燃燒學(xué)-51擴(kuò)散燃燒及火焰

擴(kuò)散燃燒火焰類型氣體擴(kuò)散燃燒火焰液體燃料的噴射燃燒火焰基本概念擴(kuò)散火焰高度燃料霧化的噴射特性單液滴燃燒油霧燃燒燃料液滴在壁上的蒸發(fā)和燃燒燃料膜的蒸發(fā)燃燒第五章擴(kuò)散燃燒及火焰

（diffusioncombustion）

擴(kuò)散燃燒概念，擴(kuò)散火焰類型，氣體擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)，擴(kuò)散火焰高度，噴霧燃燒，單液滴燃燒模型噴霧燃燒原理，氣體擴(kuò)散燃燒特點(diǎn)單液滴燃燒模型的建立與求解噴霧燃燒觀察與分析概念擴(kuò)散燃燒基本概念燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過(guò)程是邊混合邊燃燒。也即燃燒時(shí)燃料與空氣尚未混合，而是邊擴(kuò)散邊燃燒，燃燒所用的氧氣全靠外界擴(kuò)散獲得，稱為擴(kuò)散控制燃燒，擴(kuò)散燃燒，其火焰稱為擴(kuò)散火焰。特征燃燒過(guò)程的進(jìn)展包括兩方面：燃燒氧化的化學(xué)動(dòng)力過(guò)程和燃料與氧化劑混合的過(guò)程。根據(jù)燃燒過(guò)程進(jìn)展條件的不同：燃燒過(guò)程化學(xué)動(dòng)力燃燒

（混合速度大于燃燒速度）擴(kuò)散燃燒

（混合速度大于燃燒速度）基本性質(zhì)：控制燃燒速率的是混合過(guò)程的快慢。（更為常見(jiàn)）分類氣體擴(kuò)散燃燒擴(kuò)散燃燒液體噴霧燃燒層流擴(kuò)散燃燒（分子擴(kuò)散）湍流噴霧燃燒（渦團(tuán)擴(kuò)散）5.1擴(kuò)散燃燒火焰的類型

按照燃料與空氣分別供入的方式，擴(kuò)散火焰可以有：a）自由射流火焰

(freejetflame)

b）同軸流擴(kuò)散火焰（受限射流擴(kuò)散火焰）

(concentricjetflame)

c）逆向噴流擴(kuò)散火焰

(counter-flowdiffusionflame)

層流射流擴(kuò)散火焰紊流射流擴(kuò)散火焰優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，穩(wěn)定性又好，在燃燒前又不必要把燃料與氧化劑進(jìn)行預(yù)先混合，操作方便，所以在工業(yè)上應(yīng)用很廣。

5.2氣體擴(kuò)散燃燒火焰一、基本概念

擴(kuò)散火焰分布在寬度很小的區(qū)域中，在這一區(qū)域中，燃料氣和氧化劑互相擴(kuò)散，它們最初是分開(kāi)的。已燃?xì)怏w從一個(gè)燃燒區(qū)散布到另—個(gè)燃燒區(qū)，因而燃料氣和氧化劑需要穿過(guò)形成的已燃?xì)鈱?，以便在點(diǎn)燃后相互接觸。著火前燃料氣和空氣分子的擴(kuò)散過(guò)程著火后燃料氣與空氣向燃燒產(chǎn)物中的分子擴(kuò)散

在具有理論燃燒劑量（λ=1）的表面上形成火焰前沿，形成燃燒表面。燃燒速度取決于燃料與氧化劑的擴(kuò)散速度和活性中心的擴(kuò)散速度。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象富氧擴(kuò)散火焰：火焰表面逐漸收縮到圓管的軸線上，成為圓錐形火焰。貧氧擴(kuò)散火焰：空氣中的氧氣不足，這時(shí)火焰擴(kuò)展到外管的壁上形成喇叭形的。

