燃燒理論與應用課件

層流火焰燃燒理論與應用---層流火焰層流火焰------燃燒與火焰一、燃燒與火焰★燃燒發(fā)生燃燒反應的外部表現(xiàn)★火焰燃料和氧化劑兩種組份在空間激烈地發(fā)生放熱化學反應的過程（火焰－燃燒波、火焰前沿、火焰前鋒）★發(fā)光、發(fā)熱火焰的幾個重要特征★電離★自行傳播層流火焰------燃燒與火焰熱和輻射現(xiàn)象O·未燃氣火焰前鋒容器已燃氣層流火焰------燃燒與火焰火焰前鋒厚度一般約為10-3m◆緩燃（爆燃）--燃燒波傳播的速度為亞音速◆爆震--燃燒波傳播的速度為超音速◆爆炸--釋熱速率極大，不需要有燃燒波在介質中的傳播deflagrationdetonation層流火焰------燃燒與火焰湍流火焰◆根據混合氣的流動狀態(tài)分火焰分類層流火焰◆根據混合氣反應前的接觸狀態(tài)分擴散火焰預混火焰層流火焰------燃燒與火焰本生燈火焰層流火焰------燃燒與火焰層流火焰------層流預混火焰二、層流預混火焰1.火焰?zhèn)鞑ニ俣龋⊿L）---定義：火焰相對于未燃混合氣在其法線方向上的速度---

物理意義：代表單位時間內在火焰前鋒的單位表面上所燃去的混合氣體的體積[cm3/s·cm2=cm/s]cm/s★幾個概念---

火焰移動速度（Ua）：火焰前鋒在未燃混合氣中相對于靜止坐標系的前進速度---

混合氣運動速度（vu）層流火焰------層流預混火焰vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒Ua層流火焰------層流預混火焰SL★SL=vu，Ua=0穩(wěn)定vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒層流火焰------層流預混火焰UaSL★SL>vu，Ua<0回火★SL=vu，Ua=0穩(wěn)定vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒層流火焰------層流預混火焰UaSL★SL<vu，Ua>0吹除★SL=vu，Ua=0穩(wěn)定★SL>vu，Ua<0回火vu未燃氣已燃氣vb火焰前鋒層流火焰------層流預混火焰UaSL2.層流火焰?zhèn)鞑ニ俣壤碚摗?/p>

熱理論★

擴散理論★

綜合理論火焰中的化學反應主要是由于熱量的導入使分子熱活化而引起的，所以，化學反應區(qū)（火焰前鋒）在空間中的移動取決于從反應區(qū)向未燃氣傳熱的熱導率?；鹧嬷械幕瘜W反應主要是由于活化中心向未燃氣的擴散熱傳遞與擴散共同作用層流火焰------層流預混火焰★層流火焰結構vu未燃氣已燃氣vbδδPδcρuρb層流火焰------層流預混火焰3.Spalding的簡化理論

耦合傳熱、傳質、化學動力學以及熱力學的原理來理解支配火焰速度和火焰厚度的因素層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（1)溫度層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（1)溫度〔安德魯斯（Andrews）和布拉德利（Bradley）〕層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（1)溫度常壓CH4-Air層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（2)壓力〔安德魯斯（Andrews）和布拉德利（Bradley）〕層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（2)壓力CH4-AirTu＝16-27℃層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（3)當量比常壓CH4-Air層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（3)當量比常壓CH4-Air層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（4)燃料類型燃料分子式SL（cm/s）MethaneCH440AcetyleneC2H2136EthyleneC2H467EthaneC2H643PropaneC3H844HydrogenH2210層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（5)混合氣中摻雜物的影響層流火焰------層流預混火焰4.影響火焰速度和厚度的因素

（5)混合氣中摻雜物的影響層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

困難一：不容易獲得一個穩(wěn)定的平面火焰困難二：確定火焰前沿層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（1)本生燈法火焰內錐的表面積Af管子的橫截面積At管內平均流體速度Vt層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（2)平面火焰法層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（3)球彈法γ－未燃氣比熱比α－球半徑r－壓力為p時的火焰半徑層流火焰------層流預混火焰5.火焰速度的測量方法

（4)粒子示蹤法（5)駐定火焰法（6)透明管法層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火---

淬熄距離：火焰在圓形管道內熄滅（不傳播）的臨界直徑

---

熄火現(xiàn)象：強烈的放熱反應

無反應狀況層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（1)熄火溫度和壓力對淬熄距離的影響：層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰?zhèn)鞑O限---

下限：使火焰穩(wěn)定傳播的最小混合比（Φ<1）---

上限最大的混合比（Φ>1）層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰?zhèn)鞑O限Φ=1Φ<1Φ>1Φ層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰?zhèn)鞑O限影響火焰?zhèn)鞑O限的因素燃料種類混合氣的組成溫度壓力層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（2)火焰?zhèn)鞑O限實驗條件：T=20℃1-甲烷2-丁烷3-乙烷層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火---

