燃燒學擴散燃燒及火焰演示文稿目前一頁\總數三十九頁\編于五點燃燒學擴散燃燒及火焰目前二頁\總數三十九頁\編于五點概念擴散燃燒基本概念

燃料和氧化劑分別送入燃燒室，燃燒過程是邊混合邊燃燒。也即燃燒時燃料與空氣尚未混合，而是邊擴散邊燃燒，燃燒所用的氧氣全靠外界擴散獲得，稱為擴散控制燃燒，擴散燃燒，其火焰稱為擴散火焰。目前三頁\總數三十九頁\編于五點特征燃燒過程的進展包括兩方面：燃燒氧化的化學動力過程和燃料與氧化劑混合的過程。根據燃燒過程進展條件的不同：燃燒過程化學動力燃燒

（混合速度大于燃燒速度）擴散燃燒

（混合速度大于燃燒速度）基本性質：控制燃燒速率的

是混合過程的快慢。（更為常見）目前四頁\總數三十九頁\編于五點分類氣體擴散燃燒擴散燃燒液體噴霧燃燒層流擴散燃燒（分子擴散）湍流噴霧燃燒（渦團擴散）目前五頁\總數三十九頁\編于五點5.1擴散燃燒火焰的類型

按照燃料與空氣分別供入的方式，擴散火焰可以有：

a）自由射流火焰

(freejetflame)

b）同軸流擴散火焰（受限射流擴散火焰）

(concentricjetflame)

c）逆向噴流擴散火焰

(counter-flowdiffusionflame)

層流射流擴散火焰紊流射流擴散火焰優點：不會發生回火現象，穩定性又好，在燃燒前又不必要把燃料與氧化劑進行預先混合，操作方便，所以在工業上應用很廣。

目前六頁\總數三十九頁\編于五點5.2氣體擴散燃燒火焰一、基本概念

擴散火焰分布在寬度很小的區域中，在這一區域中，燃料氣和氧化劑互相擴散，它們最初是分開的。已燃氣體從一個燃燒區散布到另—個燃燒區，因而燃料氣和氧化劑需要穿過形成的已燃氣層，以便在點燃后相互接觸。目前七頁\總數三十九頁\編于五點著火前燃料氣和空氣分子的擴散過程目前八頁\總數三十九頁\編于五點著火后燃料氣與空氣向燃燒產物中的分子擴散

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散速度和活性中心的擴散速度。

目前九頁\總數三十九頁\編于五點實驗現象富氧擴散火焰：火焰表面逐漸收縮到圓管的軸線上，成為圓錐形火焰。貧氧擴散火焰：空氣中的氧氣不足，這時火焰擴展到外管的壁上形成喇叭形的。

同心圓管內的擴散火焰

空氣燃料空氣1-富氧火焰2-貧氧火焰現象解釋：一個穩定的火焰邊界只能是燃料和氧化劑按化學計量比混合的表面，在火焰邊界上不能有過剩的空氣，也不能有過剩的燃料，否則，火焰邊界的位置便不能穩定。目前十頁\總數三十九頁\編于五點

擴散火焰只有在燃料與氧化劑以化學劑量比混合的表面上才是穩定的。目前十一頁\總數三十九頁\編于五點二、擴散火焰高度

1.實驗觀察

火焰特征隨氣流噴射速度的變化

目前十二頁\總數三十九頁\編于五點層流擴散火焰推導依據：燃料通過圓管的質量流率M1與層流擴散混合的燃料質量M2成比例。2.數學模型火焰高度噴管尺寸（直徑d）流率（u）

（5-2）目前十三頁\總數三十九頁\編于五點湍流擴散火焰

用湍流渦團擴散系數ε代替（5-2）式內的層流擴散系數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、湍流渦團擴散系數無關，即L/d=定值。實驗結果證實了這一點。

目前十四頁\總數三十九頁\編于五點5.3液體燃料的噴射燃燒火焰

燃燒氣態蒸發燃料霧化原因：使燃料破碎成細小的液滴以擴大它與空氣接觸表面，同時還盡可能將液滴合理地分布在燃燒室空間內，強化液體燃料的燃燒，滿足燃燒性能好的要求。

因此，液體燃料的噴射過程、噴霧特性對擴散燃燒性質及燃燒效率都有重要影響。目前十五頁\總數三十九頁\編于五點一、燃料霧化的噴射特性霧化定義靠外界作用將連續的液流破碎成霧狀的油液滴群的過程。液體燃料的噴射霧化方法用機械方法或用壓縮空氣對燃料加壓噴散到燃燒室內；對燃料施加高壓并用旋轉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生飛濺破碎等等。目前十六頁\總數三十九頁\編于五點燃油的破碎機理通過噴孔或環形縫隙，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波紋和擾動；在上述表面波和擾動的作用下，在油柱或油片的表面形成油線或空洞；

油線的分裂(collapse)或空洞的擴大產生較大的油滴；由于大油滴在各種外力(運動液體的慣性力，氣體動力，表面張力，粘性力等)的作用下發生振動，分散成小油滴；小油滴之間的碰撞可能產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)。目前十七頁\總數三十九頁\編于五點噴霧特性燃料噴射到靜止空氣中的影像

