内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)讲解.pptx

内燃机燃烧学基础 气有浩然，学无止境 求真务实，开放拓新 2014年11月30日 主讲人:李国祥 教授 博导 白书战 副教授 博士 第七章第七章 液体燃料的雾化和蒸发液体燃料的雾化和蒸发 燃料的雾化和蒸发对燃烧过程有着重要影响 液体燃料要汽化，需要破碎成更小的液滴，增加比表面积 柴油机的喷油、雾化、蒸发等过程只占一个循环中几十度曲 轴转角，在如此短的时间内，必须有足够的燃料蒸发完毕并 与空气进行混合，为燃烧做好物理准备 液体燃料的雾雾化有多种方式：压压力 雾雾化、启动雾动雾 化、撞击雾击雾 化 柴油机实际应实际应 用的各种喷喷嘴，都属 于压压力雾雾化：利用高压压使液体燃料 从喷喷嘴的小孔中高速喷喷出，由于液 体自身的紊动动和液体与周围围介质质的 相互作用，液体燃料碎裂成大量的 小雾雾滴 喷雾喷雾 的研究内容： 从喷喷嘴喷喷出的燃料是怎样雾样雾 化的，雾雾化质质量如何评评价和 受哪些因素影响 燃料碎裂成液滴以后什么样样的规规律运动动，它们们和周围围介 质质怎样样相互作用 液滴的蒸发过发过 程如何 7.17.1 液体燃料的雾化特性液体燃料的雾化特性 物理描述 对于喷雾外形的宏观特点，可用贯穿度和扩张角来描述，有 时还用“分散度”来描述在喷雾空间中燃料分布的情况 液滴本身的雾化质量，则通常是用粒度和均匀度来表征，代 表着喷雾的特性 柴油机的喷雾特性，一方面取决于喷嘴的性能，是喷嘴性能 的直接体现，另一方面又与燃料性质、气缸内的空气运动等 互相配合，决定着燃料的蒸发、混合以及燃烧过程，最后对 发动机性能产生重大影响。

雾化的粒度和均匀度对喷雾的贯穿度也有影响，雾滴大时， 贯穿度也大 平均粒径 从喷喷嘴喷喷出的液雾雾中含有大量尺寸不同的雾雾滴，为为了在总总体 上表征雾雾滴的大小，常需把这这些尺寸不同的雾雾滴折合成某一 平均值值 算术术平均直径 索特平均直径： 其他常用的平均直径 雾雾滴的尺寸分布 喷雾喷雾 中含有大量不同尺寸的雾雾滴，若把雾雾滴直径分成若干尺 寸段，求出各尺寸段中雾雾滴个数等参数与尺寸的函数关系， 即得出雾雾滴的尺寸分布，又称粒度分布按不同的方式整理 实验实验 数据，可以得到不同形式的分布曲线线 频频数分布曲线线 设设直径在D至D+dD范围围内的液滴数为为dN，则则在此直径范围围 内的频频数为为 频频数分布也成液滴数量的微分分布 频频率分布曲线线 将频频数除以总总液滴数N，即得频频率： 频频率分布即某尺寸范围围内液滴个数在全部液滴中所占分数的 微分分布 类类似的，还还可求出液滴体积积（或质质量）分数的微分分布，称 为为体积积增量分布 累积频积频 率分布曲线线 直径小于某一特定尺寸的液滴出现频现频 率 称为为累 积频积频 率，实验实验 中常用累积积体积积分数 它代表直径小于某一特定尺寸D1的液滴所占体积积分数，如图图 所示，Vc为为液滴的总总体积积 直径大于某一特定尺寸的液滴所占体积积分数，称为为剩余体积积 分数， 液体燃料是不可压缩压缩 流体，体积积分数实际实际 上与质质量分数是相 同的。

在Vc-D图图上，R=50%对应对应 的直径以D50代表，相应应的D10和 D90也代表Vc=10%和Vc=90% D50就是指中间间直径MMD 在频频率分布和剩余体积积分布两者之中，通常可根据所选选用测测 试试方法的特点，视视其方便与否，首先求出一种，另一种便可 换换算出来，同时还时还 可算出体积积增量分布 根据这这些分布可直接定出许许多表征雾雾化粒度的参数，如中间间 直径MMD，算术术平均直径D10，索特平均直径SMD等，对对 应应的频频率分布曲线线峰值值的液滴直径也可求出 同时还时还 可得出表征雾雾滴均匀性的一些参数 因此雾雾滴尺寸分布的测测定，可看作是雾雾化特性试验试验 研究的中 心内容 粒度分布的实验实验 方法： 凝固法 摄摄影法 散射法和衍射法 浸液法 印痕法 直接测测量液滴尺寸为为基础础 测测量与液滴有关的其他物理量，换换算出液滴 直径 分布函数 分布函数：是一种可以用来拟拟合前述液滴直径分布 实验实验 曲线线的解析式通常包含两个主要的待定常数 ，须须有实验实验 求得，其中一个可用来表示滴径的大小 ，另一个表示雾雾滴的均匀性 代表滴径大小的常数与常用的算术术平均直径、索特 平均直径并不相同，习惯习惯 上很少应应用，但在某些分 布函数中，他和索特平均直径等有一定的简单换简单换 算 关系。