著火混合氣自動的反應加速、升溫，以致引起空間某部或在某時間出現(xiàn)火焰---

著火方式

自燃與點燃層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火---

著火條件如果在一定的初始條件或邊界條件(閉口系統(tǒng))

之下，由于化學反應的劇烈加速，使反應系統(tǒng)在某個瞬間或空間的某部分達到高溫反應態(tài)（即燃燒態(tài)），那么，實現(xiàn)這個過渡的初始條件或邊界條件便稱為“著火條件”---最小著火能將混合氣從初始狀態(tài)加熱到火焰溫度所需要的能量層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火

壓力和溫度對最小著火能的影響層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火壓力和溫度對最小著火能的影響層流火焰------層流預混火焰6.熄火、傳播極限和著火（3)著火壓力和溫度對最小著火能的影響層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩(wěn)定

★回火(flashback)層流火焰------層流預混火焰★回火(flashback)層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩(wěn)定

★火焰提升(liftoff)

7.火焰穩(wěn)定

★回火(flashback)層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩(wěn)定

★回火(flashback)★火焰提升(liftoff)

層流火焰------層流預混火焰7.火焰穩(wěn)定

天然氣含氫氣的人工合成氣層流火焰------層流預混火焰層流火焰------層流擴散火焰三、層流擴散火焰1.基本概念（1)火焰外形過量供氣火焰供氣不足火焰層流火焰------層流擴散火焰1.基本概念（2)火焰結構空氣燃料空氣2.無反應的常密度層流射流

（1)物理描述中心徑向層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（2)速度分布任一x位置射流的動量，J＝來自噴嘴的動量，Je軸向速度分布中心速度層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（2)速度分布層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（3)射流半寬、擴展速率和擴展角★射流半寬（jethalf-width)：射流速度下降到中心速度值一半時的徑向位置層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（3)射流半寬、擴展速率和擴展角★擴展速率（spreadingrate)：射流半寬與軸線距離x的比值★擴展角(spreadingangle)：擴展速率的正切角層流火焰------層流擴散火焰2.無反應的常密度層流射流

（4)濃度場中心線上質量分數層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★Burke&Schumann理論（1928）層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★常密度解法★變密度解法（Fay）層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★ROPER理論（1977）層流火焰------層流擴散火焰3.層流射流火焰的簡化理論

★數值解法層流火焰------層流擴散火焰4.流速和幾何結構對火焰長度的影響層流火焰------層流擴散火焰在射流速度較低時，火焰保持層流狀態(tài)，火焰前沿面光滑、穩(wěn)定、明亮。隨射流速度增加，火焰高度增加，直到某一最大值，此時火焰仍保持層流。再增大射流速度，火焰頂部開始出現(xiàn)顫動、皺折、破裂。由于湍流影響，湍流擴散混合加快，燃燒速度增加，使火焰高度縮短。繼續(xù)增加射流速度，開始顫動、皺折、破裂的點向噴口方向移動，直到破裂點靠近噴口。此時火焰達完全湍流狀態(tài)，此后破裂點位置不變、火焰高度趨于定值。但噪音增加如果過分增加射流速度，火焰會脫離噴口直至吹熄。4.流速和幾何結構對火焰長度的影響層流火焰------層流擴散火焰5.

摩爾當量比S的影響

★燃料類型

對CxHy

層流火焰------層流擴散火焰5.

摩爾當量比S的影響

★一次風層流火焰------層流擴散火焰5.

摩爾當量比S的影響

★氧化劑中的氧含量層流火焰------層流擴散火焰5.

摩爾當量比S的影響

★燃料用惰性氣體稀釋層流火焰------層流擴散火焰6.煙炱的形成和消除

層流火焰------層流擴散火焰6.煙炱的形成和消除

四個步驟層流火焰------層流擴散火焰6.煙炱的形成和消除

層流火焰------層流擴散火焰THEEND

湍流簡介

湍流流動的主要特點湍流流場具有完全不規(guī)則的瞬息變化的運動特征湍流流場中，各種物理量都是隨時間和空間變化的隨機量湍流流場中，流體微團的隨機運動在足夠長的時間內服從某種數學統(tǒng)計規(guī)律?？臻g點上任一瞬時物理量均可用平均值與脈動值之和來表示，即湍流的物理本質湍流可以看成是許多不同渦旋尺度和渦流強度的渦所組成的。

湍流射流噴入靜止容器時射流中心面的流體流體中流體微元的急速交扭是湍流區(qū)別于層流的一個特征。當流體微元湍流運動時，其動量、組分、能量能夠在橫向進行大量的傳遞。這種傳遞比起層流中由于分子擴散運動而造成的傳遞要劇烈得多。正因為如此，很多實際燃燒裝置都采用湍流，以圖在相對較小的空間里能更好地混合和釋放熱量。歐拉法描述湍流場的三種統(tǒng)計平均方法：時間平均、空間平均和系綜平均法時間平均：

