燃烧学第六章液体燃料的燃烧

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1、燃烧学第6章液体燃料的燃烧6.1Stefan流一、斯蒂芬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现的，故称Stefan流。

2、二、水蒸发时的斯蒂芬流假设：A-A为一水面，水面上方为大气空间，水面A-A处为水与空气的相分界面，在相界面上只有水蒸气和空气两种气体组分，以f1和f2分别表示水蒸气和空气的质量相对浓度。二、水蒸发时的斯蒂芬流在相界面处有：式中，J1,0为界面处水蒸气的扩散流；D0为分子扩散系数；r0为气体平均密度；导数项为界面上水蒸气沿水面法线方向的浓度梯度。<0，故J1,0>0因此水蒸气的扩散是流向水面上方。二、水蒸发时的斯蒂芬流二、水蒸发时的斯蒂芬流二、水蒸发时的斯蒂芬流三、碳燃烧时的斯蒂芬流二、碳燃烧时的斯蒂芬流二、碳燃烧时的斯蒂

3、芬流6.2液体燃料燃烧的特点一、燃烧方式预蒸发型燃烧燃料进入燃烧空间之前蒸发为油蒸气，以不同比例与空气混合后进入燃烧室中燃烧。例如：汽油机装有汽化器，燃气轮机装有蒸发管。此燃烧方式与气体燃料燃烧原理相同。喷雾型燃烧把液体燃料通过喷雾器雾化成一股由微小油滴组成的雾化锥气流，在雾化的油滴周围存在空气，当雾化锥气流在燃烧室被加热，油滴边蒸发，边混合，边燃烧。动力行业多采用此种燃烧方式。二、喷雾型燃烧的特点液体燃料的沸点低于着火温度，先蒸发后燃烧，总是燃烧其蒸气燃烧过程分为三步：蒸发：较慢混合：油蒸汽与氧相互扩散，较快燃烧：燃烧

4、速度高油燃烧速度取决于最慢的蒸发速度液体燃烧不同于固体燃烧的异相化学反应，只能在表面蒸发，并在离液滴表面一定距离的火焰面上燃烧，液体表面无火焰，内部无火焰液体燃料燃烧时，如果缺氧，会产生热分解CmHnxC+yH2+Cm-xHn-2y缺氧三、喷雾型燃烧的要点蒸发良好供氧充分6.3油滴的蒸发一、静止气流中的油滴特点二、油滴蒸发模型二、油滴蒸发模型忽略气体和油滴间的相对流速，油滴为球形，其半径为r0，油滴的蒸发、燃烧都以球对称进行，故燃烧时的火焰锋面为同心球面。由于油滴表面温度T0比环境温度低使外界热量向油滴表面传递，并忽略辐

5、射传热。油滴内部的中心温度为7”，以导热方式向油滴内部传递热量。燃料蒸气在表面处的浓度ffs大于环境中的浓度ff∞，故燃料蒸气由y油滴表面向火焰面方向扩散，空气出外向表面方向扩散，油滴表面处的蒸发流为r0v0，油滴内部燃料浓度ff0为常数。蒸发、燃烧过程为定压、准稳定场(忽略界面内移的影响)。设环境温度比燃料沸点温度高得多，油滴表面温度T0略低于沸点温度Tb0。基本方程各组分边界条件物理量变换物理量变换重新整理边界条件基本方程变换为由方程的相似性变换可得求解积分求解蒸发速度求解蒸发时间结果6.4液滴的燃烧液滴的燃烧模型单

6、个液滴的燃烧模型，假设：液滴为均匀对称球体；液滴随风飘动，与空气间无相对运动；燃烧及快，火焰面薄；火焰温度较高，向内向外同时传热，液滴表面温度接近饱和温度，燃烧温度等于理论燃烧温度；忽略对流与辐射换热；忽略液滴周围的温度场不均匀对热导率和扩散系数的影响；忽略斯蒂芬流。r1r0C0TrT0rdr液滴燃烧模型推导液滴燃烧时间和液滴尺寸的关系对于半径为r的球面，由热量平衡可知：将上式改写，自液滴表面（r0和T0）到火焰锋面（r1和Tr）积分导热率油的流量油滴表面温度，假设等于油的饱和温度油的气化潜热液滴燃烧模型假设火焰锋面之外

7、有一个半径为r的球面，氧从远处通过这个球面向内扩散的数量等于火焰锋面上所消耗的氧量，即4pr2DdC/dr=bqm式中：D——氧的分子扩散系数；C——氧的浓度；b——氧与油的化学计量比。将上式改写，在无穷远处和火焰锋面之间积分，得：4.3液滴燃烧模型消去r1，得：式中，rr——油密度；d——液滴直径则：4.3液滴燃烧模型另一方面，液滴燃烧过程中直径不断减小燃尽时间或者改写为联立后得到4.3液滴燃烧模型上式称为液滴燃烧的直径平方——直线定律该定律说明：油滴直径的平方随时间的变化呈直线关系当油滴粒径等于0时，表明油滴完全燃尽

8、，此时对应的燃尽时间为：4.4液雾燃烧一、液雾的燃烧工程上液体燃料的燃烧是一群粒度不同的液体组成的液雾在燃烧有必要掌握液雾燃烧的基本概念了解液雾燃烧过程中配风的基本原则二、液雾燃烧的特点液滴大小不均匀液滴有一定速度，处于强迫流动除导热外，还有对流换热，温度高时还有辐射换热液滴内温度较低，表面温度未达到饱和温度，升温吸