高等燃烧学07液体燃料的燃烧

高等燃烧学第七章液体燃料的燃烧液体燃料燃烧特点（1）液体燃料在蒸气状态下燃烧（2）液体燃料具有扩散燃烧的特点（3）液体燃料需雾化后再燃烧（4）液体燃料在不同的条件下，具有不同的热分解特性液体燃料燃烧过程液体燃料燃烧过程1、雾化2、蒸发3、掺混4、燃烧水蒸发时的斯蒂芬流0000,22yfDJOHOH002yfOH00,2OHJ这时分界面处水汽分子扩散流是：，所以而分界面处空气浓度梯度也将导致空气分子的扩散流：0000,yfDJairair水蒸发时的斯蒂芬流0010,0000000,22airairoHairairOHairairJyfyfyfffyfDJ水蒸发时的斯蒂芬流,000,0000,000,0000,000022220HOHOHOairairairHOfgDfyfgDfygg水蒸发时的斯蒂芬流在水面蒸发问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 中，斯蒂芬流（即水的蒸发流）并不等于水汽的扩散物质流，而是等于扩散物质流加上混合气总体运动时所携带的水汽物质流两部分所构成。00000,000000,0,0,22222OHOHOHOHOHfyfDfJg斯蒂芬流产生的条件是在相分界处有扩散现象存在，有物理和（或）化学过程存在，这两个条件是缺一不可的.Stefan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。这一现象称Stefan流。第二节相对静止高温环境中液滴的蒸发和燃烧基本假设：1、准定常，即不考虑液面的内移效应；2、球对称，液滴与环境无相对运动，考虑斯蒂芬流引起的球对称径向一维流动；3、在火焰面上燃料与氧的浓度为0；4、无辐射和体积力；5、热物性为常数。液滴燃烧与蒸发基本方程连续和动量组分质量和能量处边界条件边界条件constpconstGvrvr0022440rr000000)(vvYdrdYDssssswdrdYDrdrdrdrdYv)(122sspQwdrdTrdrdrdrdTvc)(1220vv)0,;1,(FsFs)4/()(20000rGqqvdrdTeerinerineroxoxprFgYYYYYYTT;;0;和纯导热方程的区别：有导热/扩散和反应相； 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面处有斯蒂芬流。运用连续方程和内边界条件：以及表面到任意半径处可得：ssswrdrdYDrdrdGYdrd224)4()(022[1]44rFFFrdYGYrDrwdrdrdrwrdrdYDrGYoxrroxox02244FoxwwsspQwrdrdTrdrdTGcdrd224)4()(drQwrdrdTrqTTcGssrrep022044])([液滴纯蒸发对纯蒸发，反应率为零，将上述一阶微分方程由液滴表面到半径为无限大处积分，可以得到蒸发率表达式。])(1ln[200egppqTTccdG00011ln2FFYYDdG当时1Le00001)(]1ln[2FFegppYYqTTcBBcdG]1ln[~~~0BGGdGBBB~]1ln[1时，高温下静止液滴蒸发时间在准稳态下，液滴表面的蒸发速率G就是单位时间内液滴质量的减少量2003244ln(1)2ln(1)()62llGrvarBadBddddGddd4ln(1)lddaBd00,,0rddd2208ln1laddB8ln1laKB当燃料成分和蒸发条件一定时，K为常数（称为蒸发常数）220ddK22008ln(1)lrddKaB液滴完全的蒸发时间r为液滴完全的蒸发时间r为有燃烧时的液滴蒸发运用Zeldovich转换，得到综合浓度Z的输运方程，其中无反应源项。在Le=1时，可以把扩散和能量方程合并，得到有燃烧时的蒸发率表达式。G=inv（反应动力学）；T0近似等于但小于Tb。，综合扩散方程和能量方程1LeQYTcZoxoxpdrdzcrQYqZZGpoxoxe2004])[(]1ln[2000oxoxepQYqZZcdG])(][1ln[20000oxoxeoxoxoxppQYqQYYTTccdG]1ln[2]][1ln[200000,fpeppoxBcdqTTccdGYpoxoxmempfcQYTTqTTcB//)(0扩散燃烧]B1ln[2f0pcdG第三节强迫气流中的液滴蒸发和燃烧——折算薄膜理论有相对速度存在将引起：1、液滴周围不再是球对称的Stefen流了；2、包围液滴的火焰呈卵形，而不是球形。