第四章 扩散燃烧

1. 第四章 扩散燃烧 气体扩散燃烧 液体燃料的喷束 单液滴燃烧 液滴群燃烧 喷雾燃烧

2. §1 气体扩散燃烧 • 1.1 基本概念 • 一般来说，凡是燃料和氧化剂未预先混合的燃烧过程，可称为扩散燃烧，或称扩散火焰。 • 在这种火焰中，化学反应速度比由扩散引起的质量运输速度和热传导产生的能量运输速度要快的多。它的显著特点是火焰面内化学反应速度很高、燃烧区厚度很薄的面，可以当作数学中的表面处理。

3. 按照混合气流动的性质可将扩散火焰分为层流扩散火焰和湍流扩散火焰。按照混合气流动的性质可将扩散火焰分为层流扩散火焰和湍流扩散火焰。 • 层流扩散火焰的古典例子是同心圆管内的扩散火焰（参看下图）。气体燃料和空气各在直径为d和的圆管内流动，流动的线速度是相等的。这种燃烧的火焰形式可分为两类。如果供给的空气中的氧气超过燃料完全燃烧的需要量，便产生富氧扩散火焰，火焰的表明逐渐收缩到圆管的轴线上 • ，成为圆锥形火焰。反之，如果供给的氧

4. 气不足，这时火焰扩散到外管的外壁上形成喇叭形的所谓贫氧扩散火焰。气不足，这时火焰扩散到外管的外壁上形成喇叭形的所谓贫氧扩散火焰。

5. 1.2 扩散火焰高度 • 当燃料喷入空气中的速度足够高时，层流扩散火焰将转变为湍流扩散火焰。转变过程如图4-4所示。由图可以看出，在层流火焰区内，火焰高度随气流速度的增大而增高，直至达到最大值。继续增大燃料的喷射速度，则在火焰顶部开始出现不稳定的湍流火焰。进一步提高气流速度，开始转变为湍流火焰的位置迅速降低。再进一步增大气流速度，分裂点高度接近某一定

6. 值，而整个火焰的高度也近似不变。 • 下面用比较直观的方法来论证火焰高度、喷管尺寸和流速之间的关系。用d代表喷管直径，u为气态燃料的流动速度，ρ为燃料的密度，则燃料通过圆管的质量流速等于ρa ，而总的质量速度必须与层流扩散混合的燃料质量

7. 成比例。根据第一章知识可知，每秒通过单位面积扩散的扩散分子通量为成比例。根据第一章知识可知，每秒通过单位面积扩散的扩散分子通量为 • J=-D • 在层流扩散火焰中燃料向火焰表面扩散，所以扩散面积即为火焰表面积，而火焰表面积正比于Ld，由图4—2可以明显的看出气体的浓度梯度是与d成反比的。按照上式，每秒扩散到火焰表面的燃烧质量正比于

8. （Ld）D • 由此可得 • L∝Ld.D. • 则 • L∝ • 对于层流，扩散系数D决定于分子的热运动，对给定的燃料它与u、d无关。因此，火焰内高度正比于容积流速，即 • L∝ • 佐斯特用分子扩散位移平方的平均值的方程来

9. 从理论上计算火焰的高度，时间的关系为 • ==2Dt • 其中，D为扩散系数，代表在时间t内分子从某一位置扩散到令以位置额位移平方平均值，可当作空气渗入燃料内的平均深度，它近似等于 .扩散过程所需要的时间就是微量元素燃料从喷射器出口到火焰定点的时间，所以， • t=L/u

10. 因为燃料的容积容量故上式可改写为 • = .u • 根据（4-5）式可知，火焰高度与容积容量成正比，而与扩散系数成反比。这个现象可以这样类理解，因为如D一定，增大，则在单位时间内要烧去这样多的燃料，只有相应的增大扩散面积才可能达到，喷管直径d是不变的，所以只有火焰高度增大才能烧掉供入的燃料，假如容积容量不变而扩散系

