內(nèi)燃機(jī)燃燒基礎(chǔ)課件(液體燃料霧化和蒸發(fā))

內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)基礎(chǔ)

氣有浩然，學(xué)無(wú)止境

求真務(wù)實(shí)，開(kāi)放拓新2023年2月5日主講人:李國(guó)祥教授博導(dǎo)白書(shū)戰(zhàn)副教授博士

第七章

液體燃料的霧化和蒸發(fā)燃料的霧化和蒸發(fā)對(duì)燃燒過(guò)程有著重要影響液體燃料要汽化，需要破碎成更小的液滴，增加比表面積。柴油機(jī)的噴油、霧化、蒸發(fā)等過(guò)程只占一個(gè)循環(huán)中幾十度曲軸轉(zhuǎn)角，在如此短的時(shí)間內(nèi)，必須有足夠的燃料蒸發(fā)完畢并與空氣進(jìn)行混合，為燃燒做好物理準(zhǔn)備液體燃料的霧化有多種方式：壓力霧化、啟動(dòng)霧化、撞擊霧化柴油機(jī)實(shí)際應(yīng)用的各種噴嘴，都屬于壓力霧化：利用高壓使液體燃料從噴嘴的小孔中高速?lài)姵?，由于液體自身的紊動(dòng)和液體與周?chē)橘|(zhì)的相互作用，液體燃料碎裂成大量的小霧滴。噴霧的研究?jī)?nèi)容：從噴嘴噴出的燃料是怎樣霧化的，霧化質(zhì)量如何評(píng)價(jià)和受哪些因素影響燃料碎裂成液滴以后什么樣的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，它們和周?chē)橘|(zhì)怎樣相互作用液滴的蒸發(fā)過(guò)程如何7.1液體燃料的霧化特性物理描述對(duì)于噴霧外形的宏觀(guān)特點(diǎn)，可用貫穿度和擴(kuò)張角來(lái)描述，有時(shí)還用“分散度”來(lái)描述在噴霧空間中燃料分布的情況液滴本身的霧化質(zhì)量，則通常是用粒度和均勻度來(lái)表征，代表著噴霧的特性柴油機(jī)的噴霧特性，一方面取決于噴嘴的性能，是噴嘴性能的直接體現(xiàn)，另一方面又與燃料性質(zhì)、氣缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)等互相配合，決定著燃料的蒸發(fā)、混合以及燃燒過(guò)程，最后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。霧化的粒度和均勻度對(duì)噴霧的貫穿度也有影響，霧滴大時(shí)，貫穿度也大。平均粒徑從噴嘴噴出的液霧中含有大量尺寸不同的霧滴，為了在總體上表征霧滴的大小，常需把這些尺寸不同的霧滴折合成某一平均值。算術(shù)平均直徑索特平均直徑：其他常用的平均直徑霧滴的尺寸分布噴霧中含有大量不同尺寸的霧滴，若把霧滴直徑分成若干尺寸段，求出各尺寸段中霧滴個(gè)數(shù)等參數(shù)與尺寸的函數(shù)關(guān)系，即得出霧滴的尺寸分布，又稱(chēng)粒度分布。按不同的方式整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到不同形式的分布曲線(xiàn)頻數(shù)分布曲線(xiàn)設(shè)直徑在D至D+dD范圍內(nèi)的液滴數(shù)為dN，則在此直徑范圍內(nèi)的頻數(shù)為

頻數(shù)分布也成液滴數(shù)量的微分分布頻率分布曲線(xiàn)將頻數(shù)除以總液滴數(shù)N，即得頻率：頻率分布即某尺寸范圍內(nèi)液滴個(gè)數(shù)在全部液滴中所占分?jǐn)?shù)的微分分布類(lèi)似的，還可求出液滴體積（或質(zhì)量）分?jǐn)?shù)的微分分布，稱(chēng)為體積增量分布累積頻率分布曲線(xiàn)直徑小于某一特定尺寸的液滴出現(xiàn)頻率稱(chēng)為累積頻率，實(shí)驗(yàn)中常用累積體積分?jǐn)?shù)