若分布函数已确定，即可把索特平均直径求出 罗罗森-拉米勒分布（R-R分布） 剩余体积积分数 索特平均直径可表示为为 上限分布函数（ULDF） 这这种分布拟拟合较较准确，但是复杂杂 计计算平均液滴直径的经验经验 公式 棚泽泽泰公式 喷喷嘴直径、喷喷射速度、燃料表面张张力、燃料的粘度、燃料的 密度、环环境介质质密度 神本修正公式 C为为修正常数，dn=0.2mm时时，C=0.721 dn=0.3mm时时，C=0.455 利舍夫斯基公式 注意单单位要统统一 莱特公式 广安博之公式 索特平均直径随着喷喷油速度的变变化 喷喷油速度越大，粒径越小 但喷喷油速度对对粒径的影响规规律相当复杂杂 不同喷喷油速度下的喷雾喷雾 7.27.2 液滴的蒸发液滴的蒸发 2014/11/3026 一些一些应应用用 柴油机、火箭、燃气轮机、燃油锅 炉、工业窑炉、加热器 喷雾 燃烧---而不是---单个液滴燃 烧 在研究复发火焰之前，了解单个液 滴的燃烧是必要的 2014/11/3027 2014/11/3028 柴油机柴油机 柴油发动机有两种基本类型：间接喷射型和直接喷射 型 间接喷射的内燃机，燃料首先注入预燃室，燃料液滴 开始蒸发并和空气混合。

一部分燃料空气混合物自燃 形成非预混燃烧随着热量的释放，预燃室压力升高 ，将里面各组分通过气管或孔压到主燃室在主燃室 里这些部分反应后的燃料空气混合物及一些剩余的燃 料液滴，与新加的空气混合，进行完全燃烧 直接喷射的内燃机，燃料是由一个多孔燃料喷射器来 导入的 2014/11/3029 燃料空气的混合是在燃烧烧区里由喷喷射进进程和空气流 动动同时时控制的从前面可以看出，内燃机燃烧烧既有 预预混模式又有扩扩散模式柴油机所用燃料比火花点 燃所用燃料挥发挥发 性差，但更容易点燃 燃料蒸发发及其与空气混合的速率对对形成自燃的化学 反应应速率有很大影响因此，最先注入燃烧烧室的燃 料，在它成为为点燃源（已经经自燃的气体）前会先预预 混并生成预预混火焰；而后注入的燃料就会在扩扩散模 式下燃烧烧，因为为当燃料喷喷射时时已经经有点燃源（已 经经生成的火焰）存在很明显显，液滴的蒸发发和燃烧烧 在直接和间间接喷喷射的发动发动 机里都很重要 2014/11/3030 燃气燃气轮轮机机 使用液体燃料的燃气轮 机是航空器中最主要的 动力设备右图就是 一个航天涡轮发动 机 的内部结构图尽管 燃烧器在发动机系统 中起着关键作用，它占 用的空间小得令人惊 讶。

在环形的燃烧器 中，燃料喷入并被雾 化由于旋转空气形成 了一个回流区，火焰特 别稳定 2014/11/3031 industrial gas turbinesmicro gas turbines 2014/11/3032 航空燃气轮机燃烧器的设计要考虑以下几个因素： 燃烧效率，燃烧稳定性，高处再燃能力，排放等 值得一提的是，航空发动机采用非预混燃烧系统， 由接近化学当量的一次风火焰区，接合二次风以彻 底燃烧并在产物进入涡轮前稀释到合适温度 2014/11/3033 一些设计和实验系统采用不同程度的预混来避免 高温NOx形成区预混燃烧要先将燃料气化并混合 部分空气，然后混合物进入高温燃烧区，点燃并燃 烧上图描述了一个航空用燃气轮机燃烧器的一次 风区、二次风区以及稀释区 2014/11/3034 在这里研究的所有燃烧设备中，现代火箭发动机中的燃烧过程是 最剧烈的，也就是说，单位体积的燃烧空间释放了最多的能量 有两种类型的液体火箭：压力供料，这类火箭的燃料和氧化剂在 高压气体作用下被推入燃烧室；泵供料，由涡轮泵提供推动力 这两种方案如上图 液体火箭发动机 2014/11/3035 起源于中国 2014/11/3036 液体火箭发动机 2014/11/3037 2014/11/3038 不像前面讨论过讨论过 的其他燃烧设备烧设备 ，火箭发动发动 机的氧化剂剂 是液体，燃烧烧之前要求燃料和氧化剂剂都汽化。