空間平均：

系綜平均：

不同的平均方式有不同的適用范圍：定?；驕识ǔ＃ㄆ骄凳遣浑S時間變化，或按恒定規(guī)律隨時間作極緩慢的變化）研究體系，采用時間平均；燃燒設備中的流動一般都假定為準定常湍流，故采用時間平均法均勻流場，實施空間平均既不定常又不均勻的湍流體系，進行同樣條件下的大量實際數據為依據的系綜平均采用時間平均法時速度u及其脈動值的特點:工程上，衡量氣流脈動程度的大小，一般用脈動值的均方根值表示

把湍流場中各物理量分為平均值和脈動值的主要好處：各物理量的瞬時值是隨機的，使理論研究遇到很多困難。采用上述分解后，可以在大多數情況下假定流動是準定常的，并可采用統(tǒng)計的平均方法對流動方程進行數值求解。

試驗研究時，各物理量的瞬時值的確定比較困難，而時間平均值較容易測定。對一般的工程問題，知道流動的平均值已可滿足要求。

湍流特性參數湍流強度

式中：

湍流特性參數方向關聯(lián)系數脈動速度在不同方向之間的統(tǒng)計聯(lián)系程度方向關聯(lián)系數具有如下特征：

方向關聯(lián)系數永遠小于或等于1方向關聯(lián)系數的幾種典型情況:方向關聯(lián)系數的大小在一定程度上表示了氣流在空間的湍流混合情況。方向關聯(lián)系數越小，則脈動速度向四方脈動的可能性越大，氣流將混合得越均勻湍流特性參數坐標關聯(lián)系數

表示在同一方向上、不同位置的兩點間脈動速度的統(tǒng)計聯(lián)系各向同性湍流(方向關聯(lián)系數為0)：

湍流特性參數時間關聯(lián)系數Rt

和表示同一氣體微團在t0和t1瞬間的脈動速度

t0則Rt1t則Rt0湍流特性參數--湍流中的長度尺度L-流體的特征寬度或者宏觀尺度系統(tǒng)中最大的一個長度尺度，也是可能的最大渦流尺度的一個上限通常用來定義基于平均流速的雷諾數，但是卻不能用來定義湍流雷諾數湍流特性參數--湍流中的長度尺度l0-整體尺度或者泰勒宏觀尺度

在物理上表示湍流中那些低頻率、長波長的渦的平均渦流尺度通常比L要小，但是與L處于同一數量級在不是很精確的情況下，l0表示流體中脈動速度不再相關聯(lián)的兩點間的距離湍流特性參數--湍流中的長度尺度lλ

-泰勒微觀尺度(Taylormicroscale)介于l0和lk之間的一個長度尺度，它更加偏向較小的長度尺度該標尺與平均應變率相關（見下式分母）湍流特性參數--湍流中的長度尺度lk-柯爾莫哥羅夫微觀尺度（Kolmogorovmicroscale）湍流中最小的一個長度尺度，表示由于湍流動能的耗散而轉化為的流體內能的能量大小分子作用（動力粘度）是柯爾莫哥羅夫微觀尺度中比較重要的因素量綱變化顯示lk與耗散率ε有關：υ分子運動粘度

k湍流動能均方根脈動速度湍流特性參數--湍流的雷諾數四個長度尺度中，有三個可用來對湍流雷諾數作出定義在所有的雷諾數定義中，特征速度是均方根脈動速度湍流特性參數--湍流的雷諾數耗散率ε的定義把最大的湍流長度尺度（整體尺度即泰勒宏觀尺度）和最小的尺度（柯爾莫哥羅夫微觀尺度）聯(lián)系在一起：泰勒微觀尺度lλ和的聯(lián)系：湍流特性參數--湍流的雷諾數式運用半定量的方法描述了高雷諾數湍流之間長度尺度上的分界當為1000的時候，比例l0/lk大約為178：1提高平均流速把提高到10000的時候，相應的比例提高到了1000：1較小的湍流長度尺度隨著雷諾數的升高而變小，而流體中最大的長度尺度仍然保持不變