同心圓管內(nèi)的擴(kuò)散火焰

空氣燃料空氣1-富氧火焰2-貧氧火焰現(xiàn)象解釋：一個(gè)穩(wěn)定的火焰邊界只能是燃料和氧化劑按化學(xué)計(jì)量比混合的表面，在火焰邊界上不能有過(guò)剩的空氣，也不能有過(guò)剩的燃料，否則，火焰邊界的位置便不能穩(wěn)定。擴(kuò)散火焰只有在燃料與氧化劑以化學(xué)劑量比混合的表面上才是穩(wěn)定的。二、擴(kuò)散火焰高度

1.實(shí)驗(yàn)觀察

火焰特征隨氣流噴射速度的變化

層流擴(kuò)散火焰推導(dǎo)依據(jù)：燃料通過(guò)圓管的質(zhì)量流率M1與層流擴(kuò)散混合的燃料質(zhì)量M2成比例。2.數(shù)學(xué)模型火焰高度噴管尺寸（直徑d）流率（u）

（5-2）湍流擴(kuò)散火焰

用湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)ε代替（5-2）式內(nèi)的層流擴(kuò)散系數(shù)D，即：（5-4）

湍流火焰的高度與噴管直徑成正比，而與氣流速度、湍流渦團(tuán)擴(kuò)散系數(shù)無(wú)關(guān)，即L/d=定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。

5.3液體燃料的噴射燃燒火焰

燃燒氣態(tài)蒸發(fā)燃料霧化原因：使燃料破碎成細(xì)小的液滴以擴(kuò)大它與空氣接觸表面，同時(shí)還盡可能將液滴合理地分布在燃燒室空間內(nèi)，強(qiáng)化液體燃料的燃燒，滿足燃燒性能好的要求。

因此，液體燃料的噴射過(guò)程、噴霧特性對(duì)擴(kuò)散燃燒性質(zhì)及燃燒效率都有重要影響。一、燃料霧化的噴射特性霧化定義靠外界作用將連續(xù)的液流破碎成霧狀的油液滴群的過(guò)程。液體燃料的噴射霧化方法用機(jī)械方法或用壓縮空氣對(duì)燃料加壓噴散到燃燒室內(nèi)；對(duì)燃料施加高壓并用旋轉(zhuǎn)加速方法從噴嘴噴出使其粉碎和分散；采用高壓將燃料噴射在固體壁或擋板上產(chǎn)生飛濺破碎等等。燃油的破碎機(jī)理通過(guò)噴孔或環(huán)形縫隙，把燃油伸展成油柱(stream)或錐形空心油片(sheets)；在油柱或油片的表面出現(xiàn)波紋和擾動(dòng)；在上述表面波和擾動(dòng)的作用下，在油柱或油片的表面形成油線或空洞；

油線的分裂(collapse)或空洞的擴(kuò)大產(chǎn)生較大的油滴；由于大油滴在各種外力(運(yùn)動(dòng)液體的慣性力，氣體動(dòng)力，表面張力，粘性力等)的作用下發(fā)生振動(dòng)，分散成小油滴；小油滴之間的碰撞可能產(chǎn)生更小油滴或聚合成較大油滴，這些油滴的綜合體稱為油束(spray)。噴霧特性燃料噴射到靜止空氣中的影像

空間輪廓(長(zhǎng)度、寬度、噴射的錐角，輸送的空氣或氧氣的速度場(chǎng)等)；噴射橫截面上的液體分布；霧化液體的液滴大??；霧化液體液滴大小的均勻性。

θ噴油器LB1.噴霧油束的空間形狀油束錐角(sprayangle)——噴油嘴孔口處油束外包絡(luò)線的兩條切線之間的夾角Sitkei給出的經(jīng)驗(yàn)公式：

θs噴油器LB增大噴射壓差則流出噴孔燃油流速增大，使Re增加，造成增大。增加噴孔直徑與噴孔通道長(zhǎng)度比也可增大。

噴霧油束的貫穿距離(spraypenetration)——在給定時(shí)間內(nèi)，油束頂端實(shí)際到達(dá)的位置與噴油嘴噴孔間的距離稱為噴霧油束的貫穿距離。

