第八章　液体燃料燃烧

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。

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

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

燃油雾化现象 第二节燃油雾化过程

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。

油珠破碎过程 第二节燃油雾化过程气动力表面张力

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

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

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

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

离心喷嘴 第三节燃油雾化装置－喷嘴

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

其它喷嘴 第三节燃油雾化装置－喷嘴

一、喷嘴类型 第三节燃油雾化装置－喷嘴

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。

第三节燃油雾化装置－喷嘴 二、离心喷嘴理论

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

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

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）

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

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

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

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

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

第三节燃油雾化装置－喷嘴 二、离心喷嘴理论

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

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：

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%。

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

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 )

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：

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：

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）

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

Stefan流 第五节油珠的蒸发与燃烧 Stefan流－点源：

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

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：

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

相对静止油珠的燃烧 第五节油珠的蒸发与燃烧

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：

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

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

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：

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。

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

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

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

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

第八章 液体燃料燃烧