第6章 液體燃料燃燒

1、燃燒理論基礎(chǔ)第6章液體燃料燃燒1、供油系統(tǒng)、供油系統(tǒng) 2、供氣系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)3、燃燒系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)第6章液體燃料燃燒1、擴(kuò)散燃燒、擴(kuò)散燃燒 2、非均相燃燒、非均相燃燒1、霧化、霧化2、蒸發(fā)、蒸發(fā)3、摻混、摻混4、燃燒、燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒液體由噴嘴流出形成液柱或液膜。液體由噴嘴流出形成液柱或液膜。由于液體射流本身的初始湍流以及周?chē)鷼庥捎谝后w射流本身的初始湍流以及周?chē)鷼怏w對(duì)射流的作用（脈動(dòng)、摩擦等），使液體對(duì)射流的作用（脈動(dòng)、摩擦等），使液體表面產(chǎn)生波動(dòng)、褶皺，并最終分離出液體表面產(chǎn)生波動(dòng)、褶皺，并最終分離出液體碎片或細(xì)絲。體碎片或細(xì)絲。在

2、表面張力的作用下，液體碎片或細(xì)絲收在表面張力的作用下，液體碎片或細(xì)絲收縮成球形油珠?？s成球形油珠。在氣動(dòng)力作用下，大油珠進(jìn)一步碎裂。在氣動(dòng)力作用下，大油珠進(jìn)一步碎裂。第6章液體燃料燃燒氣動(dòng)力氣動(dòng)力表面張力表面張力第6章液體燃料燃燒22/42/udduWe油珠內(nèi)壓力力作用于油珠表面的氣動(dòng)14We油珠破碎油珠破碎兩種力：兩種力：外力：氣動(dòng)力、慣性力外力：氣動(dòng)力、慣性力內(nèi)力：表面張力、粘性力內(nèi)力：表面張力、粘性力第6章液體燃料燃燒直流噴嘴直流噴嘴離心噴嘴離心噴嘴氣動(dòng)噴嘴氣動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)噴嘴旋轉(zhuǎn)噴嘴 第6章液體燃料燃燒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，安裝布置方便湊，安裝布置方便霧化角小，霧化質(zhì)霧化角小

3、，霧化質(zhì)量差量差多用于加力燃燒室、多用于加力燃燒室、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等第6章液體燃料燃燒霧化錐角大，霧化霧化錐角大，霧化質(zhì)量好質(zhì)量好采用雙油路，可獲采用雙油路，可獲得更大的供油能力得更大的供油能力第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒霧化質(zhì)量高霧化質(zhì)量高排氣冒煙少排氣冒煙少貧油熄火范貧油熄火范圍窄圍窄可采用特殊可采用特殊的氣化劑的氣化劑第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒流體為無(wú)粘性的理想流體；流體為無(wú)粘性的理想流體；不計(jì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的徑向分速度；不計(jì)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的徑向分速度；噴嘴處于最大流量狀態(tài)工作。噴嘴處于最大流量狀態(tài)工作。基本假設(shè)：基本假設(shè)：1944年前蘇聯(lián)的阿勃拉

4、莫維奇教授提出了離心噴年前蘇聯(lián)的阿勃拉莫維奇教授提出了離心噴嘴理論：嘴理論：第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒.2121210222constHupuupinfinfxf離心式噴嘴內(nèi)理想流體的伯努利方程離心式噴嘴內(nèi)理想流體的伯努利方程 根據(jù)連續(xù)方程，燃油在切向孔內(nèi)的流動(dòng)速度為根據(jù)連續(xù)方程，燃油在切向孔內(nèi)的流動(dòng)速度為 2inffinrnmu不計(jì)粘性時(shí)，流體的動(dòng)量守恒，故有不計(jì)粘性時(shí)，流體的動(dòng)量守恒，故有 ruRurumRumsinfsinf或第6章液體燃料燃燒由于空氣核的存在，燃油在噴嘴出口處的實(shí)際流由于空氣核的存在，燃油在噴嘴出口處的實(shí)際流通面積為一圓形，其值為通面積為一圓形，其值為 )(2