它代表直徑小于某一特定尺寸D1的液滴所占體積分?jǐn)?shù)，如圖所示，Vc為液滴的總體積直徑大于某一特定尺寸的液滴所占體積分?jǐn)?shù)，稱(chēng)為剩余體積分?jǐn)?shù)，液體燃料是不可壓縮流體，體積分?jǐn)?shù)實(shí)際上與質(zhì)量分?jǐn)?shù)是相同的。在Vc-D圖上，R=50%對(duì)應(yīng)的直徑以D50代表，相應(yīng)的D10和D90也代表Vc=10%和Vc=90%。D50就是指中間直徑MMD在頻率分布和剩余體積分布兩者之中，通?？筛鶕?jù)所選用測(cè)試方法的特點(diǎn)，視其方便與否，首先求出一種，另一種便可換算出來(lái)，同時(shí)還可算出體積增量分布。根據(jù)這些分布可直接定出許多表征霧化粒度的參數(shù)，如中間直徑MMD，算術(shù)平均直徑D10，索特平均直徑SMD等，對(duì)應(yīng)的頻率分布曲線(xiàn)峰值的液滴直徑也可求出。同時(shí)還可得出表征霧滴均勻性的一些參數(shù)。因此霧滴尺寸分布的測(cè)定，可看作是霧化特性試驗(yàn)研究的中心內(nèi)容。粒度分布的實(shí)驗(yàn)方法：凝固法攝影法散射法和衍射法浸液法印痕法直接測(cè)量液滴尺寸為基礎(chǔ)測(cè)量與液滴有關(guān)的其他物理量，換算出液滴直徑分布函數(shù)分布函數(shù)：是一種可以用來(lái)擬合前述液滴直徑分布實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)的解析式。通常包含兩個(gè)主要的待定常數(shù)，須有實(shí)驗(yàn)求得，其中一個(gè)可用來(lái)表示滴徑的大小，另一個(gè)表示霧滴的均勻性。代表滴徑大小的常數(shù)與常用的算術(shù)平均直徑、索特平均直徑并不相同，習(xí)慣上很少應(yīng)用，但在某些分布函數(shù)中，他和索特平均直徑等有一定的簡(jiǎn)單換算關(guān)系。若分布函數(shù)已確定，即可把索特平均直徑求出。羅森-拉米勒分布（R-R分布）剩余體積分?jǐn)?shù)索特平均直徑可表示為

上限分布函數(shù)（ULDF）這種分布擬合較準(zhǔn)確，但是復(fù)雜計(jì)算平均液滴直徑的經(jīng)驗(yàn)公式棚澤泰公式噴嘴直徑、噴射速度、燃料表面張力、燃料的粘度、燃料的密度、環(huán)境介質(zhì)密度神本修正公式

C為修正常數(shù)，dn=0.2mm時(shí)，C=0.721dn=0.3mm時(shí)，C=0.455利舍夫斯基公式注意單位要統(tǒng)一萊特公式廣安博之公式索特平均直徑隨著噴油速度的變化噴油速度越大，粒徑越小但噴油速度對(duì)粒徑的影響規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜不同噴油速度下的噴霧7.2液滴的蒸發(fā)2023/2/526一些應(yīng)用柴油機(jī)、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)、燃油鍋爐、工業(yè)窯爐、加熱器。噴霧燃燒---而不是---單個(gè)液滴燃燒在研究復(fù)發(fā)火焰之前，了解單個(gè)液滴的燃燒是必要的。2023/2/5272023/2/528柴油機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有兩種基本類(lèi)型：間接噴射型和直接噴射型。間接噴射的內(nèi)燃機(jī)，燃料首先注入預(yù)燃室，燃料液滴開(kāi)始蒸發(fā)并和空氣混合。一部分燃料空氣混合物自燃形成非預(yù)混燃燒。隨著熱量的釋放，預(yù)燃室壓力升高，將里面各組分通過(guò)氣管或孔壓到主燃室。在主燃室里這些部分反應(yīng)后的燃料空氣混合物及一些剩余的燃料液滴，與新加的空氣混合，進(jìn)行完全燃燒。直接噴射的內(nèi)燃機(jī)，燃料是由一個(gè)多孔燃料噴射器來(lái)導(dǎo)入的。2023/2/529燃料空氣的混合是在燃燒區(qū)里由噴射進(jìn)程和空氣流動(dòng)同時(shí)控制的。從前面可以看出，內(nèi)燃機(jī)燃燒既有預(yù)混模式又有擴(kuò)散模式。柴油機(jī)所用燃料比火花點(diǎn)燃所用燃料揮發(fā)性差，但更容易點(diǎn)燃。燃料蒸發(fā)及其與空氣混合的速率對(duì)形成自燃的化學(xué)反應(yīng)速率有很大影響。因此，最先注入燃燒室的燃料，在它成為點(diǎn)燃源（已經(jīng)自燃的氣體）前會(huì)先預(yù)混并生成預(yù)混火焰；而后注入的燃料就會(huì)在擴(kuò)散模式下燃燒，因?yàn)楫?dāng)燃料噴射時(shí)已經(jīng)有點(diǎn)燃源（已經(jīng)生成的火焰）存在。很明顯，液滴的蒸發(fā)和燃燒在直接和間接噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)里都很重要。

