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内燃机燃烧基础课件(液体燃料的雾化和蒸发)讲解.pptx

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    • 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。

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