5、20arrf取軸向長(zhǎng)度為取軸向長(zhǎng)度為1 1的環(huán)形微元的環(huán)形微元體，其質(zhì)量為體，其質(zhì)量為 rdrudprdrurrdpff2222或frdrdm2微元體旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力正好微元體旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力正好與徑向壓力差相平衡，故有與徑向壓力差相平衡，故有 第6章液體燃料燃燒rdrudprdrurrdpff2222或udurdrruRusinduudpf2積分得積分得 .212constupf.constux（與（與r無(wú)關(guān)）無(wú)關(guān)） 第6章液體燃料燃燒以以“空穴率空穴率”表示噴孔內(nèi)空氣核的大小，用表示噴孔內(nèi)空氣核的大小，用表表示示 202202201rrrrraa10rraHpHuuxfaf0222121在

6、燃油與空氣核的交界面上有在燃油與空氣核的交界面上有 第6章液體燃料燃燒空氣核界上的切向速度為空氣核界上的切向速度為 asinarRuu220inxinnrruu120insxanrrRuu1Auuxa又據(jù)連續(xù)方程有又據(jù)連續(xù)方程有 A稱(chēng)為離心噴嘴的幾何稱(chēng)為離心噴嘴的幾何特性參數(shù)，表示離心特性參數(shù)，表示離心噴嘴幾何相似的準(zhǔn)則噴嘴幾何相似的準(zhǔn)則 第6章液體燃料燃燒fxHAu/211122 為軸向速度系數(shù)為軸向速度系數(shù) ffxfHrrum22020ffHrm2202211/1A 為流量系數(shù)為流量系數(shù) 第6章液體燃料燃燒0112/122A最大流量原理最大流量原理 2/ )1 (2A2322211/1A1

7、/32 第6章液體燃料燃燒霧化錐角可根據(jù)軸向速度和切向速度的大小來(lái)確定霧化錐角可根據(jù)軸向速度和切向速度的大小來(lái)確定xuutg/2xmmuutg/2,81111122Atgm2/ )(0amrrr第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒設(shè)計(jì)程序：設(shè)計(jì)程序：1、選定霧化錐角，由此確定幾何特性參數(shù)、選定霧化錐角，由此確定幾何特性參數(shù)A2、確定流量系數(shù)、確定流量系數(shù)3、確定噴嘴的孔徑、確定噴嘴的孔徑4、確定噴嘴其它尺寸、確定噴嘴其它尺寸已知條件：已知條件：供油能力（供油量）、供油溫度和壓力、燃油物性供油能力（供油量）、供油溫度和壓力、燃油物性參數(shù)（密度、粘度）參數(shù)（密度、粘度）第6章液體燃料燃燒iiimn

8、dndd)(10或2/1220)(iiimsndndd或3/1330)(iiimvndndd或第6章液體燃料燃燒2332)(iiiidndndSMD或 大于與小于大于與小于MMD的的油珠質(zhì)量各占油珠質(zhì)量各占50%。第6章液體燃料燃燒小于（或大于）給定直小于（或大于）給定直徑的油珠所具有的質(zhì)量徑的油珠所具有的質(zhì)量M占占油珠群總質(zhì)量油珠群總質(zhì)量M0的百分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù) 直徑在范圍內(nèi)的油珠質(zhì)量所占直徑在范圍內(nèi)的油珠質(zhì)量所占有的百分?jǐn)?shù)有的百分?jǐn)?shù) )2()2(iiiiiddddd第6章液體燃料燃燒 niddMMRexp1063.2%RddiP ( psi )ninniidddnddddRexp)(1nidd

9、MMR693. 0exp10MMDd%5Rddi0均勻指數(shù)第6章液體燃料燃燒為常數(shù)、babdaddddNniiiexp)(222expydydR為常數(shù))/ln(SMDdyi第6章液體燃料燃燒)(55. 04 . 025. 06 . 02 . 0mpmvSMDfll)(1945)(1350056. 027. 034. 0mpupFNSMDgpQFN)(1015. 32 . 04muvSMDll第6章液體燃料燃燒Twb為蒸發(fā)平衡溫度（或濕球溫度）為蒸發(fā)平衡溫度（或濕球溫度）第6章液體燃料燃燒drdYDmdrdYDmaaff02sasdrdYDd0 . 1faYY任意半徑上：在油珠表面：在油珠表面：