2023/2/530燃?xì)廨啓C(jī)使用液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)是航空器中最主要的動(dòng)力設(shè)備。右圖就是一個(gè)航天渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。盡管燃燒器在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，它占用的空間小得令人驚訝。在環(huán)形的燃燒器中，燃料噴入并被霧化。由于旋轉(zhuǎn)空氣形成了一個(gè)回流區(qū)，火焰特別穩(wěn)定。

2023/2/531industrialgasturbinesmicrogasturbines2023/2/532航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的設(shè)計(jì)要考慮以下幾個(gè)因素：燃燒效率，燃燒穩(wěn)定性，高處再燃能力，排放等。值得一提的是，航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用非預(yù)混燃燒系統(tǒng)，由接近化學(xué)當(dāng)量的一次風(fēng)火焰區(qū)，接合二次風(fēng)以徹底燃燒并在產(chǎn)物進(jìn)入渦輪前稀釋到合適溫度。

2023/2/533一些設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用不同程度的預(yù)混來(lái)避免高溫NOx形成區(qū)。預(yù)混燃燒要先將燃料氣化并混合部分空氣，然后混合物進(jìn)入高溫燃燒區(qū)，點(diǎn)燃并燃燒。上圖描述了一個(gè)航空用燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的一次風(fēng)區(qū)、二次風(fēng)區(qū)以及稀釋區(qū)。