（見下圖）湍流特性參數--湍流的雷諾數在低（a）和高（b）雷諾數下的湍流射流陰影表示較小的長度尺度的湍流結構湍流分析湍流反應流（如燃燒過程）是包含有劇烈放熱化學反應的流動過程，描述其規(guī)律的定律主要有：質量守恒動量平衡能量平衡化學組分平衡化學元素質量守恒湍流分析-粘性流動基本方程組（N-S方程組）（1）連續(xù)性方程（質量守恒方程）直角坐標系中：=任意控制體系內質量的增加率等于從外界進入體系的凈質量流體湍流分析-粘性流動基本方程組（N-S方程組）（2）動量平衡方程單位體積流體某方向動量的增加率等于該方向動量的凈流入率與作用于它的該方向外力之和包括體積力與阻力在i方向的分量湍流分析-粘性流動基本方程組（N-S方程組）（3）化學組分方程單位體積內某種化學組分質量的增加率等于由對流和擴散引起的它的凈增率與其化學反應生成率之和Rl是包括化學反應引起的產生（或消耗）率以及顆粒反應產生的質量源湍流分析-粘性流動基本方程組（N-S方程組）（4）能量平衡方程單位體積流體內總能量的增加率等于滯止焓凈進入率與外界對體積的傳熱率和作功率之和h為焓；H為滯止焓；為包括動能的總焓；Qh為包括剪切功流入的凈速率和反應所產生和吸收的熱能、輻射能、電能等湍流分析-粘性流動基本方程組（N-S方程組）（5）狀態(tài)方程方程組中未知量為vi、、p、(或T)、ml共七個，而方程的個數也是七個，故該方程組是封閉的N-S方程組描述的是任一瞬間流體的運動特性，因此它既適合于層流運動，也適用于湍流運動湍流運動的特性標尺都很小，在求方程的數值解時必須將求解區(qū)域劃分得極其微細，這使目前的計算機存儲量和計算時間無能為力湍流分析-湍流運動時均方程組運用時間平均方法，把上述N-S方程組中任一瞬間物理量用平均量和脈動量之和的形式來表示再對整個方程組進行時間平均運算得到湍流運動的時均方程組（即雷諾方程組）湍流分析-湍流運動時均方程組（1）時均連續(xù)方程（2）時均動量方程（3）時均化學組分方程（4）時均能量方程湍流分析-湍流運動時均方程組時均方程可以寫成如下的通用形式:式中為1、、及時，即分別表示上述四個時均方程湍流分析-湍流運動時均方程組在大多數湍流計算中，可以認為密度和其它量的關聯(lián)程度很小忽略時均方程中的密度脈動關聯(lián)項及所有三階關聯(lián)項，則該式可簡化為（下述方程的因變量都是平均量，為清楚起見，略去了符號上的短橫）：時間導數項對流項擴散項源項湍流分析-湍流運動時均方程組實行雷諾分解和平均帶來了兩個后果：

忽略了流體的細節(jié)；時均化控制方程較之瞬態(tài)量的N-S方程增加了新的項

(稱為變量的湍流輸運通量)，它的出現(xiàn)使體系中未知量的數目超過了獨立方程的數目，原來封閉的瞬態(tài)量的N-S基本方程組變成了不封閉的時均控制方程組湍流模化方法湍流燃燒?；?/p>

湍流預混火焰

概述許多實用裝置中經常遇到湍流預混火焰

(火花點火式汽車發(fā)動機

)有關湍流預混火焰的理論描述還存在很多爭議

針對預混燃燒中的一些重要的問題進行討論

湍流火焰速度層流火焰的傳播速度僅取決于混合物的熱力性質和化學特性

湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣炔粌H取決于混合物的特性，而且還與流動特性有關

湍流火焰的速度可以表達為：

由于需要測定一個穩(wěn)定的火焰面積，使實驗測定湍流火焰速度變得十分復雜和困難

湍流預混火焰的結構–例瞬時火焰鋒面高度地波紋化

在瞬時火焰的鋒面有很多褶皺，其中火焰頂部附近的褶皺最大

反應區(qū)的位置快速地移動，其所產生的時均圖為一個厚反應區(qū)

（a）不同時刻得到的瞬時反應鋒面的疊加圖（b）同一湍流火焰的時平均圖

三個火焰區(qū)域皺褶層流火焰（此處湍流的作用是使層流火焰的鋒面皺褶和變形，參見上圖）擴散反應火焰

渦旋火焰區(qū)

火焰區(qū)域準則湍流火焰的基本結構取決于和與層流火焰厚度之間的大小關系

層流火焰的厚度與分子、非湍流、熱量或質量的傳遞有關

三個火焰區(qū)域的定義皺褶層流火焰（湍流的作用只是將層流火焰皺褶或扭曲）：渦旋火焰區(qū)：擴散反應區(qū)（反應區(qū)的傳播除了受分子過程的影響外，至少還受湍流的影響）：

采用無量綱參數描述火焰結構湍流雷諾數數Da

流動中大渦流的生存期：根據層流火焰計算的特征化學反應時間：

快速化學反應區(qū)

反應速度低于流體混合速度

采用無量綱參數描述火焰結構粗線上方：皺褶層流火焰區(qū)粗線下方：湍流擴散火焰區(qū)兩根粗線之間：渦流火焰區(qū)

皺褶層流火焰區(qū)化學反應發(fā)生在一個薄層里Da>1反應薄層與湍流的雷諾數有關化學反應速度高于流體混合速度假設火焰在一維平面層流火焰的平面內傳播

湍流的作用僅僅是將火焰皺褶，使火焰面積增加

皺褶層流火焰的一種簡單處理方式湍流火焰速度與層流火焰速度之比僅僅是皺褶火焰面積與時均火焰面積之比:

