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第八章 液体燃料燃烧

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第八章 液体燃料燃烧

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  1. 第八章 液体燃料燃烧 要求:了解液体燃料的燃烧过程,掌握燃油雾化机理、离心喷嘴的工作原理及喷嘴的雾化特性,掌握油珠、油雾燃烧特性,了解液体燃烧装置工作过程。

  2. 液体燃料燃烧系统 第一节 液体燃料燃烧过程 1、供油系统 2、供气系统 3、燃烧系统

  3. 液体燃料燃烧特点 第一节 液体燃料燃烧过程 1、扩散燃烧 2、非均相燃烧 • 液体燃料燃烧过程 1、雾化  2、蒸发  3、掺混  4、燃烧

  4. 燃油雾化现象 第二节 燃油雾化过程

  5. 燃油雾化现象 第二节 燃油雾化过程

  6. 燃油雾化现象 第二节 燃油雾化过程

  7. 燃油雾化过程 第二节 燃油雾化过程 • 液体由喷嘴流出形成液柱或液膜。 • 由于液体射流本身的初始湍流以及周围气体对射流的作用(脉动、摩擦等),使液体表面产生波动、褶皱,并最终分离出液体碎片或细丝。 • 在表面张力的作用下,液体碎片或细丝收缩成球形油珠。 • 在气动力作用下,大油珠进一步碎裂。

  8. 油珠破碎过程 第二节 燃油雾化过程 气动力 表面张力

  9. 油珠破碎准则 第二节 燃油雾化过程 两种力: 外力:气动力、惯性力 内力:表面张力、粘性力 油珠破碎

  10. 一、喷嘴类型 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 直流喷嘴 离心喷嘴 气动喷嘴 旋转喷嘴

  11. 直流喷嘴 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 特点: • 结构简单,尺寸紧凑,安装布置方便 • 雾化角小,雾化质量差 • 多用于加力燃烧室、冲压发动机等

  12. 离心喷嘴 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 特点: • 雾化锥角大,雾化质量好 • 采用双油路,可获得更大的供油能力

  13. 离心喷嘴 第三节 燃油雾化装置-喷嘴

  14. 气动喷嘴 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 特点: • 雾化质量高 • 排气冒烟少 • 贫油熄火范围窄 • 可采用特殊的气化剂

  15. 其它喷嘴 第三节 燃油雾化装置-喷嘴

  16. 一、喷嘴类型 第三节 燃油雾化装置-喷嘴

  17. 二、离心喷嘴理论 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 1944年前苏联的阿勃拉莫维奇教授提出了离心喷嘴理论: 基本假设: • 流体为无粘性的理想流体; • 不计喷嘴内部流动的径向分速度; • 喷嘴处于最大流量状态工作。

  18. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论

  19. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 空气涡核 离心式喷嘴内理想流体的伯努利方程 根据连续方程,燃油在切向孔内的流动速度为 不计粘性时,流体的动量守恒,故有

  20. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 轴向速度   由于空气核的存在,燃油在喷嘴出口处的实际流通面积为一圆形,其值为   取轴向长度为1的环形微元体,其质量为   微元体旋转时产生离心力正好与径向压力差相平衡,故有

  21. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 积分得 (与r无关)

  22. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 以“空穴率”表示喷孔内空气核的大小,用ε表示 在燃油与空气核的交界面上有

  23. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 空气核界上的切向速度为 又据连续方程有 A称为离心喷嘴的几何特性参数,表示离心喷嘴几何相似的准则

  24. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 为轴向速度系数 流量 为流量系数

  25. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 流量系数 最大流量原理

  26. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论 雾化锥角 雾化锥角可根据轴向速度和切向速度的大小来确定

  27. 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 二、离心喷嘴理论

  28. 三、离心喷嘴设计计算程序 第三节 燃油雾化装置-喷嘴 已知条件: 供油能力(供油量)、供油温度和压力、燃油物性参数(密度、粘度) 设计程序: 1、选定雾化锥角,由此确定几何特性参数A 2、确定流量系数 3、确定喷嘴的孔径 4、确定喷嘴其它尺寸

  29. 一、油珠群的平均直径 第四节 燃油喷嘴的雾化特性 算术平均直径: 表面积平均直径: 体积平均直径:

  30. 一、油珠群的平均直径 第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Sauter平均直径: 质量中间直径MMD:   大于与小于MMD的油珠质量各占50%。

  31. 二、油珠群的尺寸分布 第四节 燃油喷嘴的雾化特性 积分分布:   小于(或大于)给定直径的油珠所具有的质量M占油珠群总质量M0的百分数 微分分布:   直径在         范围内的油珠质量所占有的百分数

