英语原文共 29 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

单液滴着火：理论分析与实验发现

Suresh K. Aggarwal

摘要

喷雾着火是许多推进装置及能量转换设备中的重要过程。与气态的混合物相比，喷雾的着火过程更加复杂，因为后者的着火燃烧模式有单液滴着火燃烧、液滴群着火燃烧以及喷雾着火燃烧三种。单液滴着火往往表现为火焰在液滴周围或者其尾迹区域的出现。火焰的尺寸与液滴直径在一个数量级上。液滴群或者液滴组的着火是指在液雾的周围或者内部发生的着火燃烧。喷雾着火是指特征尺度比液滴大若干数量级的全局火焰的出现。在以上的三种模式中，着火之前都会发生燃油液滴的蒸发、可燃气态燃油-空气混合物（可燃混合气）的形成以及生成足够自由基的化学反应的启动等现象。在给定的两相性质下的显性着火燃烧模式鉴别是一个非常基本的、具有实际重要性的问题。层流与湍流喷雾着火现象分别被Aggarwal[1]和Mastorakos[2]所研究。而Annamalai和Ryan[3]则给出了关于液滴群着火燃烧的相关研究成果。在这篇文章中，我们讨论了关于单液滴着火的实验、理论及计算三方面的研究工作。研究的主要内容包括：描述滞止环境中燃油液滴着火的准稳态与非稳态模型、高压环境中的液滴着火现象、液滴着火的对流效应，以及多组分燃料液滴着火现象。关于单液滴两阶段着火行为和负温度系数着火行为的相关研究也在文中进行了讨论。最后，本文对液滴着火模式、液滴群着火模式和喷雾着火模式之间的关系进行了简单的讨论。同时，本文也指出了未来研究工作的可能主题。

关键词：液滴着火，准稳态，瞬态模型，两阶段着火，多组分

术语

1. 综述

液滴喷雾燃烧涉及工业熔炉、锅炉、燃气轮机、柴油机、汽油机和火箭引擎。着火是这些系统运行过程中的重要事件。在着火之后便有火焰出现。火焰以局部火焰速度向喷雾区、两相混合区传播，或者进入稳定状态，这些现象取决于混合物的条件。喷气发动机燃烧室中的燃油喷雾着火在众多条件下均存在快速可靠着火的有利条件，并且其与火焰稳定及瞬态燃烧问题有着密切联系，因此它是一个意义重大的过程。类似地，对于直喷式汽油机来说，一个快速的控制良好的着火过程对于发动机的效率与排放具有重要影响。在柴油机中，喷入高温高压环境的燃油喷雾的自燃是其运行过程中的重要过程。许多需要避免着火的系统中的安全问题也是喷雾燃烧研究推动因素之一。例如矿井爆炸、工业过程安全、地球与太空环境的消防安全，以及对于预混燃气轮机燃烧室的混合物输运系统中的自燃预防等等。

与气态混合物相比，喷雾中的着火过程明显更加复杂，因为后者的着火状态可以被定义成三种不同的着火模式，分别称为：液滴着火、液滴群着火和喷雾着火。在所有的三种模式中，着火之前都会发生燃油液滴的蒸发、可燃气态燃油-空气混合物（可燃混合气）的形成以及生成足够自由基的化学反应的启动等现象。这些过程取决于局部及全局喷雾性质，这些性质包括温度、压力、全局和局部当量比，还取决于其他气体和分散相的特性。单液滴着火指的是在尾迹区内或者液滴周围产生火焰，其尺度与液滴直径在同一数量级上。液滴的着火事件使得液滴周围产生扩散火焰的情形明显区别于单纯蒸发时的情形。这对于喷雾燃烧的火焰稳定性以及污染物的形成有一定影响。在喷雾燃烧模型中，着火事件的识别是十分重要的，因为它决定了相关的非均质燃烧。并且在着火之后，传热传质速率也会发生明显的变化。普通的液滴着火情形备受关注，因为它包含了在一个高温氧化环境中的单液滴着火或自燃的情形。而在一些实验研究中，也引入了火花塞来引燃单液滴。着火时间定义为：从液滴被引入高温环境的瞬时到在液滴附近探测到火焰的瞬间所经过的时间。