2023/2/534在這里研究的所有燃燒設(shè)備中，現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒過(guò)程是最劇烈的，也就是說(shuō)，單位體積的燃燒空間釋放了最多的能量。有兩種類(lèi)型的液體火箭：壓力供料，這類(lèi)火箭的燃料和氧化劑在高壓氣體作用下被推入燃燒室；泵供料，由渦輪泵提供推動(dòng)力。這兩種方案如上圖液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)2023/2/535起源于中國(guó)2023/2/536液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)2023/2/5372023/2/538不像前面討論過(guò)的其他燃燒設(shè)備，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的氧化劑是液體，燃燒之前要求燃料和氧化劑都汽化。一種通常的噴射器方案是由兩種液體噴射撞擊合成一個(gè)液體膜。這個(gè)片很不穩(wěn)定，容易發(fā)散成線(xiàn)或帶狀，然后分裂成液滴。另外，需要用很多噴射器來(lái)分配燃燒室直徑方向的推動(dòng)物及氧化劑。預(yù)混和擴(kuò)散燃燒在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中都很重要。由于檢測(cè)燃燒器的內(nèi)部非常困難，對(duì)燃燒過(guò)程的細(xì)節(jié)知道得也相對(duì)要少。使用激光探測(cè)器及其它技術(shù)研究火箭燃燒室中的進(jìn)程的工作仍在繼續(xù)。液滴噴入靜止或流動(dòng)的高溫空氣中，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程：由于空氣阻力，液滴與空氣間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度減小介質(zhì)的熱量傳遞給液滴，使其蒸發(fā)兩者同時(shí)進(jìn)行，相互影響相對(duì)速度將影響傳質(zhì)過(guò)程，而液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的物質(zhì)流又會(huì)影響邊界層的狀態(tài)，因此對(duì)液滴受到的氣體阻力也有影響。將一個(gè)液滴放入高溫氣體中，液滴內(nèi)部和環(huán)境中的溫度、燃料組分將出現(xiàn)如圖所示的分布蒸發(fā)單位質(zhì)量液體的熱平衡：在蒸發(fā)開(kāi)始階段，傳向液滴內(nèi)部的熱流較大，液滴一邊蒸發(fā)，一邊升溫，但隨著溫度的升高，蒸發(fā)速度也增大，物質(zhì)流帶走的熱量增多，用來(lái)使液滴升溫的熱量愈來(lái)愈少，而液滴的溫度將趨近于一個(gè)穩(wěn)定值。這一溫度稱(chēng)為“平衡溫度”，因此此時(shí)的蒸發(fā)過(guò)程可看作是定常的。Wakil得出的液滴相對(duì)速度、溫度和蒸發(fā)量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。液滴的初始直徑為50um，溫度為283K，速度為30m/s可以將蒸發(fā)分為兩個(gè)階段，開(kāi)始是不穩(wěn)定階段，隨后是穩(wěn)定階段。2023/2/542假設(shè)下面的這些關(guān)于熱氣體中液滴蒸發(fā)的假設(shè)經(jīng)常會(huì)用到，因?yàn)樗鼈兡軜O大的簡(jiǎn)化問(wèn)題，主要原因是排除了處理質(zhì)量傳遞的必要，而且仍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。1、液滴在靜止、無(wú)窮大的介質(zhì)中蒸發(fā)。2、蒸發(fā)過(guò)程是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的。這意味著蒸發(fā)過(guò)程在任一時(shí)刻都可以認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)的。這一假設(shè)去掉了處理偏微分方程的必要。3、燃料是單成份液體，且其氣體溶解度為零。2023/2/5434、液滴內(nèi)各處溫度均勻一致，而且假定該溫度是燃料的沸點(diǎn)，Td=Tboil

。在許多問(wèn)題里，液體短暫加熱過(guò)程不會(huì)對(duì)液滴壽命有很大影響。而且許多嚴(yán)密的計(jì)算證明，液體表面溫度只比液體在燃燒條件下的沸點(diǎn)略低。這一假設(shè)去掉了求解液相（液滴）能量方程的必要，而且更重要的是，去掉了求解氣相中燃料蒸氣（組分）傳遞方程。這一假設(shè)的隱含條件是Td>Tboil

。在我們隨后的分析中，當(dāng)我們?nèi)サ粢旱翁幱诜悬c(diǎn)這一假設(shè)后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)分析起來(lái)會(huì)有多復(fù)雜。5、我們假設(shè)二元擴(kuò)散的Lewis數(shù)具有一致性（=D