11. 数减少，则单位时间扩散到火焰表面单位面积上的燃料质量降低了，所以必须增加火焰面积才能烧掉去同样多的燃料。数减少，则单位时间扩散到火焰表面单位面积上的燃料质量降低了，所以必须增加火焰面积才能烧掉去同样多的燃料。 • 对于湍流扩散火焰，图（4-1）式原则上也适用，但必须用湍流涡团扩散系数代替（4-1）式内的扩散系数D，即 • L= • 与湍流强度和湍流尺寸的乘积成正比。而湍流尺度正比于喷管直径d，湍流强度正比于流动速度u，即，把这个关系代入上式即得 • L∝ ∝

12. 由此可知，湍流火焰高度与喷管直径成正比，而与气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即由此可知，湍流火焰高度与喷管直径成正比，而与气流速度、湍流涡团扩散系数无关，即 • L/d=定值 • 这个结论已被实验所证明。由图可知，L/d在流速很大的范围内近似为常数。

13. §2 液体燃料的喷束 • 2.1 喷雾过程及喷束形成 • 通过高速照相实验研究，对圆形喷孔在不同喷射压差作用下的喷射雾化过程说明如下: • （1）喷射压差非常小时，液体燃料是在重力和表面张力作用下从喷口流出。当重力大于表面张力时就在喷口处周期的产生一个大油滴，其直径大约等于1.89.

14. （2）喷射压差增加后，液体燃料从喷孔流出速度加快，此时从喷孔流出的液体流是光滑动；它是有规律和轴对称的，射流的轴线保持不变。当振动的波长小于液柱周长时，在表面张力作用下液柱尚不至破碎；但当液柱表面振动会不断增大，最终破裂形成液滴。按照雷利的分析，当液流的直径为振动波长 =4.15 时最容易段碎。所以产生的液滴大小为 • =4.15 ( ) • =1.89

15. （3）喷射压力差继续增加后，液流内部扰动增强，从喷孔流出速度增大，外界空气阻力也增大，更进一步增加了液流的不稳定性，形成表面凹凸不平的波纹流。因振动幅度较大，分裂已没有一定的规律，在液流中间也会断裂，产生的液滴大小不一。继续提高喷射压力差，不稳定情况更加严重，液流的振动更加复杂，出去弯弯曲曲的液流断裂而产生的较大液滴外，还有由丝状和膜状分裂而产生的细小液滴混在其中。随着振动幅度继续增加，不断从油流撕裂出大大小小的液滴被抛到液流外部，逐渐形成夜雾状。（3）喷射压力差继续增加后，液流内部扰动增强，从喷孔流出速度增大，外界空气阻力也增大，更进一步增加了液流的不稳定性，形成表面凹凸不平的波纹流。因振动幅度较大，分裂已没有一定的规律，在液流中间也会断裂，产生的液滴大小不一。继续提高喷射压力差，不稳定情况更加严重，液流的振动更加复杂，出去弯弯曲曲的液流断裂而产生的较大液滴外，还有由丝状和膜状分裂而产生的细小液滴混在其中。随着振动幅度继续增加，不断从油流撕裂出大大小小的液滴被抛到液流外部，逐渐形成夜雾状。

16. （4）在喷射压力相当大时，液流通过喷珇孔道时已成湍流状态，液流内部激烈扰动，喷出的液流表面与空气之间有相当高的相对速度，产生较大的气动压力和摩擦效应，使液流表面出现不规则的皱折，液流扩展成液膜，在脉动作用和外界气流作用下撕裂成许多细小的液丝。由于表面张力作用使细小液丝收缩为大小不等的液滴。喷射压差继续增高，破碎的液滴就越多越细。早先分裂出的大油滴在继续运动中受气流而变形，又被分裂成小细滴，最终形成喷雾流。（4）在喷射压力相当大时，液流通过喷珇孔道时已成湍流状态，液流内部激烈扰动，喷出的液流表面与空气之间有相当高的相对速度，产生较大的气动压力和摩擦效应，使液流表面出现不规则的皱折，液流扩展成液膜，在脉动作用和外界气流作用下撕裂成许多细小的液丝。由于表面张力作用使细小液丝收缩为大小不等的液滴。喷射压差继续增高，破碎的液滴就越多越细。早先分裂出的大油滴在继续运动中受气流而变形，又被分裂成小细滴，最终形成喷雾流。

