【正文】 Beijing, 100084 30140294 燃燒理論 姚 強(qiáng) 李水清 清華大學(xué)熱能工程系（ Department of Thermal Engineering) 熱能動力工程與熱科學(xué)重點(diǎn)實驗室 (Key laboratory of thermal science and power Engineering) 煤清潔燃燒國家工程研究中心 (NERCCCC) Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 10 液滴的蒸發(fā)與燃燒 May 23June 30 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 3 總述 ? 球形液滴的蒸發(fā)與燃燒 ? 系統(tǒng)簡單，便于分析物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 4 內(nèi)容 ? 概述 ? 一些應(yīng)用 ? 液滴蒸發(fā)的簡單模型 ? 液滴燃燒的簡單模型 ? 總結(jié)和求解 ? 擴(kuò)展到對流環(huán)境 ? 其它因素 ? 一維氣化控制燃燒 ? 總結(jié) Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 5 一些應(yīng)用 ?柴油機(jī)、火箭、燃?xì)廨啓C(jī)、燃油鍋爐、工業(yè)窯爐、加熱器。在間接噴射內(nèi)燃機(jī)中，燃料在高壓下注入預(yù)燃室，在這里燃料液滴開始蒸發(fā)，然后燃料蒸氣和空氣混合。 ? 在直接噴射內(nèi)燃機(jī)里，燃料是由一個多孔燃料噴射器來導(dǎo)入的。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 14 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 15 ? 燃料蒸發(fā)及其與空氣混合的速率對形成自燃的化學(xué)反應(yīng)速率有很大影響。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 16 燃?xì)廨啓C(jī) ? 使用液體燃料的燃?xì)廨啓C(jī)是航空器中最主要的動力設(shè)備。由于旋轉(zhuǎn)空氣形成了一個循環(huán)區(qū)，火焰特別穩(wěn)定。 C furnace wall air jet flue gas reaction zone fuel gas ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( NGT Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 22 NGT Institut f252。值得一提的是，航空發(fā)動機(jī)采用非預(yù)混燃燒系統(tǒng)，由接近化學(xué)當(dāng)量的一次風(fēng)火焰區(qū)，接合二次風(fēng)以徹底燃燒并在產(chǎn)物進(jìn)入渦輪前稀釋到合適溫度（見圖 ）。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 30 ? 圖 空氣通路隔離開的金屬襯套。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 31 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 32 ? 在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器的設(shè)計中的一個關(guān)鍵因素是氣體進(jìn)入渦輪時氣體溫度的徑向分布。由于葉片材料強(qiáng)度隨溫度而降低，這樣做是很有意義的。有兩種類型的液體火箭：壓力供料，這類火箭的燃料和氧化劑在高壓氣體作用下被推入燃燒室；泵供料，由渦輪泵提供推動力。圖，液氧，泵供料 J2火箭發(fā)動機(jī)，被用在阿波羅計劃中的 Saturn vehicle中的第二節(jié)和第三節(jié)。這個片很不穩(wěn)定，容易發(fā)散成線或帶狀，然后分裂成液滴。使用激光探測器及其它技術(shù)研究火箭燃燒室中的進(jìn)程的工作仍在繼續(xù)。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 47 ? 這對周圍溫度很高的燃燒環(huán)境是一個很好的近似，而且蒸發(fā)過程的數(shù)學(xué)描述可能是最簡單的形式，這對工程計算非常有用。液汽表面處的液滴半徑用 rs表示。我們希望解決的問題是求任一時刻液滴表面燃料蒸發(fā)的質(zhì)量流率。 ? 蒸發(fā)過程是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 52 ? 液滴內(nèi)各處溫度均勻一致，而且假定該溫度是燃料的沸點(diǎn)， Td=Tboil 。這一假設(shè)的隱含條件是 Td Tboil 。 ? 我們還假設(shè)所有的熱物理屬性，如熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、比熱等都是常數(shù)。氣相能量方程提供了氣相中的溫度分布，由此我們可以去估計從表面?zhèn)鲗?dǎo)給液滴的熱量。 )(rm?a n tc o n s trvmm rF ??? 24 ????0)(2?dr rvd r?rvParticle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 56 能量守恒 ? 由前面第 7章可得，圖 質(zhì)量守恒可用方程 。第一次積分后可解得： Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 60 ? 其中是積分常數(shù)。熱量從熱氣體傳入分界面，因為我們假定液滴溫度處處為 ，所有這些熱量都會用來蒸發(fā)燃料，而不會有熱量傳到液滴內(nèi)部。 )1ln (4?? qpgsg Bcrkm??Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 69 ? 回想一下第 3章，我們曾導(dǎo)出過在質(zhì)量傳遞控制下液滴蒸發(fā)的類似的表達(dá)式。這種情況會在后面詳述。該質(zhì)量平衡為液滴質(zhì)量減小速度等于液體蒸發(fā)速度，也就是： ,mdtdm d ???Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 72 ? 其中液滴質(zhì)量， md ，由下式給出 ? V 和 D 是液滴的體積和直徑。我們可以結(jié)合方程 得到表達(dá) D （ 或 D2 ）隨變化的更一般的關(guān)系式： ,??02220?? ??tDDtKdDdParticle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 77 ? 由此可得： ? 方程 3章介紹過的液滴蒸發(fā)的 D2定律。 KDt d /20?Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 79 ? 在我們的分析中，我們假定 cpg和 kg都是常數(shù)，而實際上從液滴表面到氣流，它們的變化很大。 ? 求解略。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 84 假設(shè) ? 下面的假設(shè)會大大簡化液滴燃燒模型，但仍然保留著必要的物理特征而且和實驗結(jié)果符合得很好。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 85 ? 燃料是單成份液體，對任何氣體都沒有溶解性。氣相區(qū)域可以分成兩個區(qū)。假設(shè)化學(xué)反應(yīng)無限快，則火焰表現(xiàn)為一個無限薄的片。 ? 液體燃料液滴是唯一的凝結(jié)相，沒有煙灰和液體水存在。 ? YOx氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與它對稱，在遠(yuǎn)離火焰的地方有最大值（為 1），遞減到火焰處減為零。 Particle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 91 問題綜述 ? 在接下來的分析中，我們計算的一個目標(biāo)是，給定初始液滴大小和液滴外無窮遠(yuǎn)處的條件，即溫度 和氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù) YOx, ?(=1)。 Fm?Fm??TParticle And Combustion Engineering Research Group Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 30140294 2022/6/2 92 ? 一般地說，要求解五個未知數(shù)，需要求解五個關(guān)系式，分別可以從下面得到：（ 1）液滴表面的能量平衡，（ 2）火焰面處的能量平衡，（ 3）外區(qū)的氧化劑擴(kuò)散，（ 4）內(nèi)區(qū)的燃料蒸氣擴(kuò)散，（ 5）在液汽分界面的相平衡，比如使用 Cl