）。這使得我們可以使用以前介紹過(guò)的簡(jiǎn)單的Shvab-Zeldovich能量方程。2023/2/5446、我們還假設(shè)所有的熱物理屬性，如熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、比熱等都是常數(shù)。雖然從液滴到周?chē)h(yuǎn)處的氣相中，這些屬性的變化很大，但常屬性的假定使我們可以求得簡(jiǎn)單分析解。在最后的分析中，對(duì)平均值合理的選擇可以得到相當(dāng)精確的結(jié)果。液滴的穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)靜止介質(zhì)中的傳熱和傳熱具有相似性液滴蒸發(fā)問(wèn)題，屬于斯蒂芬流問(wèn)題，因此簡(jiǎn)單的相似關(guān)系就不存在了，但可以通過(guò)參數(shù)變換的辦法，來(lái)描述傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，保持相似性，稱(chēng)為“廣義雷諾比擬”。界面處的能量平衡在穩(wěn)定蒸發(fā)的條件下，，熱平衡方程式7-19簡(jiǎn)化為：設(shè)r=R處的氣相溫度梯度為，Kg為界面處氣相導(dǎo)熱系數(shù)，為界面處法向質(zhì)量流量（即蒸發(fā)速度），根據(jù)傅立葉定律和Q的定義，傳入液面的熱流強(qiáng)和遷移出來(lái)的質(zhì)量流強(qiáng)之間的關(guān)系：熱擴(kuò)散率，帶入上式得：定義無(wú)量綱溫度（標(biāo)準(zhǔn)溫度）考慮到T∞是常數(shù)，則7-21b可改寫(xiě)為：該式為界面處傳質(zhì)速度和溫度梯度間的關(guān)系。界面處的組分平衡燃料從液滴向自由流中的遷移，是單向擴(kuò)散過(guò)程。自由流中的空氣雖然通過(guò)擴(kuò)散作用向液面遷移，但不能穿過(guò)液面，而燃料的遷移則由擴(kuò)散和對(duì)流兩部分組成。此式為傳質(zhì)速度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度間的關(guān)系液滴中燃料組分F減少的質(zhì)量界面處的對(duì)流遷移的物質(zhì)流率界面處的擴(kuò)散速度描述液滴蒸發(fā)的微分方程在穩(wěn)態(tài)、定常物性和無(wú)燃燒的情況下，用球坐標(biāo)系表示的液滴蒸發(fā)能量守恒方程為組分守恒方程為引入標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及連續(xù)方程，上面兩式可改寫(xiě)為導(dǎo)熱、擴(kuò)散引起的對(duì)流引起的對(duì)于壁面或者自由流，有如下邊界條件：r=R時(shí)當(dāng)r=∞時(shí)，在傳熱和傳質(zhì)過(guò)程之間，其邊界條件的表達(dá)式在形式上完全相同，路易斯數(shù)Le=1，即αg=DF，則能量方程和組分方程就完全一樣了。燃燒問(wèn)題中，常做如此假設(shè)。b稱(chēng)之為“守恒變量”方程的求解求解二階常微分方程需要兩個(gè)條件，另外還有界面?zhèn)髻|(zhì)速度和溫度兩個(gè)未知量，需要四個(gè)邊界條件，前面的邊界條件提供了三個(gè)，另外一個(gè)可以從液面處氣液兩相平衡的熱力學(xué)關(guān)系得出，即利用飽和蒸汽壓和溫度的函數(shù)關(guān)系給出補(bǔ)充條件假設(shè)Le=1，即，對(duì)求坐標(biāo)下的蒸發(fā)能量方程式（7-30）進(jìn)行積分，得：利用壁面處的邊界條件求出該常數(shù)故上式變?yōu)椋悍蛛x變量積分得：當(dāng)時(shí)，等式右端第一項(xiàng)趨于零，于是可定積分常數(shù)C，得出b隨r的分布為：當(dāng)r=R時(shí)，b=bW，由上式可求出蒸發(fā)速度為：

b隨r變化的顯式表達(dá)式：

對(duì)于不同的（b∞-bw）值，（b-bw+1）與（1-R/r）的變化關(guān)系如圖所示（b∞-bw）的值決定著b的大小，此值稱(chēng)為“驅(qū)動(dòng)力”或“傳質(zhì)數(shù)”，

“Spalding數(shù)”。用B表示，r=

∞時(shí)，bT∞=bD

∞=0。則B=-bW再考慮到b的定義和Le=1的假設(shè)，B的表達(dá)式：靜止介質(zhì)中單滴的蒸發(fā)對(duì)于球體：

當(dāng)液滴對(duì)氣流的相對(duì)速度很小，即u=0是，方程可簡(jiǎn)化為換熱系數(shù)h0具有導(dǎo)熱系數(shù)與熱邊界層厚度（靜膜厚度）之比的含義，設(shè)δs代表靜膜厚度，則：，帶入上式，