17. 上述雾化过程机理主要是由杜布罗夫斯基提出的。液滴变形和碎破的程度取决于在液滴上的力和形成液滴的液体表面张力之间的比值，此值用维勃数表示上述雾化过程机理主要是由杜布罗夫斯基提出的。液滴变形和碎破的程度取决于在液滴上的力和形成液滴的液体表面张力之间的比值，此值用维勃数表示 • We= • 棚泽等人对上述各阶段雾化程度用喷射数Je衡量，即 • Je= =

18. 按喷物流类型，由上式求出Je数如下: • Je<0.1 滴下液滴 • 0.1<Je<10 光滑液流 • 100<Je<400 波纹流 • Je>400 喷雾流 • 2.2 喷雾特性 • 1.喷雾油束的空间形状 • （1）油束椎角 • 从喷油柤圆孔口高速喷出的液体燃料在运动过程中形成喷雾流，其形状是椎体，中

19. 心部分为主液流体，沿径向逐渐扩展并由大小不等的液滴悬浮在空中构成浓度不均的有雾，如图4-8所示。心部分为主液流体，沿径向逐渐扩展并由大小不等的液滴悬浮在空中构成浓度不均的有雾，如图4-8所示。

20. （2）喷雾油束的贯穿距离 • 喷雾油束在燃烧空间伸展时，在给定时间t内，油束顶端实际到达的位置与喷油组喷孔间的距离称为喷雾油束的贯穿距离。 • 喷雾油束的贯穿距离与许多因素有关，得出： • L= • 从式（4-21）所揭示的参数间关系可知： • (1)喷射压差增大，使u0增加，喷雾贯穿距

21. 离和顶端运动速度也都增大。 • （2）喷油组喷孔直径较大时，液滴直径增加，喷雾贯穿距离和油束顶端运动速度都比较大。 • （3）空气介质密度和粘度增加会产生较大的阻力，使液滴直径减少，喷雾贯穿距离和顶端速度都随之减少。 • （4）燃油密度和粘度大时，流液不易断碎，液滴颗粒大，惯性力也大，使喷雾贯穿距离和顶端速度也增加。燃用重质燃料时更明显。

22. 2.喷雾油束的燃油分布特征 • 为燃料浓度,求得： • 此式表明，在横截面内燃料浓度沿径向分布服从正态分布，在轴线上燃料浓度有最大值，随增加浓度迅速减少。距离x不同，横截面内燃料浓度分布规律是相同的。靠近喷孔燃料浓度变化大。离喷孔越远的横截面内浓度变化越小，以致整个截面趋于均匀。

23. 3.喷雾油束中的液滴尺寸 • 通常用油束中液滴的平均直径作为衡量雾化程度的指标。它是把大小不等的液滴所构成的喷雾油束看出是由同一直径液滴所构成。常用下列四种方法来表示液滴的平均直径。 • 算数平均直径 • 体积平均直径 • 表面积平均直径 • 总体积及表面积平均直径

24. 最后一种平均直径表示法是目前最通用的描写喷雾油束雾化成都的表达式。此平均直径为沙特平均直径，简写成S.M.D。日本学着棚泽等人对类似柴油机那种间接喷射给出类似公式来估算沙特平均直径dg。最后一种平均直径表示法是目前最通用的描写喷雾油束雾化成都的表达式。此平均直径为沙特平均直径，简写成S.M.D。日本学着棚泽等人对类似柴油机那种间接喷射给出类似公式来估算沙特平均直径dg。 • dg=70.5

25. 4.喷雾油束液滴尺寸分布特性 • 为了评定喷雾油束雾化质量和比较其雾化特性，需要知道液滴尺寸大小及各种尺寸的液滴数量或重量。一般用油束中液滴尺寸分布的函数关系表示。随着采用的物理量不同可以有液滴数量。液滴重量。液滴体积和液滴表面积几种，表示方法有各种直径占有量多少的微分的分布和不同尺寸液滴累积量多少的积分分布。下面介绍几种机械喷射的喷雾油束液滴尺寸分布函数。

