面温度燃烧速率常数与液滴蒸发时间

8.3.2对流环境下的蒸发与燃烧

在静止介质中，边界层可认为在无穷远处，而在对流介质中，边界层的厚度是有限的。工程上采用了一种近似方法即所谓折算薄膜方法。这一方法的基本思路是，把一个真实的二维轴对称对流传热传质问题转化成一个等效的，在一个球对称薄膜内的分子导热和扩散问题，同时再找折算薄膜的半径，与对流传热传质强度的关系。于是，就可画出如图所示的对流介质中液滴蒸发的模型。

薄膜半径以Nussult

数定义,Nu表示热传递，

以Sherwood数Sh表示能量传递。

实际上，Nussult

数是液滴表面一个零维温度梯度，Sherwood数则是液滴表面的零维浓度.

我们假设Sh=Nu。在强制对流下的液滴燃烧，提出下面计算Nu数的公式:

按照对流基本原理，对流影响外侧区域的组分守恒关系（空气分布方程8.37、38）和包括外侧区域的能量关系（温度分布方程8.44、火焰面的能量平衡方程8.63）。从而得出包括蒸发速度m，燃烧温度Tf，火焰锋半径rf，液滴表面温度Ts。，液滴表面燃料蒸汽相对重量浓度Yf,s等五个未知数。

8.3.3一维蒸发控制燃烧b)1物理模型2数学表达

分析：我们采用稳态稳流体积控制分析法来解决。所选控制体积可扩展到整个燃烧室，其长度为△x（见图8.11a）。1)质量守恒故流入与存留在控制体积内的质量相等，即

取极限△x→0，并由微分的定义，可得下列总质量的控制方程将上式积分,得如图8.12a所示,取控制体积，仅包含液体

液体穿过燃烧器的速率与单位时间内进入燃烧器的液滴数N及单个液滴的质量有关。因为dx=vddt，可得

油的高效低污染燃烧§13.1汽油机燃烧技术13.1稀薄燃烧技术1）分层充气燃烧

汽油机燃烧室内混合气的空燃比是不均匀的，火花塞附近的混合比较浓，一般为12~14，而在其余的大部分区域，空燃比A/F大约在20以上。分层燃烧系统的类型：1）福特汽车公司的ProCo（可控燃烧发动机）2）德士古石油公司的TCCS

发动机统称为DISC发动机，意为直喷分层燃烧发动机。

稀燃系统机构示意图1.涡流控制阀2,3.喷油器4,5.火花塞

涡流轴向分层示意图

滚流分层稀燃系统机构示意图1.涡流控制阀2,3.喷油器4,5.火花塞

滚流均质稀燃系统机构示意图1.涡流控制阀2,3.喷油器4,5.火花塞

13.2缸内直喷式汽油机缸内直喷发动机的研究经历了三个阶段：节流阀单点喷射、进气道多点喷射（进气道同步喷射与顺序喷射缸内直喷。13.1.3多气门技术多气门技术的优点为1．进、排气面积增大，吸气及排气冲程损失减少，从而提高了每缸的比功率，同时改善了比油耗并降低了排放污染。2．进气门的增加不仅提高了进气效率，也提高了进气运动，从而改善了混合气的形成。

3．可提高压缩比、提高热效率。而压缩比的提高使缸内残余废气减少，点火延迟缩短，着火性能变好。§13.2柴油机燃烧技术

保持快速燃烧和燃烧温度

PM降低缩短扩散燃烧

改善燃油经济性与降低PM低NOx排放区13.2.1

均质充量压缩燃烧（HCCI）美国西南研究所提出了均匀充量压缩燃烧

(HCCI)实验装置

HCCI燃烧相位控制方法可变技术在HCCI中的应用HCCI燃烧相位控制方法改变混合气特性改变时间-温度进程混合燃烧燃烧添加剂燃料预处理EGR调节进气温度喷射定时向气缸喷水可变压缩比可变配气定时EGR可变压缩比(VCR)

压缩比是另一个影响燃烧相位较大的因素,改变压缩比可以改变混合气的密度和压力,从而对其自燃温度产生影响。改变压缩比的主要方法是调整燃烧室容积、工作容积和改变配气相位调节

可变配气正时(VVT)

斯坦福大学对HCCI的研究主要集中在VVT的应用方面,其目的是在无节流损失的情况下,使HCCI能够运转于更大的工况范围,并使其油耗满足。喷射时刻提前,混合气在高温环境下所处的时间加长,所形成的混合气更趋均匀,对HCCI的形成有利。利用VVT改变发动机气门的开启持续时间、升程和相位,以改变缸内新鲜工质的量和残余废气量,起到了改变压缩比的效果。因为残余废气量的多少对缸内混合气的温度影响很大,从而达到改变混合气的时间温度进程的效果,这种效果同EGR类似,因此VVT又被称作内部EGR。

可变压缩比和可变配气相位技术具有响应快、能随工况变化进行及时调整、优化燃烧的特点。但由于结构复杂,增加了发动机的成本和复杂度。可变喷射定时及喷射量喷射时刻的不同对发动机性能和排放影响很大。喷射时刻提前,混合气在高温环境下所处的时间加长,所形成的混合气更趋均匀,对HCCI的形成有利。日本丰田公司的UNIBUS所使用的两个喷油嘴能够根据工况进行喷射量和喷射时刻的调节以利于均质混合气的形成。13.2.2

均质预混稀薄燃烧MK

所谓MK燃烧方式是指“低温、预混合燃烧”。

图12.10MK概念图图13.11扩大MK燃烧区的方法13.2.3柴油机电控技术

对喷油系统的期望是要有足够的喷射压力同时具有柔性喷油曲线。柴油机电控喷油系统可分为：位置控制系统：包括直列泵、电控分配泵系统时间控制系统：包括电控泵—喷嘴系统、电控单体泵等系统压力时间控制系统：主要有增压式共轨系统（或称中压共轨系统）与高压共轨系统§13.3代用燃料与清洁燃料的开发与应用13.3.1LPG与NG（CNG）A：NG（CNG）天然气作为汽车燃料始用于30年代,但是受到天然气存储技术的限制未能得到广泛应用.直到本世纪70年代,随着材料科学技术和制造工艺的进步,使天然气在车辆上的使用成为可能.

另一方面,在严格排放法规的要求和激烈的商业竞争作用下,以电子控制技术为核心的车用发动机技术已日益成熟,促进了天然气汽车的技术进步.各种天然气发动机的燃料存储和供给系统、专用电子控制系统、排放控制和废气净化系统不断地涌现;对各种不同的发动机总体结构方案和控制策略的研究,使天然气发动机的动力性、经济性、排放性等各项性能不断提高,与车辆的匹配也更加优化,天然气作为优质燃料的潜力也充分发挥出来.2各种不同类型的天然气发动机（1）由柴油机改造的天然气发动机,采用压燃工作方式；（2）类似汽油机的天然气发动机,采用火花塞点燃。根据其供气方式和控制技术又可以大致分为3种：