模型:Clavin和Williams模型:Klimov模型:皺褶層流火焰理論模型很小時

模型擴展

模型假定：純層流中層流火焰速度為常數；火焰面積Aflame與流動速度成正比：于是：=類似地，將這個思想擴展到湍流其中皺褶的面積為火焰面積與時均面積之差：

皺褶層流火焰理論模型預測與實驗的比較

模型的直線預測與實驗數據的變化趨勢并不一致

Klimov模型的常數由實驗數據獲得，所以實驗數據和模型曲線吻合較好

皺褶層流火焰理論模型的局限皺褶層流火焰區(qū)湍流火焰速度Sl的理論模型未考慮長度尺度等其他的湍流特性

湍流火焰速度的相似性可以說明長度尺度與湍流火焰速度是無關的

要使火焰速度關系式應用到工程設計中去，還需要做進一步的研究

擴散反應區(qū)長度尺度和數均小于1同時要求很小和很大

在這種反應區(qū)內污染物的生成速率很低，所以研究該區(qū)域內化學反應與湍流的關系很有意義

擴散反應區(qū)內的湍流火焰?zhèn)鞑ピ?/p>

擴散反應區(qū)特點所有長度尺度均在反應區(qū)內

反應時間長于渦流的生存期（Da<1），速度脈動、溫度脈動以及組分質量分數脈動都同時存在瞬時化學反應速率只與瞬時溫度、瞬時組分質量分數有關，并且其自身也有脈動

時均反應速率除了與平均值有關外，還與脈動值有關

雙分子單步化學反應平均反應速率反應速率

質量分數形式，瞬時值時均值+5個雙變量關聯(lián)項

+3個三變量關聯(lián)項

湍流明顯地帶來了非常復雜的問題?。。u流火焰區(qū)特點：中等的數，高湍流強度

燃燒區(qū)由一些未燃的氣團和差不多已經完全燃燒的氣體組成

旋渦破碎模型為了使未燃混合氣與熱煙氣之間有充分的接觸面積以利反應進行，未燃氣團破碎為更小的氣團

燃燒速度即取決于未燃氣團破碎為更小的氣團的速度

燃燒速率與化學反應速度無關，完全取決于湍流混合的速度單位體積內燃料的燃燒速率：

（各向同性湍流）容積質量燃燒速率只取決于湍流特性Y、和渦流的特征回轉時間

與描述皺褶層流火焰區(qū)的理論不同,旋渦破碎模型表明：在確定湍流燃燒速率時，長度尺度非常重要

液滴蒸發(fā)與燃燒

§8.1應用背景

實用液體燃料火焰一般為以下兩種：(2)壓力霧化火焰，其中噴霧動量比起空氣流動量來并不大。在這種情況下、火焰的特征尺寸將更多地取決于空氣流的流型而不是燃料的噴霧．（1）湍流射流擴散火焰，其中燃油用高壓空氣或蒸汽霧化(氣動霧化)，且燃料噴霧的動量大得足以保證能引射進完全燃燒所必需的助燃空氣。影響噴霧液滴燃燒的主要因素是：(1)液滴尺寸；(2)燃料的成分;(3)周圍氣體的成分、溫度和壓力；(4)液滴和環(huán)境氣體之間的相對速度。

§8.2液體燃料的霧化機理

液體燃料借助霧化器噴入燃燒室，使液體碎裂為尺寸處于指定范圍中的液滴、并控制液滴的空間分布．形成油膜或油柱出現(xiàn)波紋和擾動形成油線或空洞分散成小油滴大油滴1.液滴的形成過程從液膜形成液滴的理想化過程2.油束

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。

液滴變形與碎裂的程度取決于作用在液滴上的力與液滴表面張力的比，即射流。

Re1由圓孔產生的射流或油束，可用3個無量綱參數來表示。Weber數Renailds數Ohnesorge數

應用射流Renailds數

與Ohnesorge數Z可作出各種油滴的破碎狀態(tài)分區(qū)圖

Ⅰ區(qū)為滴下液滴區(qū)Ⅱ區(qū)為光滑液流區(qū)Ⅲ區(qū)為波紋區(qū)Ⅳ區(qū)為噴霧區(qū)§8.3液滴蒸發(fā)的簡單模型

應用：氣態(tài)質量守恒方程、氣態(tài)能量方程式、液滴表面氣態(tài)能量平衡、液滴的液態(tài)質量方程求：液滴蒸發(fā)率m，液滴半徑軌跡rs(t)，液滴壽命t,液滴溫度分布T(r)1假設：1)液滴的蒸發(fā)處于靜止的、無限的介質中；2)

