煤燃烧国家重点实验室SKLCC第四章第四章 可变形颗粒动力学可变形颗粒动力学§4－－1 液体的雾化液体的雾化当液体的流速极低或者相当高时，在气体中或者其它液体当液体的流速极低或者相当高时，在气体中或者其它液体中将会形成液滴，即出现所谓的液体雾化中将会形成液滴，即出现所谓的液体雾化液体雾化的基本机理是液体自由表面的失稳，取决于：液体雾化的基本机理是液体自由表面的失稳，取决于：1）扰动的振幅，无限小还是有限大；）扰动的振幅，无限小还是有限大；2）流场的形状，液体射流、液体薄片、大液滴分裂等；）流场的形状，液体射流、液体薄片、大液滴分裂等；3）流场中的主要作用力，表面张力、粘性力、压力、离）流场中的主要作用力，表面张力、粘性力、压力、离心力和（或）静电力心力和（或）静电力 煤燃烧国家重点实验室SKLCC1、流体流动稳定性中扰动幅度的影响、流体流动稳定性中扰动幅度的影响1）对于无限小扰动，有比较完善的流动稳定性理论，可）对于无限小扰动，有比较完善的流动稳定性理论，可给出扰动一开始将发展还是受抑制的条件；给出扰动一开始将发展还是受抑制的条件；2）对于有限大扰动，尚无精确的稳定性理论，大多雾化）对于有限大扰动，尚无精确的稳定性理论，大多雾化的研究是实验研究；的研究是实验研究；3）可用某些重要的无量纲参数处理实验数据；）可用某些重要的无量纲参数处理实验数据；4）引入韦伯数：）引入韦伯数：5）对一个直径为）对一个直径为d的大液滴的分裂，取的大液滴的分裂，取L=d, ρ=ρg, U=Ug-UL, 则，则， 若若We>12，则液滴将分裂。
则液滴将分裂 煤燃烧国家重点实验室SKLCC2、液体系统的外形、液体系统的外形1）液体的雾化取决于液体的形状；）液体的雾化取决于液体的形状；2）实用中应以最小的代价使液体在最大的面积上分裂并）实用中应以最小的代价使液体在最大的面积上分裂并散开；散开；3）一种可改善雾化过程性能和雾化效果的方法是采用扇）一种可改善雾化过程性能和雾化效果的方法是采用扇形喷嘴以形成液体薄片，在有限扰动时分裂成细条，直形喷嘴以形成液体薄片，在有限扰动时分裂成细条，直至再分裂成细小液滴；至再分裂成细小液滴；4）扰动的增长速度取决于韦伯数和雷诺数扰动的增长速度取决于韦伯数和雷诺数 煤燃烧国家重点实验室SKLCC3、各种雾化方式及装置中的各种力、各种雾化方式及装置中的各种力1）压力雾化）压力雾化强制液体通过一个小孔以达到液体的雾化强制液体通过一个小孔以达到液体的雾化l主要力：通过小孔的压力，液体的表面张力，液体粘性力；主要力：通过小孔的压力，液体的表面张力，液体粘性力；l流量取决于压降；流量取决于压降；l主要的无量纲参数为韦伯数和雷诺数主要的无量纲参数为韦伯数和雷诺数2）离心力压力雾化）离心力压力雾化l流体的流量由通过喷嘴的压降控制；流体的流量由通过喷嘴的压降控制；l在喷嘴前对液体提供离心加速度或作旋涡运动的动力；在喷嘴前对液体提供离心加速度或作旋涡运动的动力；l液体的有效韦伯数会因旋转而增大，从而得到更好的雾化。
液体的有效韦伯数会因旋转而增大，从而得到更好的雾化 煤燃烧国家重点实验室SKLCC3、各种雾化方式及装置中的各种力、各种雾化方式及装置中的各种力3）气动雾化）气动雾化液体射流或液滴处于高速射流中，在气速达到某一临界值时发液体射流或液滴处于高速射流中，在气速达到某一临界值时发生的分裂生的分裂l广泛应用于火箭发动机中的燃烧过程；广泛应用于火箭发动机中的燃烧过程；l韦伯数中的特征速度应取气体速度韦伯数中的特征速度应取气体速度4）超声雾化）超声雾化液滴用频率为液滴用频率为ω的超声波分裂的超声波分裂l液滴的大小取决于超声波的频率；液滴的大小取决于超声波的频率；l将频率将频率ω和液滴直径乘积作为特征速度；和液滴直径乘积作为特征速度； 煤燃烧国家重点实验室SKLCC 煤燃烧国家重点实验室SKLCC 