則在靜止介質(zhì)中有：即圍繞圓球和熱邊界層的厚度應(yīng)使球壁上的溫度梯度等于圍繞液滴的邊界層示意圖如圖所示。實(shí)際上這種對(duì)稱(chēng)分布的邊界層只有在沒(méi)有流速、也沒(méi)有浮力的條件下才可能存在。應(yīng)用熱擴(kuò)散率的定義帶入到蒸發(fā)速度公式中，得傳質(zhì)方程傳熱因子熱力學(xué)因子從能量角度考慮：從組分角度考慮：假設(shè)路易斯數(shù)等于1，即BT=BD四個(gè)未知數(shù)，三個(gè)方程根據(jù)燃料表面上的液相和蒸汽間的相平衡，用克勞修斯-克拉貝隆方程把飽和蒸氣壓表為溫度的函數(shù)，作為另一個(gè)補(bǔ)充條件假設(shè)混合物為理想氣體，則分密度之和等于總密度，分壓之和等于總壓力BT和BD都已表示為了TW的函數(shù)。把TW作為參考量，得出曲線(xiàn)如圖所示，再利用BT=BD的條件，由兩圖線(xiàn)的交點(diǎn)即可求出界面處的BD和TW，因此，wFW也可求出。BT（TW）是TW的線(xiàn)性函數(shù)，斜率為負(fù)值，與橫坐標(biāo)軸相交于T∞。當(dāng)TW=0時(shí)，飽和蒸汽壓pFW=0，因而wFW=0，于是BD=-wF∞/wFR當(dāng)TW等于沸點(diǎn)TB時(shí)，pFW等于總壓，因此wFW=wFR，此時(shí)BD=∞，因此在Tw≈TB時(shí)，BD的變化就很劇烈事實(shí)上，在物理上驅(qū)動(dòng)力不可能無(wú)窮大，表明蒸發(fā)液體表面不可能達(dá)到沸點(diǎn)溫度，而只能趨近于它當(dāng)T∞》TB時(shí)，BT和BD的曲線(xiàn)決定的界面溫度TW幾乎等于TB，如圖所示，當(dāng)T∞《TB時(shí)，BT和BD的曲線(xiàn)決定的界面溫度TW幾乎等于T∞，如圖所示，把相當(dāng)于T∞時(shí)的飽和蒸汽壓帶入：蒸發(fā)液體的表面溫度總是低于其沸點(diǎn)溫度，但當(dāng)環(huán)境溫度遠(yuǎn)大于沸點(diǎn)溫度時(shí)，Tw將接近于TB，wFW相當(dāng)接近wFR，閃瞬蒸發(fā)現(xiàn)象就是這種情況下引申出來(lái)的。萊頓弗萊特斯效應(yīng)（視頻）負(fù)的BD，表示從環(huán)境自由流向液體的傳質(zhì)。雨滴增大等冷凝現(xiàn)象液滴蒸發(fā)時(shí)間相對(duì)靜止的介質(zhì)中，小的球形液滴的蒸發(fā)速度前面已求出，式7-37，有此式可以估算出已知直徑的液滴完全蒸發(fā)所需要的時(shí)間，稱(chēng)為液滴存在時(shí)間或液滴蒸發(fā)時(shí)間。

液滴蒸發(fā)過(guò)程中質(zhì)量的減小速度，等于通過(guò)表面的蒸發(fā)速度液滴直徑越小，液滴直徑的變化率越大液滴直徑的平方隨t成線(xiàn)性變化，D2定律，直徑越大，蒸發(fā)時(shí)間越長(zhǎng)，較輕的燃料，高的氣體導(dǎo)熱性和低的氣體比熱容可使蒸發(fā)常數(shù)增大，從而縮短蒸發(fā)時(shí)間。D2定律：液滴直徑的平方對(duì)時(shí)間的微分是一個(gè)常數(shù)。因此D2隨t線(xiàn)性變化，斜率為-(8k/lcpg)ln(Bq+1)，如圖所示。該斜率被定義為蒸發(fā)常數(shù),λ或K：液滴的不穩(wěn)定蒸發(fā)在液滴噴入高溫氣體中時(shí)，開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，液滴的溫度、蒸發(fā)速度等都是隨時(shí)間變化的。時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但在內(nèi)燃機(jī)中卻不容忽視，因?yàn)閷?duì)于高速內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)，噴油燃燒的時(shí)間本來(lái)就只有幾個(gè)ms的時(shí)間。描述這一變化過(guò)程,必須用到偏微分方程,如果用常微分方程描述,必須對(duì)物理模型做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化,若液體的導(dǎo)熱性比氣體大很多,液體內(nèi)部的溫度可以認(rèn)為是均勻的.總蒸發(fā)流強(qiáng):7-597.3液霧的運(yùn)動(dòng)噴霧模型單相流：康明斯模型，和栗模型兩相流：CDM模型和DDM模型