26. （1）罗森-瑞姆勒分布函数 • 分布曲线如下图所示

27. （2）拔山-棚泽的分布函数 • 其数量分布函数为 • 重量分布函数为

28. 其分布曲线如下图所示：

29. （3）按统计学方法给出分布函数 • 用正态分布函数表示液滴数量分布函数为 • 重量分布函数如下：

30. §3 单液滴燃烧 • 3.1 液滴在静止条件下蒸发和燃烧 • 液滴燃烧的理论计算模型如图所示的球对称模型。假定化学反应速度为无限大，液滴温度处于沸点，燃烧过程为定常的，不考虑辐射传热，物性参数取为定值，为简便计令路易士数为1，即Le=

31. 以火焰面为界分为A、B两个区域，分别进行讨论。以火焰面为界分为A、B两个区域，分别进行讨论。 • （1）A区 • 求得蒸发速度为： • （2）B区

32. 求得蒸发速度为 • 因假定化学反应速率为无限大，因此液滴燃烧时求出的蒸发速mf度就等于燃烧速度。 • mf的计算结果与实测值较相符合。 • 蒸发常数K与燃烧常数形式Kf相同，都可以

33. 以写成如下形式： • K= • 其中B在单纯蒸发时与燃烧时不相同。B称质量交换系数，其含义为过程进行的推动力。B越大蒸发速度越高，过程进行的越激烈。 • 3.2液滴在气流中蒸发和燃烧 • 1.气流运动对液滴蒸发和燃烧的影响

34. 在气流运动中液滴蒸发常数Kf为 • Kf= • 显然，Re很大时，Kf数值较大，液滴蒸发速度迅速增加，然而，流过液滴的气流由于液滴的形状而在表面处有不同的Re数。在迎气流前的驻点Re最大，所以蒸发速度也最大；液滴后部与轴线夹角为120。~140。出Re最小，蒸发速度最低；尾部轴线上Re又有所增加，蒸发速度又大些。

35. 液滴在强迫对流作用下燃烧时，火焰变得不稳定，不仅与气流相对速度大小有关，也与周围空气温度有关。温度增加会使蒸发速度加快，燃烧速度也增大。液滴在强迫对流作用下燃烧时，火焰变得不稳定，不仅与气流相对速度大小有关，也与周围空气温度有关。温度增加会使蒸发速度加快，燃烧速度也增大。 • 2.液滴在气流运动中的阻力 • 液滴在燃烧室气流中边蒸发或燃烧，边向前飞行。最后将计算得到： • 从（4-109）式可知，速度变化与K'有关，而K'∝，显然，液滴直径大小影响最大。

36. 3.液滴燃烧的稳定性 • 液滴燃烧速度主要是靠燃料和氧的扩散速度控制，当液滴在气流中运动时，迎风一侧的火焰相对速度较大，使液滴表面边界层减薄，迅速形成较大的浓度梯度，扩散速度迅速增加，扩散进入反映区内的燃料量和氧量加多。由于燃料和氧的温度都低于火焰温度，必然吸收大量的热而使火焰温度下降，造成反应速度减缓，放热量更少。当相对速度增加到一定数值时，前端

37. 会熄火，变成尾流型火焰。尾流型火焰和伞状火焰的燃烧速度低，稳定范围小，在强烈扰动情况下很难保存较长时间，以至很快熄火。但在液滴进入高温区后又可能再次着火燃烧。可以认为在燃烧室内液滴可能会经历燃烧与熄火的反复过多。会熄火，变成尾流型火焰。尾流型火焰和伞状火焰的燃烧速度低，稳定范围小，在强烈扰动情况下很难保存较长时间，以至很快熄火。但在液滴进入高温区后又可能再次着火燃烧。可以认为在燃烧室内液滴可能会经历燃烧与熄火的反复过多。 • 3.3 液滴在热面上的蒸发和燃烧 • 热面状态将对液体燃料的蒸发和燃烧产生重大影响。对苯燃料的热面蒸发和燃烧过程所做的研究表明，在各种不同的热面温度下，对液滴蒸发完了所用的时间亦即液滴寿命所做的实验的测量结果绘出下图。