10、022sasasssdrdYDdYvd為平衡空氣向油珠內(nèi)部的擴(kuò)散趨勢(shì)而產(chǎn)生的一個(gè)反為平衡空氣向油珠內(nèi)部的擴(kuò)散趨勢(shì)而產(chǎn)生的一個(gè)反向的流動(dòng)稱(chēng)為向的流動(dòng)稱(chēng)為Stefan流。且有：流。且有：第6章液體燃料燃燒Stefan流流：aasssvYdYvd22.2constvYda022drdYDdvYdaa0drdYDvYaa第6章液體燃料燃燒在相的分界面上有物理或化學(xué)過(guò)程存在，這個(gè)在相的分界面上有物理或化學(xué)過(guò)程存在，這個(gè)過(guò)程要求表面排除或吸入凈的質(zhì)量流過(guò)程要求表面排除或吸入凈的質(zhì)量流上述凈質(zhì)量流不能通過(guò)單純的分子擴(kuò)散來(lái)完成上述凈質(zhì)量流不能通過(guò)單純的分子擴(kuò)散來(lái)完成第6章液體燃料燃燒fssssfsfYvddr

11、dYDdm22fffvYddrdYDdm22drdYdrdYfa22)(dvYYdvmfafffffYmdrdYDrm24)1 (42fffYdYDrdrmfffsfsYYrYYrr)1ln(4BDrmsffsffsYYYB1擴(kuò)散項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)Stefan流項(xiàng)流項(xiàng)022drdYDdvYdaa第6章液體燃料燃燒 加熱油珠至蒸發(fā)溫度加熱油珠至蒸發(fā)溫度油珠蒸發(fā)油珠蒸發(fā)加熱油蒸氣加熱油蒸氣034)(432ddTCrhmTTCmdrdTrlllsfgflpffgwbppsfhTTCCrm)(1ln4)1ln(4TsfBDrm1LeTBB fgwbpfsffshTTCYYY)(1第6章液體燃料燃燒 0)(,ff

12、ffsfsYrrYYrr)1ln(1114BrrDmfsffsfsYYB1)1 (42fffYdYDrdrmfgbfppfsfhTTCCrrm)(1ln4111第6章液體燃料燃燒 famdrdYDr24在火焰面上：在火焰面上：DYmrrdrmDdYffrfYaf4420DYhTTCCrmfgbfppsf)(1ln4rf的確定：的確定：第6章液體燃料燃燒 0Re*0Re)(2)(ffmNumgsgRdURe33. 05 . 0*PrRe60. 02 Nu把一個(gè)真實(shí)的二維軸對(duì)稱(chēng)對(duì)把一個(gè)真實(shí)的二維軸對(duì)稱(chēng)對(duì)流傳熱、傳質(zhì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)假流傳熱、傳質(zhì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)假想的等值球?qū)ΨQ(chēng)分子導(dǎo)熱與擴(kuò)散想的等值球?qū)?/p>

13、稱(chēng)分子導(dǎo)熱與擴(kuò)散問(wèn)題：?jiǎn)栴}：1、不考慮蒸發(fā)和燃燒，把液滴看、不考慮蒸發(fā)和燃燒，把液滴看成只和氣流有對(duì)流換熱的固球成只和氣流有對(duì)流換熱的固球2、不考慮對(duì)流的存在，只研究這、不考慮對(duì)流的存在，只研究這個(gè)假想的有分子導(dǎo)熱和擴(kuò)散的球個(gè)假想的有分子導(dǎo)熱和擴(kuò)散的球?qū)觾?nèi)的蒸發(fā)和燃燒，從而找到蒸層內(nèi)的蒸發(fā)和燃燒，從而找到蒸發(fā)和燃燒速度發(fā)和燃燒速度第6章液體燃料燃燒122ddmtf)1ln(4BdDdt)1ln(8202BDddlKdd2020d)1ln(28*202BNuDddl設(shè)任一瞬間的油珠直徑為設(shè)任一瞬間的油珠直徑為d，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)時(shí)間后直徑減小時(shí)間后直徑減小 d:)1ln(4BDrmsf直徑平方定律直徑