噴霧模型柴油機(jī)噴霧是由尺寸各異的大量細(xì)微油滴、燃油蒸氣與空氣組成的兩相混合物，液相的存在使得氣相射流模型不能模擬和反映噴霧的物理本質(zhì)，因此在多維模型中以?xún)上嗔鲊婌F模型為主CDM（連續(xù)液滴模型）和DDM（離散液滴模型）連續(xù)液滴模型則不僅把流體相作為連續(xù)介質(zhì)，同時(shí)也把顆粒相視為擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體，認(rèn)為后者在空間中有連續(xù)的速度、溫度等參數(shù)分布及等價(jià)的輸運(yùn)性質(zhì)(黏性、擴(kuò)散和導(dǎo)熱等)，因而稱(chēng)為歐拉-歐拉法或雙流體法離散液滴模型把流體相作為連續(xù)介質(zhì)，以歐拉方式研究其流場(chǎng)，而把顆粒(液滴)相作為離散體系，格朗日運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系研究顆粒或顆粒群在流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特性(如顆粒軌道及其傳熱傳質(zhì)過(guò)程等)，故可稱(chēng)為歐拉-拉氏法。二者的共同點(diǎn)是，它們都從燃油噴霧具有氣液兩相結(jié)構(gòu)這一基本事實(shí)出發(fā)，著重模擬發(fā)生在氣液交界面上的相互作用，即兩相之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換過(guò)程。為此，必須同時(shí)求解兩相的各控制方程，但二者求解的思路和方法是完全不同的

CDM模型是通過(guò)統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的Louville守恒原理，得到表達(dá)所有液滴的運(yùn)動(dòng)方程，大多數(shù)情況下方程包括不少于8個(gè)獨(dú)立變量，即三個(gè)空間坐標(biāo)、時(shí)間、液滴半徑、液滴速度矢量的三個(gè)分量。此法可以為噴霧場(chǎng)提供全面詳盡的描述，然而由于其工作量太大，現(xiàn)階段難以應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題。目前，研究和應(yīng)用的重點(diǎn)放在DDM方法上。DDM模型基于蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法，考慮離散液滴中一個(gè)有代表性的樣本(液體包)，用拉格朗日方式跟蹤這些油滴樣本的運(yùn)動(dòng)，即求解描述其運(yùn)動(dòng)軌跡和傳熱傳質(zhì)過(guò)程的一組常微分方程。液滴對(duì)氣相的影響則在氣相守恒方程中加入相應(yīng)的源項(xiàng)來(lái)考慮。這種模型的優(yōu)點(diǎn)是，能較好地描述液滴的狀態(tài)及液滴與氣相之間的相互作用，并且能夠消除液相流動(dòng)求解中的數(shù)值擴(kuò)散所引起的誤差。由于液相控制方程成為液滴控制方程，簡(jiǎn)化為由液滴質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程組成的常微分方程組，采用簡(jiǎn)單的Runge－Kutta法即可求解。對(duì)氣相流場(chǎng)的求解按其物理觀(guān)察坐標(biāo)的不同通?？煞譃镋ulerian法、Lagrangian法和Eulerian-Lagrangian法噴霧過(guò)程的多維數(shù)值模擬噴霧過(guò)程的多維數(shù)值模擬主要是依靠?jī)上嗔骱徒y(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論，從而得到氣液兩相流中的氣相流場(chǎng)和液相流場(chǎng)參數(shù)隨時(shí)空的變化。多維模型則可以很好的模擬整個(gè)過(guò)程。燃油射出噴孔后發(fā)生一系列互相耦合的物理過(guò)程，歷經(jīng)初次破碎、二次破碎，同時(shí)還經(jīng)歷拉伸、碰撞、聚合、湍流擴(kuò)散、蒸發(fā)等過(guò)程或者還發(fā)生噴霧碰壁，從而逐步與空氣混合。初次破碎在靠近噴嘴且Weber數(shù)很高的情況下發(fā)生，不僅與液、氣兩相的交互作用有關(guān)，還與噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)現(xiàn)象如湍流和空化有關(guān)。二次破碎在遠(yuǎn)離噴孔的噴霧下游發(fā)生，與噴嘴的類(lèi)型關(guān)系不大，主要取決于外部空氣動(dòng)力作用。常用的破碎模型如WAVE模型、TAB模型、ETAB模型、FIPA模型、KH-RT模型等。