38. 从低温开始，随壁面温度升高，液滴迅速蒸发，其寿命急剧下降。约在391K达到最短，此后，随壁温升高液滴寿命又迅速增长，在468K时达到最大值。在增高则液滴寿命逐渐减少，直到1100多度时着火燃烧。从低温开始，随壁面温度升高，液滴迅速蒸发，其寿命急剧下降。约在391K达到最短，此后，随壁温升高液滴寿命又迅速增长，在468K时达到最大值。在增高则液滴寿命逐渐减少，直到1100多度时着火燃烧。

39. 这种由液面控制的液滴寿命变化现象称为Leidenfrost现象，468K为峰值温度，又称Leidenfrost点。这种由液面控制的液滴寿命变化现象称为Leidenfrost现象，468K为峰值温度，又称Leidenfrost点。 • 这种壁面温度和液滴寿命间的变化关系，随液滴种类。周围气体压力不同而不同，气体压力增高时，Leidenfrost现象向高温侧移动，低温下液体寿命增加。每种燃料在壁温达到足够高后则产生着火燃烧。表4-2上列出常见液体燃料的热面蒸发特性。

40. §4 液滴群燃烧 • 4.1 液滴间的相互影响 • 当液滴集合一起，相互距离很近时，就必须研究相互间蒸发和燃烧的影响。两颗液滴在燃烧过程中的蒸发仍服从直线规律。但是燃烧常数值Kf逐渐增大，直到某一距离大最大值，再减少距离则Kf减少。 • 他们认为，在液滴集合中或在油雾中，随着液滴间距减少，不足以供应液滴燃烧，在此种情况下，单个液滴可能难以燃烧，而只是处于蒸发状态，又因为液滴群是在

41. 运动中燃烧，液滴是处在前面大量液滴燃烧所造成的高温缺氧环境下，液滴所产生的大量蒸汽只有向外扩散到液滴群周围氧较充分的区域方能燃烧。外观看上去火焰直径迅速增大，而燃烧区域却减少了，火焰温度下降，燃烧速度降低。显然，在液滴群情况下多数是形成较大的扩散火焰，很少可能形成独立燃烧的全包形火焰。运动中燃烧，液滴是处在前面大量液滴燃烧所造成的高温缺氧环境下，液滴所产生的大量蒸汽只有向外扩散到液滴群周围氧较充分的区域方能燃烧。外观看上去火焰直径迅速增大，而燃烧区域却减少了，火焰温度下降，燃烧速度降低。显然，在液滴群情况下多数是形成较大的扩散火焰，很少可能形成独立燃烧的全包形火焰。 • 4.2 液滴群的火焰传播 • 博哥尼等人使用四氢化液滴，让其悬浮于空气中，点燃后观察火焰传播现象。结果

42. 是： • （1）当液滴直径小于10um时，火焰呈蓝色连续表面，此时燃烧区厚度、亮度和传播速度同燃料蒸汽和气体氧化剂组成的预混合气燃烧类似。 • （2)当液滴直径在10um和40um之间时，既有连续火焰面形式的蓝色火焰，还夹杂有白色和黄色的发光亮点，火焰区成团状。表明存在着单个液滴燃烧形成的扩散火焰。

43. （3）当液滴直径大于40um时，火焰已不成连续表面，而是从一颗液滴传到另一颗。火焰能否传播以及火焰传播速度都将受到液滴间距离、液滴尺寸和燃料性质的影响。当一颗燃烧的液滴所放出的热量可以使邻近的液滴着火燃烧时，火焰才能继续下去。在液滴之间的燃料蒸汽和氧化剂通常比液滴燃烧要缓慢，在火焰由一个液滴传到另一个液滴燃烧后的适当时刻才稍起来。这可能是中间部分混合气浓度达不到着火条件。此外，火焰传播速度还受气流运动状态影响，尤其是湍流特性影响。（3）当液滴直径大于40um时，火焰已不成连续表面，而是从一颗液滴传到另一颗。火焰能否传播以及火焰传播速度都将受到液滴间距离、液滴尺寸和燃料性质的影响。当一颗燃烧的液滴所放出的热量可以使邻近的液滴着火燃烧时，火焰才能继续下去。在液滴之间的燃料蒸汽和氧化剂通常比液滴燃烧要缓慢，在火焰由一个液滴传到另一个液滴燃烧后的适当时刻才稍起来。这可能是中间部分混合气浓度达不到着火条件。此外，火焰传播速度还受气流运动状态影响，尤其是湍流特性影响。