蒸發(fā)過程是穩(wěn)態(tài)的，即準定常過程；3）燃油為單一成份且不溶于空氣；4）液滴溫度均衡，且為其蒸發(fā)溫度，即Td

＝Tboil。5）Lewis數為1，即α＝D，6）設所有的熱物理性能，如密度、熱傳導系數、比熱等都是常數。

2.模型由以上假設，1)．質量守恒與連續(xù)性方程2．方程2）能量守恒方程圖8.5蒸發(fā)液滴的能量平衡

a)氣相平衡

b)液滴表面平衡

為簡便起見，我們設Z≡cpg/4πk,則上式可寫成解方程8.4可得氣態(tài)下的液滴溫度分布T(r)。解此方程需要兩個邊界條件：

T（r—∞）=T∞8.5(a)T（r=rs）=Tboil,8.5(b)對方程8.4進行變量分離并兩次積分，得

代入二個邊界條件8.5a、b，可得C1、C2，將其代入方程8.6，并求冪并去掉對數，得3)液滴的氣相表面能量平衡我們可假設液滴溫度均為Tboil，所有的熱量都用來使燃油蒸發(fā)而不傳入液滴內部。則液滴氣相表面能量平衡方程如下：括弧內的式子定義為交換數可得4）液滴蒸發(fā)時間 通過質量平衡——液滴質量減少的速率等于氣體質量增加的速率，我們可得到液滴半徑或直徑的軌跡，

將方程8.15與8.13代入8.14，并微分由此積分可得令D2（t）=0,可得液滴完全蒸發(fā)所用時間td,

§8.3液滴的燃燒模型當化學反應速度為無窮大時，因而火焰峰為幾何表面，把流場分成內外兩區(qū)．內區(qū)只有燃料蒸汽和燃燒產物，外區(qū)只有氧化劑和燃燒產物。為此，可以畫出如圖3．4所示的靜止介質中液滴燃燒時的準定常蒸發(fā)模型。靜止介質中液滴燃燒時的準定常蒸發(fā)模型

由物理模型可知．需要求的未知數有：蒸發(fā)速度m，燃燒溫度Tf，火焰鋒半徑rf，液滴表面溫度Ts。，液滴表面燃料蒸汽相對重量濃度Yf,s等五個未知數。為此，我們可以在A區(qū)列出一個擴散方程，一個能量方程。同時還可列出液滴表面飽和蒸汽濃度(相對重量濃度)與液滴溫度的關系方程。8.3.1靜止狀態(tài)下的液滴燃燒模型1假設由球對稱火焰包圍的燃燒液滴處于靜止、無限的介質中。忽略對流。2)與以上分析一樣，燃燒過程是定常的。3)燃油液滴為單一成份，且不溶于氣體。液氣界面相平衡。4)壓力均勻且為常數。5)氣相中僅包括三種成份：燃油蒸氣、氧化劑及燃燒產物。氣相區(qū)可分為兩個區(qū)域：里側從液滴表面到火焰表面，只包括燃油氣及燃燒產物，外側則包括所在氧劑與燃燒產物。因此每個區(qū)都有兩相傳播。6)火焰中的燃油與空氣為化學計量比。當其化學反應速率極高，達到極限時視作無限大，火焰面極薄，近似為零。7)路易士數Le=αD=kg/ρlcpgD，為一定數。8)忽略輻射熱傳導。9)氣體的熱傳導系數kg、比熱cpg、及密度與擴散率的積ρD，皆為常數。10)液態(tài)燃油是唯一的凝固相，無煤煙及液態(tài)水滴存在。1)質量守恒所有氣態(tài)質量守恒都如同我們前面所述的一樣，即

2方程2)氣體組份守恒（1）內側區(qū)域

對內側區(qū)域來說，最重要的擴散氣體是燃油蒸氣。設A為燃料，B為燃燒產物，則在里側區(qū)域應用Fick定律，有Fick（費克）定律可寫為:

其一階微分方程一定滿足液滴表面及液—氣平衡曲線的二個邊界條件：在火焰面處，燃料耗盡，

應用火焰表面參數（方程8.27a、b），解方程8.26，得（2）外側區(qū)域在外側區(qū)域,重要的摻混氣體是空氣，它沿徑向向火焰內傳輸。在火焰面，空氣與燃料的化學計量比按下式計算:1kg（燃油）+νkg（氧氣）＝（1＋ν）kg（產物）

8.32因此外側區(qū)域的Fick方程為得到有關

mF

、rf

的代數關系式邊界條件3)能量守恒由于我們定義化學反應在邊界，即火焰面上進行，反應區(qū)極薄，近似為零，則火焰面內、外的反應速率皆為零。因此由純蒸發(fā)得出的能量方程同樣可用于液滴燃燒。邊界條件為，其一般解為將邊界條件代入8.40在rs≤r≤rf

的內側區(qū)域，應用方程8.41a、8.41b兩個條件，可得其溫度分布為同理，對rf≤r≤∞的外側區(qū)域，將8.41c、8.41d代入方程8.42，得4)液滴表面的能量平衡圖8.8表示蒸發(fā)液滴表面的熱傳導速率及焓的流動。