不同蒸發(fā)模型比較上圖:為不同CA對(duì)應(yīng)的油束發(fā)展（從左上至右下依次為714CA，718CA，740CA，756CA，每一圖左側(cè)的蒸發(fā)模型2，右側(cè)為1）下圖為：兩種模型某一曲柄轉(zhuǎn)角的當(dāng)量比切面圖（上部蒸發(fā)模型為2，下部蒸發(fā)模型為1）初期噴霧發(fā)展很類(lèi)似，后期蒸發(fā)模型為2時(shí)，噴霧前段顯得更細(xì)，而且在整個(gè)階段都維持比較穩(wěn)定的位置，而蒸發(fā)模型為1時(shí)，油束則逐步向燃燒室壁面發(fā)展，貫穿距離較遠(yuǎn)，并且會(huì)碰壁，因此在壁面的燃燒也更嚴(yán)重。蒸發(fā)模型為2（開(kāi)啟蒸發(fā)模型）時(shí)，貫穿小，散布角小，蒸發(fā)強(qiáng)烈。2的蒸發(fā)能力更強(qiáng)但混合氣并沒(méi)能很好地利用蒸發(fā)模型1：關(guān)閉蒸發(fā)模型蒸發(fā)模型2：開(kāi)啟蒸發(fā)模型不同蒸發(fā)模型比較山東大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所當(dāng)蒸發(fā)模型為2(編號(hào)0)時(shí)，最大爆發(fā)壓力減小大約1MPa，累積放熱量減少682J，液體質(zhì)量的變化趨勢(shì)基本相同但峰值要小一半（都出現(xiàn)在716CA）。而在瞬態(tài)放熱率上，雖然初期上升規(guī)律一致，但蒸發(fā)模型為2時(shí)的放熱率峰值要低很多，甚至低于擴(kuò)散燃燒的峰值。因?yàn)閴嚎s比很高所以，滯燃期很短，所以預(yù)混合的柴油也較少，導(dǎo)致預(yù)混燃燒的放熱率峰值不是太高，大部分都被擴(kuò)散燃燒消耗掉了。不同破碎模型比較山東大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所0ModifiedKH-RT：KH機(jī)理負(fù)責(zé)初次破碎，破碎形成的子液滴的二次破碎則決定于KH和RT的競(jìng)爭(zhēng)。3KH：液滴的破碎時(shí)由于氣液兩相之間的相對(duì)速度導(dǎo)致交互面上KH不穩(wěn)定波的增長(zhǎng)而使液滴從液體表面分離。8RT：在氣液界面的法向上也存在由于兩相之間密度的巨大差別而產(chǎn)生的慣性力，從而會(huì)引起另一種擾動(dòng)波：RT波。這種波的不穩(wěn)定增長(zhǎng)導(dǎo)致液滴分裂霧化的。11KH-RTBreakupLength：允許用戶(hù)指定一特征長(zhǎng)度，在此長(zhǎng)度范圍之內(nèi)，KH不穩(wěn)定性決定液滴的破碎，而在超出此范圍之外，則是KH和RT之間的競(jìng)爭(zhēng)決定液滴的破碎。15TAB：基于彈性力學(xué)理論將液滴的破碎和彈簧系統(tǒng)類(lèi)比得到的。然而TAB模型適宜于低韋伯?dāng)?shù)射流，對(duì)于特別高的韋伯?dāng)?shù)，噴霧液滴散落分布，用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)類(lèi)比是不適合的。不同破碎模型在不同破碎模型比較山東大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所（從左至右依次為編號(hào)0、3、8、11、15.從上至下依次為716CA，726CA，740CA，754CA和760CA）0ModifiedKH-RT：與KH類(lèi)似。3KH：與ModifiedKH-RT相比，蒸發(fā)更快，貫穿距離也相對(duì)小一些，因此燃燒向壁面的傳播收到抑制。8RT：8個(gè)噴孔的發(fā)展很不均勻，而在噴霧燃燒后期，貫穿距離才又逐步加長(zhǎng)。11KH-RTBreakupLength：使得破碎機(jī)制分區(qū)。該模型的各噴孔發(fā)展均勻性較好，貫穿距