14、平方定律Kd20油珠壽命油珠壽命第6章液體燃料燃燒)1ln(28*202BNuDddl在強(qiáng)迫對(duì)流條件下：在強(qiáng)迫對(duì)流條件下： KKKKKff燃燒常數(shù)蒸發(fā)常數(shù)第6章液體燃料燃燒1、相鄰油珠釋放燃燒熱使周?chē)鷾囟仍觥⑾噜徲椭獒尫湃紵裏崾怪車(chē)鷾囟仍龈?，燃燒過(guò)程加速。高，燃燒過(guò)程加速。2、油珠周?chē)难鯘舛冉档?，引起燃燒、油珠周?chē)难鯘舛冉档?，引起燃燒過(guò)程減緩。過(guò)程減緩。第6章液體燃料燃燒預(yù)蒸發(fā)型燃燒預(yù)蒸發(fā)型燃燒滴群擴(kuò)散燃燒滴群擴(kuò)散燃燒復(fù)合燃燒復(fù)合燃燒氣相燃燒加液滴蒸發(fā)氣相燃燒加液滴蒸發(fā)第6章液體燃料燃燒霧化液滴很細(xì)，周?chē)橘|(zhì)溫度高或噴嘴與火焰穩(wěn)定霧化液滴很細(xì)，周?chē)橘|(zhì)溫度高或噴嘴與火焰穩(wěn)定區(qū)間距離長(zhǎng)，使液

15、滴進(jìn)入火焰區(qū)前已全部蒸發(fā)完，燃燒區(qū)間距離長(zhǎng)，使液滴進(jìn)入火焰區(qū)前已全部蒸發(fā)完，燃燒完全在無(wú)蒸發(fā)的氣相區(qū)中進(jìn)行，這種燃燒情況與氣體燃完全在無(wú)蒸發(fā)的氣相區(qū)中進(jìn)行，這種燃燒情況與氣體燃料的燃燒機(jī)理相同，液滴蒸發(fā)對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響不大。料的燃燒機(jī)理相同，液滴蒸發(fā)對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響不大。 加力燃燒室第6章液體燃料燃燒周?chē)橘|(zhì)溫度低或霧化顆粒較粗（或蒸發(fā)性能差），周?chē)橘|(zhì)溫度低或霧化顆粒較粗（或蒸發(fā)性能差），進(jìn)入燃燒區(qū)時(shí)油珠基本未蒸發(fā)，只有滴群的擴(kuò)散燃燒，進(jìn)入燃燒區(qū)時(shí)油珠基本未蒸發(fā)，只有滴群的擴(kuò)散燃燒，此時(shí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素影響不大。此時(shí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素影響不大。 燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)第6章液體燃料燃燒介于預(yù)

16、蒸發(fā)型氣體燃燒和滴群擴(kuò)散燃燒之間。如較介于預(yù)蒸發(fā)型氣體燃燒和滴群擴(kuò)散燃燒之間。如較常見(jiàn)的噴霧液滴燃燒，因噴出的霧滴大小不均勻，其中常見(jiàn)的噴霧液滴燃燒，因噴出的霧滴大小不均勻，其中較小的液滴在火焰區(qū)前方已蒸發(fā)完，形成預(yù)混型氣體火較小的液滴在火焰區(qū)前方已蒸發(fā)完，形成預(yù)混型氣體火焰，較粗的液滴到達(dá)火焰區(qū)時(shí)尚未蒸發(fā)完畢，產(chǎn)生滴群焰，較粗的液滴到達(dá)火焰區(qū)時(shí)尚未蒸發(fā)完畢，產(chǎn)生滴群擴(kuò)散火焰。這時(shí)蒸發(fā)因素、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素、湍流因素?cái)U(kuò)散火焰。這時(shí)蒸發(fā)因素、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素、湍流因素都將對(duì)燃燒發(fā)生作用。都將對(duì)燃燒發(fā)生作用。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)第6章液體燃料燃燒部分小油珠已經(jīng)蒸發(fā)完畢，另一部分液滴

17、進(jìn)入火焰部分小油珠已經(jīng)蒸發(fā)完畢，另一部分液滴進(jìn)入火焰區(qū)時(shí)其直徑已過(guò)小而著不了火，只能蒸發(fā)，因此沒(méi)有滴區(qū)時(shí)其直徑已過(guò)小而著不了火，只能蒸發(fā)，因此沒(méi)有滴群擴(kuò)散火焰，只有部分預(yù)混的氣體火焰。群擴(kuò)散火焰，只有部分預(yù)混的氣體火焰。工業(yè)爐工業(yè)爐第6章液體燃料燃燒此處R表示直徑大于 的液滴質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。Probert滴群擴(kuò)散燃燒模型：滴群擴(kuò)散燃燒模型：expnoidRdoid假設(shè)油霧中初始滴徑的分布符合Rosin-Rammler分布，即 第6章液體燃料燃燒根據(jù)直徑平方定律，在任何瞬間 ，初始直徑小于及等于 的油珠都已蒸發(fā)完畢，剩下的只有那些初始直徑大于 的油珠，這些油珠經(jīng)過(guò) 時(shí)間后剩余的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為