工程上采用一种近似方法——“折算薄膜”的概念基本思想：把一个真实的二维轴对称对流传热、传质问题转化成一个假想的等值球对称分子导热与扩散问题。第一步：先不考虑蒸发和燃烧，把液滴看成是只和气流有对流换热的固球，并把这一真实的对流换热转化成一个假想的等固值球的导热过程，对流传热等价于其中的导热；第二步：不考虑对流的存在，只研究这个假想的有分子导热与扩散的球层内的蒸发和燃烧，从而找到蒸发和燃烧速率。)()(001010*20TTrrddTThdQ)/(/011*0**rrdNudhNu)2/(**01NuNudd01*1*2ddNudNuvdvvNu/RePrRe6.020033.05.0*Ranze-Marshell公式强迫对流下的液滴蒸发率用折算薄膜半径来代替无限大外边界，可以得到强迫对流下的，有无燃烧的液滴蒸发率斯蒂芬流削弱传热传质，燃烧增强传热传质])(1ln[0*0egppqTTccNudG])(1ln[0*0emppqTTccNudG)](/[02000TTddGqhdNugeBBNuTTddqBcNudNuNugepe/]1ln[)(]1ln[*0200*0BBNuNuNuff/]1ln[**NuNu定义高强度蒸发有燃烧的蒸发：低强度蒸发：滴径平方的线性递减率Sreznevsky定律（d2-Law）对同样的燃料，若环境温度和氧浓度不变，忽略Nu的变化，则滴径平方的线性递减率成立轻油在高温空气中蒸发或燃烧，K近于1mm2/s，200微米液滴寿命0.04秒dtdddddddGt)(4)2/(2010012010204)(dGdtddKffKKconstKconstK,;tKddKtddfoo2222)1ln(4);1ln(41*1*fpfpBcNuKBcNuK蒸发常数fososKdKd//22液滴生存时间理论分析的结论液滴蒸发率正比于液滴直径和气体导热系数液滴蒸发率正比于ln（1+B）或ln（1+Bf）液滴蒸发率正比于相对速度的平方根无论有无燃烧，液滴蒸发率均与反应动力学无关只有对不变的环境氧浓度，温度和Nu数，滴径平方的线性递减率成立实验结果液滴蒸发和燃烧有四种状态：全包火焰；半包火焰；尾部火焰；纯蒸发蒸发过程大致符合d平方定律。煤油，辛烷，柴油，石蜡烷，重油的蒸发常数为0.96，0.95,0.79,0.7和0.5压力大于1atm时,K和p的0.25次方成正比，小于1atm时，几乎和压力无关全包火焰和纯蒸发时，K和相对速度的1/2次方成正比K和环境温度的关系不是ln（1+B），而是B2液雾燃烧液雾燃烧类型预蒸发型气体燃烧：例如当进口空气温度较高，喷嘴离稳定区距离较远，液雾较细，就接近于这种情况。滴群扩散燃烧：当进口空气温度较低，液雾不太细（或挥发性较差），到达燃烧区前蒸发量较少则形成滴群扩散燃烧。复合燃烧：液雾中较细的滴在燃烧区前方预先蒸发掉，形成一定程度的预混火焰，而比较粗的滴到达燃烧区时尚未蒸发完毕，继续进行滴群扩散燃烧。液雾燃烧模型雾滴燃烧模型基于雾滴运动、蒸发和燃烧进行一维分析滴群扩散燃烧模型滴间扩散燃烧模型局部均相流（LHF）模型考虑气液两相间的相互耦合及燃烧空间分布的不均匀性。液雾燃烧模型分离两相流(SF)模型离散液滴（DDM）模型连续液滴（CDM）模型连续介质（CFM）模型一维滴群扩散燃烧（Port模型）Probert的一维滴群扩散模型是：认为滴群燃烧是以单液滴扩散燃烧进行的，考虑滴径分布的不均匀性，忽略滴与气体之间的相对速度变化，假定w=u=const，忽略液滴的预热升温过程。假定初始滴径分布符合Rosin-Rammler分布，即Probert认为任何一个t瞬间只剩下尺寸大于那些滴，而尺寸大于的未燃烧的滴的重量百分数应是：按照扩散燃烧的概念，蒸发与燃烧同步，则燃烧完全度应为：用数值积分对上式进行计算，可以找到：tkftkftkoioioiifdddddRdd33soidddetddddnoiddsoinoi12322421stn,由上图可见，液滴雾化细度、液滴燃烧快慢以及雾化不均匀度都对液滴燃烧速度，即燃烧完全度有影响。但是（即反应雾化细度及液滴燃烧常数的综合影响因素）的影响更大。雾化不均匀度n也有影响。对于均匀滴径的情况，则有：由图可知，均匀滴径时的上升最快，即液雾燃烧得最快。事实上，由于一开始不可能所有的滴立即同时着火，而且燃尽时又不断有滴的灭火发生。因此，实际的燃烧完全度应低于按上述模型估算的燃烧完全度。