目前十八頁\總數三十九頁\編于五點空間輪廓(長度、寬度、噴射的錐角，輸送的空氣或氧氣的速度場等)；噴射橫截面上的液體分布；霧化液體的液滴大小；霧化液體液滴大小的均勻性。

θ噴油器LB目前十九頁\總數三十九頁\編于五點1.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線的兩條切線之間的夾角Sitkei給出的經驗公式：

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度比也可增大。目前二十頁\總數三十九頁\編于五點

噴霧油束的貫穿距離(spraypenetration)——

在給定時間內，油束頂端實際到達的位置與噴油嘴噴孔間的距離稱為噴霧油束的貫穿距離。

經驗公式：分析：1°噴射壓差↗：u0

↗L↗2°噴孔直徑d0

↗

：液滴直徑dp

↗L↗

3°ρa、μa

↗

：空氣阻力↗

L↘

4°ρf

、μf

↗

：液滴直徑dp↗

L↗

目前二十一頁\總數三十九頁\編于五點2．噴霧油束的燃油分布特性

燃油分布特性：通過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律來反應。燃料濃度分布

：rx目前二十二頁\總數三十九頁\編于五點軸線上：橫截面徑向上：Cfm——

r=0處軸線上的燃料濃度值h——

常數，綜合反映具體噴射過程的各種因素的影響，通過試驗來確定。濃度分布特點：在橫截面內燃料濃度沿徑向分布服從正態分布規律。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，離噴孔越遠的橫截面內燃料濃度變化越小，以至整個截面趨于均勻。目前二十三頁\總數三十九頁\編于五點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。

經驗公式（柴油機）：總體積及表面積平均直徑

[索特（Sauter）平均直徑]算術平均直徑

體積平均直徑

表面積平均直徑

（最為通用）目前二十四頁\總數三十九頁\編于五點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量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函數關系表示。液滴尺寸分布曲線——液滴數量的微分分布。常用的噴霧油束液滴尺寸分布函數有：(1)羅森(Rosin)—瑞姆勒(Rammler)分布函數；(2)拔山—棚澤分布函數。液滴直徑液滴數量液滴直徑目前二十五頁\總數三十九頁\編于五點二、單液滴燃燒(蒸發和燃燒）

破碎后的油滴置于高溫含氧介質中所發生的變化：1）油滴的蒸發燃燒

——

油滴在不很高的溫度下，蒸發成氣態后，與氧氣分子接觸達到著火溫度著火燃燒。（蒸發速度、燃燒速度）2）油滴的熱解和裂化——

和氧接觸前便達高溫、熱解、產生固體碳和氫氣（燃油爐子所見到的黑煙）；未蒸發前劇烈受熱，發生裂化，產生焦粒或瀝青（重油燒嘴的“結焦”現象）。目前二十六頁\總數三十九頁\編于五點高溫氣流中液滴的蒸發蒸發模型假設(1)液滴是球形的，由一高溫球面所包圍，相當于包圍燃燒油滴的狹窄燃燒區，見圖所示；(2)蒸發是穩定過程；(3)蒸發率決定于液滴的加熱速率；(4)蒸發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)通過傳熱和擴散，液滴達到稍低于液體沸點的溫度；(6)蒸發過程是等壓的；(7)燃料蒸發和周圍介質氣體滿足理想氣體定律；(8)導熱系數不隨溫度而改變；(9)不考慮輻射和對流熱損失；(10)在液滴附近，燃料濃度和溫度隨離開液滴中心的距離作線性變化。目前二十七頁\總數三十九頁\編于五點理論計算1°質量蒸發率對于半徑為r

的球面，由熱量平衡可知：導熱率油的質量蒸發率油滴的氣化潛熱油滴表面溫度

液滴直徑的無限小，兩邊對r求導數：目前二十八頁\總數三十九頁\編于五點對球形火焰區積分，即從r0到r（r≤r1），從T0到T（T≤T1）：（5-19）導熱熱量被用作蒸發熱，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）目前二十九頁\總數三十九頁\編于五點2°蒸發時間

通過上式我們可求出對于給定直徑的油滴完全蒸發所需的時間，這個時間稱為蒸發時間或油滴生存時間，油滴蒸發時間對燃燒室設計來說是一個很重要的參數。對于半徑為r0的油滴，其質量：（5-22）（5-23）對r0微分：將式(5-21)代人：（5-24）目前三十頁\總數三十九頁\編于五點r1>r0，故可以忽略：

（5-25）將上式自0到t，r0到r之間進行積分：

（5-26）（5-27）（5-28）——蒸發常數

目前三十一頁\總數三十九頁\編于五點

油滴的燃燒過程

油滴燃燒示意圖目前三十二頁\總數三十九頁\編于五點

根據油滴擴散燃燒理論獲知，油滴的燃燒速度決定它的蒸發速度。

油蒸發速度，也就是在單位時間蒸發的油汽量應該與氧從周圍向火焰面擴散的數量相等，或者說與氧的擴散速度有著如下的關系：

（5-30）氧與燃油的化學當量比從無窮遠處(r=∞)與火焰面(r=r1)之間積分：目前三十三頁\總數三十九頁\編于五點（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，從油滴表面上蒸發的油汽量，也就是它在單位時間內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。目前三十四頁\總數三十九頁\編于五點令：（5-34）（5-35）（燃燒速度常數）

油滴在燃燒過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