用式子表示

傳入液滴內部的熱有幾種處理方法，最常用的是建立雙區(qū)液滴模型：液滴內部的均勻處于原始溫度T0的區(qū)域，及溫度為Ts的液滴表面層區(qū)域。即所謂的洋蔥皮模型。5)火焰面的能量平衡

如圖8.8所示各種能量在火焰表面的流動關系。由于火焰溫度是系統(tǒng)中最高的，熱量同時向液滴與介質空間傳遞，其傳遞的熱分別為Qf-i

與Qf-∞。由火焰釋放的化學能可由計算燃料的流量、空氣及燃燒產物的絕對焓得到。則火焰表面的能量平衡可寫成：

在液滴表面與火焰之間不存在產物的交叉流動，

因此所有的燃燒產物快速流向火焰外，

故方程8.55可寫成

我們可選擇火焰溫度作為參考狀態(tài)，方程可簡化為

我們再次應用傅立葉定律及前面已導出的溫度分布來計算熱傳導量Qf-I,Qf-∞，6)氣液平衡在氣液分界面，部分燃料的壓力為并有和將方程8.64、8.65代入8.66，就得

Ⅰ(8.30)內側區(qū)域的燃料守恒Ⅱ(8.38)外側區(qū)域的空氣守恒Ⅲ(8.54)液滴氣液界面的能量平衡Ⅳ(8.63)火焰面的能量平衡Ⅴ(8.67)應用Clausius-c的液氣平衡

通過聯(lián)立Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ方程解出mF、rf

、Tf，將Ts設為對時間的已知參數，解得燃燒速度：火焰溫度為火焰半徑為

液滴表面的燃料質量分數為

液滴表面溫度燃燒速率常數與液滴蒸發(fā)時間

8.3.2對流環(huán)境下的蒸發(fā)與燃燒

在靜止介質中，邊界層可認為在無窮遠處，而在對流介質中，邊界層的厚度是有限的。工程上采用了一種近似方法即所謂折算薄膜方法。這一方法的基本思路是，把一個真實的二維軸對稱對流傳熱傳質問題轉化成一個等效的，在一個球對稱薄膜內的分子導熱和擴散問題，同時再找折算薄膜的半徑，與對流傳熱傳質強度的關系。于是，就可畫出如圖所示的對流介質中液滴蒸發(fā)的模型。

薄膜半徑以Nussult

數定義,Nu表示熱傳遞，

以Sherwood數Sh表示能量傳遞。

實際上，Nussult

數是液滴表面一個零維溫度梯度，Sherwood數則是液滴表面的零維濃度.

我們假設Sh=Nu。在強制對流下的液滴燃燒，提出下面計算Nu數的公式:

按照對流基本原理，對流影響外側區(qū)域的組分守恒關系（空氣分布方程8.37、38）和包括外側區(qū)域的能量關系（溫度分布方程8.44、火焰面的能量平衡方程8.63）。從而得出包括蒸發(fā)速度m，燃燒溫度Tf，火焰鋒半徑rf，液滴表面溫度Ts。，液滴表面燃料蒸汽相對重量濃度Yf,s等五個未知數。

8.3.3一維蒸發(fā)控制燃燒b)1物理模型2數學表達

分析：我們采用穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流體積控制分析法來解決。所選控制體積可擴展到整個燃燒室，其長度為△x（見圖8.11a）。1)質量守恒故流入與存留在控制體積內的質量相等，即

取極限△x→0，并由微分的定義，可得下列總質量的控制方程將上式積分,得如圖8.12a所示,取控制體積，僅包含液體

液體穿過燃燒器的速率與單位時間內進入燃燒器的液滴數N及單個液滴的質量有關。因為dx=vddt，可得

油的高效低污染燃燒§13.1汽油機燃燒技術13.1稀薄燃燒技術1）分層充氣燃燒

汽油機燃燒室內混合氣的空燃比是不均勻的，火花塞附近的混合比較濃，一般為12~14，而在其余的大部分區(qū)域，空燃比A/F大約在20以上。分層燃燒系統(tǒng)的類型：1）福特汽車公司的ProCo（可控燃燒發(fā)動機）2）德士古石油公司的TCCS

發(fā)動機統(tǒng)稱為DISC發(fā)動機，意為直噴分層燃燒發(fā)動機。

稀燃系統(tǒng)機構示意圖1.渦流控制閥2,3.噴油器4,5.火花塞

渦流軸向分層示意圖

滾流分層稀燃系統(tǒng)機構示意圖1.渦流控制閥2,3.噴油器4,5.火花塞

滾流均質稀燃系統(tǒng)機構示意圖1.渦流控制閥2,3.噴油器4,5.火花塞

13.2缸內直噴式汽油機缸內直噴發(fā)動機的研究經歷了三個階段：節(jié)流閥單點噴射、進氣道多點噴射（進氣道同步噴射與順序噴射缸內直噴。13.1.3多氣門技術多氣門技術的優(yōu)點為1．進、排氣面積增大，吸氣及排氣沖程損失減少，從而提高了每缸的比功率，同時改善了比油耗并降低了排放污染。2．進氣門的增加不僅提高了進氣效率，也提高了進氣運動，從而改善了混合氣的形成。