經(jīng)驗(yàn)公式：分析：1°噴射壓差↗：u0

↗L↗2°噴孔直徑d0

↗：液滴直徑dp

↗L↗

3°ρa(bǔ)、μa

↗：空氣阻力↗L↘

4°ρf、μf

↗：液滴直徑dp↗

L↗

2．噴霧油束的燃油分布特性

燃油分布特性：通過(guò)給出燃料濃度沿油束橫截面徑向分布和沿油束軸線分布的規(guī)律來(lái)反應(yīng)。燃料濃度分布

：rx軸線上：橫截面徑向上：Cfm——r=0處軸線上的燃料濃度值h——常數(shù)，綜合反映具體噴射過(guò)程的各種因素的影響，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。濃度分布特點(diǎn)：在橫截面內(nèi)燃料濃度沿徑向分布服從正態(tài)分布規(guī)律。在軸線上燃料濃度有最大值，隨軸線方向距離的增加濃度迅速減小，靠近噴孔燃料濃度變化大，離噴孔越遠(yuǎn)的橫截面內(nèi)燃料濃度變化越小，以至整個(gè)截面趨于均勻。3.噴霧油束中的液滴尺寸大小

液滴的平均直徑：衡量霧化程度的指標(biāo)。

經(jīng)驗(yàn)公式（柴油機(jī)）：總體積及表面積平均直徑

[索特（Sauter）平均直徑]算術(shù)平均直徑

體積平均直徑

表面積平均直徑

（最為通用）4.噴霧油束中液滴尺寸分布特性

液滴尺寸分布特性：噴霧液滴尺寸大小及各種尺寸的液滴數(shù)量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函數(shù)關(guān)系表示。液滴尺寸分布曲線——液滴數(shù)量的微分分布。常用的噴霧油束液滴尺寸分布函數(shù)有：(1)羅森(Rosin)—瑞姆勒(Rammler)分布函數(shù)；(2)拔山—棚澤分布函數(shù)。液滴直徑液滴數(shù)量液滴直徑二、單液滴燃燒(蒸發(fā)和燃燒）破碎后的油滴置于高溫含氧介質(zhì)中所發(fā)生的變化：1）油滴的蒸發(fā)燃燒

——油滴在不很高的溫度下，蒸發(fā)成氣態(tài)后，與氧氣分子接觸達(dá)到著火溫度著火燃燒。（蒸發(fā)速度、燃燒速度）2）油滴的熱解和裂化——和氧接觸前便達(dá)高溫、熱解、產(chǎn)生固體碳和氫氣（燃油爐子所見(jiàn)到的黑煙）；未蒸發(fā)前劇烈受熱，發(fā)生裂化，產(chǎn)生焦粒或?yàn)r青（重油燒嘴的“結(jié)焦”現(xiàn)象）。高溫氣流中液滴的蒸發(fā)蒸發(fā)模型假設(shè)(1)液滴是球形的，由一高溫球面所包圍，相當(dāng)于包圍燃燒油滴的狹窄燃燒區(qū)，見(jiàn)圖所示；(2)蒸發(fā)是穩(wěn)定過(guò)程；(3)蒸發(fā)率決定于液滴的加熱速率；(4)蒸發(fā)率的大小能滿足液滴表面處蒸氣和液體處于平衡的條件；(5)通過(guò)傳熱和擴(kuò)散，液滴達(dá)到稍低于液體沸點(diǎn)的溫度；(6)蒸發(fā)過(guò)程是等壓的；(7)燃料蒸發(fā)和周圍介質(zhì)氣體滿足理想氣體定律；(8)導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度而改變；(9)不考慮輻射和對(duì)流熱損失；(10)在液滴附近，燃料濃度和溫度隨離開(kāi)液滴中心的距離作線性變化。理論計(jì)算1°質(zhì)量蒸發(fā)率對(duì)于半徑為r

的球面，由熱量平衡可知：導(dǎo)熱率油的質(zhì)量蒸發(fā)率油滴的氣化潛熱油滴表面溫度

液滴直徑的無(wú)限小，兩邊對(duì)r求導(dǎo)數(shù)：對(duì)球形火焰區(qū)積分，即從r0到r（r≤r1），從T0到T（T≤T1）：（5-19）導(dǎo)熱熱量被用作蒸發(fā)熱，則：（5-20）式(5-20)代人式(5-19)中，并在r0到r（r≤r1），從T0到T（T≤T1）間積分：