一种通常 的喷喷射器方案是由两种液体喷喷射撞击击合成一个液体膜 这这个片很不稳稳定，容易发发散成线线或带带状，然后分裂成液 滴 另外，需要用很多喷喷射器来分配燃烧烧室直径方向的推动动 物及氧化剂剂预预混和扩扩散燃烧烧在火箭发动发动 机燃烧烧中都很 重要由于检测检测 燃烧烧器的内部非常困难难，对对燃烧过烧过 程的 细节细节 知道得也相对对要少使用激光探测测器及其它技术术研 究火箭燃烧烧室中的进进程的工作仍在继续继续 液滴喷喷入静止或流动动的高温空气中，会出现现 两个过过程： 由于空气阻力，液滴与空气间间相对对运动动的速度减 小 介质质的热热量传递给传递给 液滴，使其蒸发发 两者同时进时进 行，相互影响 相对对速度将影响传质过传质过 程，而液滴蒸发产发产 生的物 质质流又会影响边边界层层的状态态，因此对对液滴受到的 气体阻力也有影响 将一个液滴放入高温气体中，液滴内部和环环境中的温度、燃 料组组分将出现现如图图所示的分布 蒸发单发单 位质质量液体的热热平衡： 在蒸发发开始阶阶段，传传向液滴内部的热热流较较大，液滴一边边蒸 发发，一边边升温，但随着温度的升高，蒸发发速度也增大，物质质 流带带走的热热量增多，用来使液滴升温的热热量愈来愈少，而液 滴的温度将趋趋近于一个稳稳定值值。

这这一温度称为为“平衡温度”， 因此此时时的蒸发过发过 程可看作是定常的 Wakil得出的液滴相对对速度、温度和蒸发发量随时间变时间变 化的曲 线线液滴的初始直径为为50um，温度为为283K，速度为为30m/s 可以将蒸发发分为为两个阶阶段，开始是不稳稳定阶阶段，随后是稳稳定 阶阶段 2014/11/3042 假假设设 下面的这这些关于热热气体中液滴蒸发发的假设经设经 常 会用到，因为为它们们能极大的简简化问题问题 ，主要原 因是排除了处处理质质量传递传递 的必要，而且仍与实实 验结验结 果符合得很好 1、液滴在静止、无穷穷大的介质质中蒸发发 2、蒸发过发过 程是准稳态稳态 的这这意味着蒸发过发过 程在任 一时时 刻都可以认为认为 是稳态稳态 的这这一假设设去掉了处处理 偏微分方程的必要 3、燃料是单单成份液体，且其气体溶解度为为零 2014/11/3043 4、液滴内各处处温度均匀一致，而且假定该该温度是燃料 的沸点， Td=Tboil 在许许多问题问题 里，液体短暂暂加热过热过 程不会对对液滴寿命有很大影响而且许许多严严密的计计算 证证明，液体表面温度只比液体在燃烧烧条件下的沸点略 低。

这这一假设设去掉了求解液相（液滴）能量方程的必 要，而且更重要的是，去掉了求解气相中燃料蒸气（组组 分）传递传递 方程这这一假设设的隐隐含条件是Td Tboil 在 我们们随后的分析中，当我们们去掉液滴处处于沸点这这一假 设设后，你会发现发现 分析起来会有多复杂杂 5、我们们假设设二元扩扩散的Lewis数具有一致性（ =D ）这这使得我们们可以使用以前介绍过绍过 的简单简单 的Shvab- Zeldovich能量方程 2014/11/3044 6、我们还们还 假设设所有的热热物理属性，如热传导热传导 系 数、密度、比热热等都是常数虽虽然从液滴到周围远围远 处处的气相中，这这些属性的变变化很大，但常属性的假 定使我们们可以求得简单简单 分析解在最后的分析中， 对对平均值值合理的选择选择 可以得到相当精确的结结果 液滴的稳态稳态 蒸发发 静止介质质中的传热传热 和传热传热 具有相似性 液滴蒸发问题发。