3．可提高壓縮比、提高熱效率。而壓縮比的提高使缸內殘余廢氣減少，點火延遲縮短，著火性能變好?！?3.2柴油機燃燒技術

保持快速燃燒和燃燒溫度

PM降低縮短擴散燃燒

改善燃油經濟性與降低PM低NOx排放區(qū)13.2.1

均質充量壓縮燃燒（HCCI）美國西南研究所提出了均勻充量壓縮燃燒

(HCCI)實驗裝置

HCCI燃燒相位控制方法可變技術在HCCI中的應用HCCI燃燒相位控制方法改變混合氣特性改變時間-溫度進程混合燃燒燃燒添加劑燃料預處理EGR調節(jié)進氣溫度噴射定時向氣缸噴水可變壓縮比可變配氣定時EGR可變壓縮比(VCR)

壓縮比是另一個影響燃燒相位較大的因素,改變壓縮比可以改變混合氣的密度和壓力,從而對其自燃溫度產生影響。改變壓縮比的主要方法是調整燃燒室容積、工作容積和改變配氣相位調節(jié)

可變配氣正時(VVT)

斯坦福大學對HCCI的研究主要集中在VVT的應用方面,其目的是在無節(jié)流損失的情況下,使HCCI能夠運轉于更大的工況范圍,并使其油耗滿足。噴射時刻提前,混合氣在高溫環(huán)境下所處的時間加長,所形成的混合氣更趨均勻,對HCCI的形成有利。利用VVT改變發(fā)動機氣門的開啟持續(xù)時間、升程和相位,以改變缸內新鮮工質的量和殘余廢氣量,起到了改變壓縮比的效果。因為殘余廢氣量的多少對缸內混合氣的溫度影響很大,從而達到改變混合氣的時間溫度進程的效果,這種效果同EGR類似,因此VVT又被稱作內部EGR。

可變壓縮比和可變配氣相位技術具有響應快、能隨工況變化進行及時調整、優(yōu)化燃燒的特點。但由于結構復雜,增加了發(fā)動機的成本和復雜度?？勺儑娚涠〞r及噴射量噴射時刻的不同對發(fā)動機性能和排放影響很大。噴射時刻提前,混合氣在高溫環(huán)境下所處的時間加長,所形成的混合氣更趨均勻,對HCCI的形成有利。日本豐田公司的UNIBUS所使用的兩個噴油嘴能夠根據工況進行噴射量和噴射時刻的調節(jié)以利于均質混合氣的形成。13.2.2

均質預混稀薄燃燒MK

所謂MK燃燒方式是指“低溫、預混合燃燒”。

圖12.10MK概念圖圖13.11擴大MK燃燒區(qū)的方法13.2.3柴油機電控技術

對噴油系統(tǒng)的期望是要有足夠的噴射壓力同時具有柔性噴油曲線。柴油機電控噴油系統(tǒng)可分為：位置控制系統(tǒng)：包括直列泵、電控分配泵系統(tǒng)時間控制系統(tǒng)：包括電控泵—噴嘴系統(tǒng)、電控單體泵等系統(tǒng)壓力時間控制系統(tǒng)：主要有增壓式共軌系統(tǒng)（或稱中壓共軌系統(tǒng)）與高壓共軌系統(tǒng)§13.3代用燃料與清潔燃料的開發(fā)與應用13.3.1LPG與NG（CNG）A：NG（CNG）天然氣作為汽車燃料始用于30年代,但是受到天然氣存儲技術的限制未能得到廣泛應用.直到本世紀70年代,隨著材料科學技術和制造工藝的進步,使天然氣在車輛上的使用成為可能.

另一方面,在嚴格排放法規(guī)的要求和激烈的商業(yè)競爭作用下,以電子控制技術為核心的車用發(fā)動機技術已日益成熟,促進了天然氣汽車的技術進步.各種天然氣發(fā)動機的燃料存儲和供給系統(tǒng)、專用電子控制系統(tǒng)、排放控制和廢氣凈化系統(tǒng)不斷地涌現(xiàn);對各種不同的發(fā)動機總體結構方案和控制策略的研究,使天然氣發(fā)動機的動力性、經濟性、排放性等各項性能不斷提高,與車輛的匹配也更加優(yōu)化,天然氣作為優(yōu)質燃料的潛力也充分發(fā)揮出來.2各種不同類型的天然氣發(fā)動機（1）由柴油機改造的天然氣發(fā)動機,采用壓燃工作方式；（2）類似汽油機的天然氣發(fā)動機,采用火花塞點燃。根據其供氣方式和控制技術又可以大致分為3種：