煤燃烧国家重点实验室SKLCC2、下垂液滴的运动、下垂液滴的运动1）对于巨大介质中的一个孤立液滴，达到终端速度时的）对于巨大介质中的一个孤立液滴，达到终端速度时的受力受力A Ad d 为液滴的正投影面积，为液滴的正投影面积，V Vd d 为液滴体积为液滴体积2 2）考虑液滴为具有粘性的流体球，在）考虑液滴为具有粘性的流体球，在StokesStokes流动范围内，流动范围内，液滴的终端速度液滴的终端速度 煤燃烧国家重点实验室SKLCC3）液滴因周围介质的剪切作用，达到终端速度时的受力）液滴因周围介质的剪切作用，达到终端速度时的受力k k为阻滞效率引起的系数，取决于环流型式及为阻滞效率引起的系数，取决于环流型式及ReRe数数对于非球形液滴，对于非球形液滴，C CD D 应取实际液滴形状的系数值；应取实际液滴形状的系数值；对于大液滴，在下落过程中液滴将发生改变：对于大液滴，在下落过程中液滴将发生改变：大液滴大液滴 —— —— 扁平液滴扁平液滴 —— —— 分裂成小液滴分裂成小液滴 煤燃烧国家重点实验室SKLCC§4－－3 液体燃料的雾化性能液体燃料的雾化性能1、雾化角、雾化角指喷雾出口到雾炬外包络线的切线指喷雾出口到雾炬外包络线的切线 间的夹角，也称喷雾锥角间的夹角，也称喷雾锥角雾化角示意图雾化角示意图 煤燃烧国家重点实验室SKLCC1、雾化角、雾化角雾化角过大雾化角过大l油滴会穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，以至增油滴会穿出湍流最强的空气区域而造成混合不良，以至增加燃烧不完全损失，降低燃烧效率；加燃烧不完全损失，降低燃烧效率；l会因燃油喷射到炉墙或燃烧室壁上造成结焦或积灰。
会因燃油喷射到炉墙或燃烧室壁上造成结焦或积灰雾化角过小雾化角过小l燃油液滴不能有效分布到整个燃烧室空间；燃油液滴不能有效分布到整个燃烧室空间；l与空气的不良混合，局部空气系数过大；与空气的不良混合，局部空气系数过大；l燃烧温度下降，着火困难，燃烧不良燃烧温度下降，着火困难，燃烧不良一般雾化角在一般雾化角在60°~120°范围内范围内喷嘴直径和喷射压力增加，雾化角增大喷嘴直径和喷射压力增加，雾化角增大 煤燃烧国家重点实验室SKLCC2、雾化液滴细度、雾化液滴细度雾化后的液滴大小是不均匀的，可相差雾化后的液滴大小是不均匀的，可相差50~100倍倍1）索太尔平均直径（）索太尔平均直径（SMD)按所测得的所有液滴总体积与总表面积计算按所测得的所有液滴总体积与总表面积计算2）质量中间直径）质量中间直径液滴过粗：燃尽时间延长，燃烧液滴过粗：燃尽时间延长，燃烧速率降低；速率降低；液滴过细：易为气流带走，造成液滴过细：易为气流带走，造成燃料浓度不均燃料浓度不均对重油雾化，细度对重油雾化，细度100~200μm 粒度粒度40~400μm 煤燃烧国家重点实验室SKLCC3、雾化均匀度、雾化均匀度雾化后的液滴颗粒尺寸的均匀程度雾化后的液滴颗粒尺寸的均匀程度均匀度差：大液滴数目较多，对燃烧不利；均匀度差：大液滴数目较多，对燃烧不利；均匀度过好：大部分液滴直径集中在某一区域，使燃烧稳定均匀度过好：大部分液滴直径集中在某一区域，使燃烧稳定性和可调节性变差。
性和可调节性变差雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线雾化炬颗粒尺寸分布特性曲线 煤燃烧国家重点实验室SKLCC4、雾化射程、雾化射程水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能达到的平面与喷水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能达到的平面与喷口距离口距离射程较短：雾化角大，雾化粒度很细；射程较短：雾化角大，雾化粒度很细；射程较长：密集喷雾炬，吸入空气量较少射程较长：密集喷雾炬，吸入空气量较少5、流量密度分布、流量密度分布在单位时间内，通过与喷射方向相垂直的单位横截面上液体在单位时间内，通过与喷射方向相垂直的单位横截面上液体质量（体积）径向分布质量（体积）径向分布燃料分布特性燃料分布特性a)、、b)离心式机械喷嘴离心式机械喷嘴 