18、：Probert滴群擴(kuò)散燃燒模型：滴群擴(kuò)散燃燒模型：fkfk)()()(0030iikiidddddRddf第6章液體燃料燃燒Probert滴群擴(kuò)散燃燒模型：滴群擴(kuò)散燃燒模型：根據(jù)擴(kuò)散燃燒的概念，燃燒過(guò)程與蒸發(fā)過(guò)程同步，因此完全燃燒程度或燃燒效率應(yīng)為)()()(10030iikiidddddRddf第6章液體燃料燃燒Probert滴群擴(kuò)散燃燒模型：滴群擴(kuò)散燃燒模型：23202320230)1 ()()(ifiiiidkdddd11noidndoioiddRned ddd 第6章液體燃料燃燒Probert滴群擴(kuò)散燃燒模型：滴群擴(kuò)散燃燒模型：43/221noinfdnoidoifoinKdndKe

19、d dd 3/24221noifdndoioioinKsdddnedddd 或：fsKd/2第6章液體燃料燃燒sn,2/330)/1 (11sddfsKd /20Probert滴群擴(kuò)散燃燒模型：滴群擴(kuò)散燃燒模型：影響燃燒效率的因素：影響燃燒效率的因素：均勻油珠群：均勻油珠群：1、霧化細(xì)度、霧化細(xì)度2、燃燒常數(shù)、燃燒常數(shù)3、均勻指數(shù)、均勻指數(shù)sd越小，后期nsfK第6章液體燃料燃燒燃油與水在少量乳化劑燃油與水在少量乳化劑及乳化裝置的攪拌下形成穩(wěn)及乳化裝置的攪拌下形成穩(wěn)定、均勻的油水乳化液。定、均勻的油水乳化液。1、提高燃燒效率、節(jié)約燃料、提高燃燒效率、節(jié)約燃料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乳化劑的親憎平衡值乳化劑的親憎平衡值HLB20親水、不溶于油親水、不溶于油HLB0不親水、只溶于油不親水、只溶于油第6章液體燃料燃燒1、二次霧化、二次霧化2、水的催化作用、水的催化作用碳?xì)淙剂显诟邷厝毖鯒l件下下析碳，水氣碳?xì)淙剂显诟邷厝毖鯒l件下下析碳，水氣對(duì)析出碳粒有催化作用：對(duì)析出碳粒有催化作用：2222222222900900HCOOHCCTHCOOHCOHCOOHCCT第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒第6章液體燃料燃燒主燃燒室：主燃燒室：把壓氣機(jī)增壓后的空氣，經(jīng)過(guò)噴油燃燒提高把壓氣機(jī)增壓后的空氣，經(jīng)過(guò)噴油燃燒提高溫度，然后流向渦輪膨脹做功。溫度，然后流向渦輪膨脹做功。加力燃燒室：加力燃燒室：利用經(jīng)渦輪膨脹后燃燒室燃燒所剩余的利用經(jīng)渦輪膨脹后燃燒室燃燒所剩余的氧氣再補(bǔ)充噴油燃燒，提高氣流溫度，增加做功能力，氧氣再補(bǔ)充噴油燃燒，提高氣流溫度，增加做功能力，使發(fā)動(dòng)機(jī)增加推力。使發(fā)動(dòng)機(jī)增加推力。燃料的燃料的化學(xué)能化學(xué)能熱能熱能機(jī)械能機(jī)械能動(dòng)能動(dòng)能大氣第6章液體燃料燃燒1、進(jìn)口氣流速度高，組織燃燒困難。、進(jìn)口氣流速度高，組織燃燒困難。2、燃燒室容積小，且要求在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出大量的熱、燃燒室容積小，且要求在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出大量的熱3、出口氣流溫度受到限制、