44. §5 喷雾燃烧 • 5.1 燃料喷射 • 高速喷射出的燃料流体进入燃烧室空间时，与处于静止状态的空气之间产生相当大的速度差，在它们相互接触的边界处，由于剪切作用产生湍流涡团并卷吸周围空气渗入射流边界内，形成喷射流边缘处湍流边界层，此边界层不断加厚并向前扩展。观察喷射流可以发现其初始部分含有核心

45. 区和混合区两部分，如图所示。 • 令x表示距喷口轴向距离，y为x出流体轴线上流速；u为x处横截面内径向距离y处的流速，其速度分布函数形式为

46. 同理，也可以找出浓度分布的函数关系和温度分布的函数关系。令C和Cm分别代表垂直射流轴线上 y处流体浓度和该截面轴线上流体浓度，则得到的同样函数形式。 • 如令表示周围空气介质温度T∞，T和Tm分别表示y处和轴线上的温度，则可以同样的用

47. 这样的的函数关系表示。三者规律相似，具体公示有差别。这样的的函数关系表示。三者规律相似，具体公示有差别。 • 5.2 喷雾燃烧实验分析 • 实验用煤油作为燃料，喷射液雾油束锥角为40。C，用高速摄影取得图像整理成图所示

48. 喷射液雾因旋转作用最外层3有两个区域，外曾5为液滴运动较快、较热的周边区。内层为液滴速度较低的冷核心区4，内侧为高温区6.喷射液雾油束外有逆流区8构成环流状态，因环流造成的轴向速度等于零的位置如虚线7所喷射液雾因旋转作用最外层3有两个区域，外曾5为液滴运动较快、较热的周边区。内层为液滴速度较低的冷核心区4，内侧为高温区6.喷射液雾油束外有逆流区8构成环流状态，因环流造成的轴向速度等于零的位置如虚线7所

49. 示。液滴飞行的角度是由液滴的动量与阻力的比值确定。通常，直径小于100um的液滴受气流扰动较大，而直径大与100um的液滴能保持自身运动状态，显示出线性轨迹。示。液滴飞行的角度是由液滴的动量与阻力的比值确定。通常，直径小于100um的液滴受气流扰动较大，而直径大与100um的液滴能保持自身运动状态，显示出线性轨迹。 • 5.3 喷雾燃烧研究 • 根据实验观察分析，将喷雾燃烧分为几种类型： • （1）预蒸发燃烧型式：当燃烧室内空气温度相当高、燃料雾化较细、燃料可挥发

50. 成分多的情况下，非常容易产生大量燃料蒸汽，在气流扰动作用下，能迅速与空气形成可燃混合气。这时的燃烧是气体燃烧型式。着火前形成的混合气属于预混合燃烧，着火后燃料蒸发速度大于燃烧速度，蒸发出的燃料蒸汽靠气体对流和扩散与空气混合成可燃气体使燃烧持续进行，其燃烧方式为气体扩散燃烧型式。燃烧过程主要受气相扩散过程的因素所支配。成分多的情况下，非常容易产生大量燃料蒸汽，在气流扰动作用下，能迅速与空气形成可燃混合气。这时的燃烧是气体燃烧型式。着火前形成的混合气属于预混合燃烧，着火后燃料蒸发速度大于燃烧速度，蒸发出的燃料蒸汽靠气体对流和扩散与空气混合成可燃气体使燃烧持续进行，其燃烧方式为气体扩散燃烧型式。燃烧过程主要受气相扩散过程的因素所支配。 • （2）液滴群扩散燃烧型式：当燃烧室内空气温度不高，或者喷射压力低、喷孔直