rb >ra；；c)直流式机械喷嘴直流式机械喷嘴 煤燃烧国家重点实验室SKLCC§4－－4 液滴的蒸发液滴的蒸发1、液滴蒸发时的、液滴蒸发时的Stefen流流l液滴在静止高温环境下蒸发液滴在静止高温环境下蒸发 驱动力：驱动力：- 与蒸汽含量差；与蒸汽含量差；- 与周围介质温差；与周围介质温差；l产生的蒸汽向外界扩散途径：产生的蒸汽向外界扩散途径：-液滴蒸汽的分子扩散；液滴蒸汽的分子扩散；-蒸汽、气体以某一宏观速度蒸汽、气体以某一宏观速度ugs离开液体表面的对流流动。
离开液体表面的对流流动 煤燃烧国家重点实验室SKLCC液体周液体周围围成分分布成分分布m mxgxg- -空气中空气空气中空气质质量分数量分数 m m lglg – –空气中蒸气空气中蒸气质质量分数量分数 m m xgsxgs- -液滴表面蒸气液滴表面蒸气质质量分数量分数 m m lgslgs ––液滴表面空气液滴表面空气质质量分数量分数 煤燃烧国家重点实验室SKLCC1、液滴蒸发时的、液滴蒸发时的Stefen流流l由于含量梯度存在：由于含量梯度存在：- 蒸气不断从表面向外扩散；蒸气不断从表面向外扩散；- 空气从外部环境向液滴表面扩散，但不能进入液滴或在表空气从外部环境向液滴表面扩散，但不能进入液滴或在表面凝结；面凝结；l为平衡空气的扩散趋势，会产生反向流动，即以液滴中心为平衡空气的扩散趋势，会产生反向流动，即以液滴中心为源的为源的Stefen流流 煤燃烧国家重点实验室SKLCC2、相对静止环境中液滴的蒸发、相对静止环境中液滴的蒸发l当周围介质的温度低于液体燃料沸点时，液滴比蒸发率为当周围介质的温度低于液体燃料沸点时，液滴比蒸发率为高温下液滴蒸发的能量平衡图高温下液滴蒸发的能量平衡图 煤燃烧国家重点实验室SKLCC2、相对静止环境中液滴的蒸发、相对静止环境中液滴的蒸发l液滴所得热量等于蒸发所需热量时的温度称为液滴蒸发的液滴所得热量等于蒸发所需热量时的温度称为液滴蒸发的平衡温度平衡温度l液滴表面的蒸气比流速率为液滴表面的蒸气比流速率为经变换，在相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率经变换，在相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率 煤燃烧国家重点实验室SKLCC2、相对静止环境中液滴的蒸发、相对静止环境中液滴的蒸发lB值的物理意义为：在蒸发和燃烧过程中，出现了值的物理意义为：在蒸发和燃烧过程中，出现了Stefen流流后，就需用无因次迁移势考虑后，就需用无因次迁移势考虑l对不同燃料在空气中的对不同燃料在空气中的B值近似为常数值近似为常数不同燃料的不同燃料的B B值值 煤燃烧国家重点实验室SKLCC3、液滴群的蒸发、液滴群的蒸发l在实际喷嘴雾化过程中，液滴是由大小不同的液滴组成；在实际喷嘴雾化过程中，液滴是由大小不同的液滴组成；l根据雾化均匀度分布，单位体积液雾具有直径根据雾化均匀度分布，单位体积液雾具有直径d1的液滴颗的液滴颗粒表达式粒表达式经过时间经过时间τ蒸发后，所剩下的液滴直径为蒸发后，所剩下的液滴直径为• 在时间在时间τ后凡是颗粒直径小于后凡是颗粒直径小于（（K1τ））1/2的液滴已全部蒸发；的液滴已全部蒸发；• 此时的单个液滴体积为此时的单个液滴体积为 煤燃烧国家重点实验室SKLCC3、液滴群的蒸发、液滴群的蒸发l在时间在时间τ后未蒸发完的所有液滴的总体积后未蒸发完的所有液滴的总体积经过经过τ后未蒸发的不同尺寸液滴的百分含量（体积）和液滴直径数后未蒸发的不同尺寸液滴的百分含量（体积）和液滴直径数 。