（5-20）2°蒸發(fā)時(shí)間通過(guò)上式我們可求出對(duì)于給定直徑的油滴完全蒸發(fā)所需的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間稱為蒸發(fā)時(shí)間或油滴生存時(shí)間，油滴蒸發(fā)時(shí)間對(duì)燃燒室設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的參數(shù)。對(duì)于半徑為r0的油滴，其質(zhì)量：（5-22）（5-23）對(duì)r0微分：將式(5-21)代人：（5-24）r1>r0，故可以忽略：

（5-25）將上式自0到t，r0到r之間進(jìn)行積分：

（5-26）（5-27）（5-28）——蒸發(fā)常數(shù)

油滴的燃燒過(guò)程

油滴燃燒示意圖根據(jù)油滴擴(kuò)散燃燒理論獲知，油滴的燃燒速度決定它的蒸發(fā)速度。

油蒸發(fā)速度，也就是在單位時(shí)間蒸發(fā)的油汽量應(yīng)該與氧從周圍向火焰面擴(kuò)散的數(shù)量相等，或者說(shuō)與氧的擴(kuò)散速度有著如下的關(guān)系：

（5-30）氧與燃油的化學(xué)當(dāng)量比從無(wú)窮遠(yuǎn)處(r=∞)與火焰面(r=r1)之間積分：（5-32）（火焰鋒面的位置）

將式(5-32)代人式(5-21)中并求解：（5-33）——直徑為2r的油滴在燃燒時(shí)，從油滴表面上蒸發(fā)的油汽量，也就是它在單位時(shí)間內(nèi)在焰面中燃燒掉的燃油量。式中T1為火焰面上的溫度，在所討論的條件下也就是理論燃燒溫度。令：（5-34）（5-35）（燃燒速度常數(shù)）油滴在燃燒過(guò)程中其直徑不斷縮小，由此而減少的燃油重量等于其重量燃燒速度，即：（5-36）式(5-35)和式(5-36)聯(lián)立：（5-37）

——直徑平方直線規(guī)律從0到t，d0到d的范圍內(nèi)積分上式，得經(jīng)過(guò)t時(shí)間燃燒后所剩余的油滴顆粒大?。?/p>

從初始直徑為d0的油滴燃燒到直徑為d所需的燃燒時(shí)間：油滴燃盡

所需的時(shí)間：結(jié)論：油滴燃燒所需時(shí)間與油滴初始直徑平方成正比，故燃料霧化質(zhì)量對(duì)液體燃料燃燒的影響是很大的。三、油霧燃燒油霧——由許多粒度不等的油滴組成。工程上液體燃料的燃燒通常都是一群粒度不等的液體組成的液霧在燃燒。液霧燃燒的特點(diǎn)液滴大小不均勻；液滴有一定速度，處于強(qiáng)迫流動(dòng)；除導(dǎo)熱外，還有對(duì)流換熱，溫度高時(shí)還有輻射換熱；液滴內(nèi)溫度較低，表面溫度未達(dá)到飽和溫度，升溫吸熱不能忽略；液霧燃燒時(shí)，液滴相互靠近，互相傳熱，同時(shí)妨礙氧氣擴(kuò)散，一般使燃燒速度變慢；小液滴易燃盡，大液滴不易燃盡。油霧的燃燒規(guī)律輕質(zhì)油基本符合直徑平方—直線定律；重質(zhì)油（重油）燃燒時(shí)首先受熱產(chǎn)生碳黑殼，接著內(nèi)部氣化、膨脹、破裂，再燃燒，但最終總結(jié)果，燃盡時(shí)間基本符合直徑平方—直線定律關(guān)系。油霧燃燒的三種形式(a)油滴之間距離很遠(yuǎn)時(shí)的燃燒(b)表示“初態(tài)油滴群燃燒”