  32. 三、油珠群几种典型分布 第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Rosin-Rammler: 均匀指数 P ( psi )

  33. 三、油珠群几种典型分布 第四节 燃油喷嘴的雾化特性 Nukiyama-Tanasawa: 正态分布:

  34. 四、计算SMD的经验公式 第四节 燃油喷嘴的雾化特性 离心喷嘴在静止空气中雾化: 离心喷嘴在气流中雾化: 直流喷嘴在静止空气中雾化:

  35. 蒸发或燃烧时的油珠温度 第五节 油珠的蒸发与燃烧 Twb为蒸发平衡温度(或湿球温度)

  36. Stefan流 第五节 油珠的蒸发与燃烧 在油珠表面:  为平衡空气向油珠内部的扩散趋势而产生的一个反向的流动称为Stefan流。且有: 在油珠表面上净空气通量为零

  37. Stefan流 第五节 油珠的蒸发与燃烧 Stefan流-点源:

  38. Stefan流 第五节 油珠的蒸发与燃烧 Stefan流存在的条件: • 在相的分界面上有物理或化学过程存在,这个过程要求表面排除或吸入净的质量流 • 上述净质量流不能通过单纯的分子扩散来完成

  39. 高温环境中相对静止油珠的蒸发速率 第五节 油珠的蒸发与燃烧 扩散项 Stefan流项 物质交换系数:

  40. 高温环境中相对静止油珠的能量平衡 第五节 油珠的蒸发与燃烧 加热油珠至蒸发温度 油珠蒸发 加热油蒸气

  41. 相对静止油珠的燃烧 第五节 油珠的蒸发与燃烧

  42. 相对静止油珠的燃烧 第五节 油珠的蒸发与燃烧 rf的确定: 在火焰面上:

  43. 强迫对流条件下油珠的蒸发与燃烧 第五节 油珠的蒸发与燃烧 折算薄膜:   把一个真实的二维轴对称对流传热、传质问题转化为一个假想的等值球对称分子导热与扩散问题: 1、不考虑蒸发和燃烧,把液滴看成只和气流有对流换热的固球 2、不考虑对流的存在,只研究这个假想的有分子导热和扩散的球层内的蒸发和燃烧,从而找到蒸发和燃烧速度

  44. 直径平方定律及油珠的寿命 第五节 油珠的蒸发与燃烧 设任一瞬间的油珠直径为d,经过时间后直径减小d: 直径平方定律 油珠寿命

  45. 直径平方定律及油珠的寿命 第五节 油珠的蒸发与燃烧 在强迫对流条件下:

  46. 油雾燃烧的特点 油雾中的每一个油珠所处的环境(温度与浓度等)随时间、空间不断变化 两颗油珠体系:随着滴间距离的减小,燃烧常数先增加后减小;多油珠体系:中央燃烧常数高,四周低。 第六节 油雾燃烧 1、相邻油珠释放燃烧热使周围温度增高,燃烧过程加速。 2、油珠周围的氧浓度降低,引起燃烧过程减缓。

  47. 油雾燃烧模型 第六节 油雾燃烧 预蒸发型燃烧 滴群扩散燃烧 复合燃烧 气相燃烧加液滴蒸发

  48. 油雾燃烧模型 第六节 油雾燃烧 预蒸发型燃烧   雾化液滴很细,周围介质温度高或喷嘴与火焰稳定区间距离长,使液滴进入火焰区前已全部蒸发完,燃烧完全在无蒸发的气相区中进行,这种燃烧情况与气体燃料的燃烧机理相同,液滴蒸发对火焰长度的影响不大。 加力燃烧室

  49. 油雾燃烧模型 第六节 油雾燃烧 滴群扩散燃烧   周围介质温度低或雾化颗粒较粗(或蒸发性能差),进入燃烧区时油珠基本未蒸发,只有滴群的扩散燃烧,此时反应动力学因素影响不大。 燃气轮机 内燃机

  50. 油雾燃烧模型 第六节 油雾燃烧 复合燃烧   介于预蒸发型气体燃烧和滴群扩散燃烧之间。如较常见的喷雾液滴燃烧,因喷出的雾滴大小不均匀,其中较小的液滴在火焰区前方已蒸发完,形成预混型气体火焰,较粗的液滴到达火焰区时尚未蒸发完毕,产生滴群扩散火焰。这时蒸发因素、反应动力学因素、湍流因素都将对燃烧发生作用。 火箭发动机 冲压发动机