s2330111stdd一维滴群扩散燃烧（Spalding-Priem-иляшенко模型）该模型只要用来估算液体火箭发动机燃烧室中燃烧完全度和燃烧室的长度。这类模型可以同时考虑液滴尺寸分布的不均匀性、液滴的加速及预热升温。该模型的基本假设：燃烧室中或液雾火焰是等温的；忽略滴的扩散；液滴按直径分组，每一组用平均滴径d1、d2、d3…..di表示，分别考虑各组滴的运动和蒸发；液滴温度是逐步升高的。液滴在一开始是预热升温，之后开始蒸发、燃烧。关于液滴的预热升温，有两种不同的考虑方法：Priem等人认为液滴的内部有强烈环流，因此内部换热很快，各个瞬间滴表面和滴中心温度是一致的。预热过程中液滴一边升温一边蒸发，环境传给液滴的热量等于液滴蒸发消耗的热量和液滴升温消耗的热量，即：当液滴温度达到平衡温度以后，则认为液滴内部不再吸收热量，这时有：gqdtdTCdplli136gq另一种观点认为：液滴与其大部分生存期内，其内部与表面温度不一致，预热升温阶段可以忽略。按照这种观点，在预热阶段中滴内部的温度场取决于不稳定导热。直到液滴内部温度等于平衡温度T0，预热完毕，蒸发开始。直径为di的第i组液滴的运动方程：直径为di的第i组液滴的蒸发方程：（9-156）（9-155）34jiiiiiilCdvdvvvvdtdxd22*004ln1iiipjTilpddddCTTNuvdtdxCq气相速度沿x变化取决于连续方程。含滴群的两相流的物质守恒关系为：是气体在两相流中的似密度，它和真实密度之间的关系为：设液雾很稀薄，则有。于是式（9-157）可改写为：这样便可由式（9-155）,（9-156）,（9-158）进行联立求解，求得三个未知数：，从而求得燃烧效率：（9-158）（9-157）constFGmNduiilig63ggggiiggNd613iiligNdm63iid、、oioiiiNdNd331一维滴间燃烧的Misse模型Misse模型认为：液滴蒸发时不形成扩散火焰，燃烧是在离滴较远的空间中进行。基本假设有：燃烧室中温度和气流速度不变，即：液滴速度和气流速度一致，蒸发常数不变，即初始滴径不变；反应为n级反应。constconstTTconstconstdtddk2按照这样的假设，dx距离内或时间内的燃烧完全度为：当n=1时，积分式（9-160）得：当n≠1时，只能进行数值积分。（9-160）3030320111nnERTnsfddkedtdftdt321213231112314cscstcssstssccssctteteerferfdxdt局部均相流模型（LHF）忽略气相和液相间的滑移，用局部均相流来计算湍流喷雾火焰长度的方法。假定流场命各点处两相都处于动力学和热力学平衡状态，具有相同的速度和温度，并处于相位平衡。Thring和Newby提出，Feath进一步发展。该方法未能真正地考虑液滴与气相的相对速度的影响，它的应用范围有限。分离两相流模型以于考虑了两相间有限的输运特性，是日前发展最为合理的模型、将两相流的湍流模型与浓度、温度与速度梯度等联系起来考虑的研究方法，近年发展非常迅速。液雾燃烧模型分离两相流(SF)模型离散液滴（DDM）模型•确定型分离流模型（DSF）•随机分离流模型(SSF)连续液滴（CDM）模型连续介质（CFM）模型离散液滴（DDM）模型单元内颗粒源模型(PSICM)或离散液滴模型(DDM)。液雾用有限的粒径分组数来表示，在Lagrange坐标系中跟踪颗粒群在流场中的运动和输运，在Euler坐标系中求解气相控制方程组，液滴对气相的作用是以源项的形式引入气相守恒方程组。确定型分离流模型（DSF）确定型分离流模型(DSF)在此模型中，考虑了滑移和相间的有限输运速率，但忽略湍流引起的液滴扩散效应以及湍流对相间输运速率的作用，假定液滴只与气相时均运动有关。随机分离流模型(SSF)定型分离流模型(DSF)考虑了颗粒相和连续相之间的滑移，但忽略了湍流脉动对粒子运动的作用。为了同时处理滑移和湍流脉动的作用，已发展好几种随机分离流模型。离散液滴（DDM）模型连续液滴模型连续液滴模型可以用分布函数fj(r,x,u,t)给出液滴温度等参量的概率分布值。将fj的输运方程与气相守恒方程一并求解，便可得比喷雾的全部特征，与DDM类似．气相控制方程同样应包括合适的附加源项。连续介质模型将液滴和气相的运动都视为相互穿透的连续介质来处理．用两相连续介质控制方程的表达式来模拟喷雾的燃烧和气化，采用这种方法，两相的控制方得都是相似的．但欲描述液滴的温升过程，在湍流应力和液滴的湍流扩散等的表述还存在着很多的困难：