另一方面，在液态喷雾着火中，特征尺度为液滴大小若干个数量级的全局火焰协同整个喷雾而出现。喷雾着火可以被外源点燃，比如一些燃气轮机燃烧室中的电火花塞、内燃机的火花塞，有的甚至没有固定位置的点火源（例如一些柴油机中的自燃）。电火花的引入造成了局部的强烈蒸发、高反应活性和放热率的区域。这些区域中，一般被称为着火核心的区域，存在着一些正在蒸发的小液滴。在点火期间，着火核心的温度急剧升高，但因为蒸发和向周围散热的关系而又随之降低。当化学反应加剧、放热反应开始，温度又开始上升，温度变化趋势中的拐点经常被用来判定着火的发生。自发喷雾着火涉及在高温高压的氧化环境中的两相混合物的引入。着火核心的概念在这里不会被引用，虽然它可以被应用于各种自燃情形。着火延迟一般指从可燃混合物的形成到火焰的出现所经历的时间间隔。在柴油机中，它被定义为从燃油喷射开始到火焰的出现之间经过的时间间隔。火焰的出现是通过温度的剧烈升高或者OH类基团浓度的急剧上升来探知的。在这种情况下，着火位置对于火焰稳定性[4,5]和发动机燃烧及排放有重要的影响。液滴群（或称云滴）的着火[3]是一种可以被当作其他两种着火模式研究成果“桥梁”的中间情形。这里也有一个典型的物理模型，来研究在一个高温氧化环境下的特殊重力场内的一群液滴的情形。接着，根据两相条件的不同，着火可能发生在液滴群的外部或者内部。后者的情形中，着火会涉及到一个或者几个液滴。

以上的三种着火模型如图1所示。图中展示了在一热壁面上流动着的液态燃料喷雾着火的过程[1]。在图中展示的三种着火模式中，具体发生哪一种则取决于流动条件、喷雾性质、液态燃料的装填，以及壁面温度等等因素。

热边界层

喷雾着火

液滴群着火

热壁面

单液滴着火

两相混合物

图1. 热壁面热边界层中两相混合物的着火简图。三种着火模式分别称为单液滴着火、液滴群着火以及喷雾着火。（来自参考文献[1]）

显而易见，显性着火模式（以及一种鉴定其产生的合适准则的发展）和两相混合物着火位置的确定是具有理论和实际重要性的。着火模式对于其后产生的喷雾火焰结构、燃烧室性能、火焰稳定性、排放性能等具有重要影响。例如，关于喷雾火焰在单液滴周围发生、还是在液滴群的周围产生，抑或是在混合物全局引发的问题，即显性喷雾燃烧模式问题，可能就与显性着火模式的判定有着直接的关系。它在污染物的形成和火焰稳定性方面也有应用。例如，如果燃烧过程中主要发生的是单液滴着火或者液滴群着火，那么着火模式主要影响氮氧化物、一氧化碳和碳烟的排放。这方面的证据之一，由Rah等人的实验研究提供。他们通过实验观察发现，碳烟和氮氧化物的排放与燃油液滴的着火、液滴束周围火焰的形成有密切关联。大量碳烟在液滴周围形成包围火焰之后形成。三种着火模式之外的其他着火情形也是很有趣的。其一就是Russo和Gomez的一个例子[8]，涉及不在喷雾火焰包围范围之内的液滴以及被引燃的液滴。一个重要的蒸发参数：达姆科勒数，它表征蒸发时间和阻滞时间的比值，也被用于确定液滴着火的发生。他们的研究指出了三类着火模式在一束喷雾中发生的概率。

本文回顾了三种着火模式实验研究所揭示的内容。这篇论文的焦点在单液滴着火模式上。因为关于喷雾着火的研究，Aggarwal[1]和Mastorakos[2]已经有所陈述。同时，关于液滴群的着火也被Annamalai和Ryan[3]论述过。单液滴着火是一个涉及流体力学、热力学、传热传质理论以及化学动力学的十分基础的问题。单液滴着火基础性研究也和高密度燃料的燃烧、液态推进剂的燃烧、材料合成以及用火安全息息相关。

在这篇评论中的基础性问题涉及到高温氧化环境中的单液滴的引入。由于与外界环境之间的传热，液滴表面的温度开始上升，并且液滴的蒸发随之开始。所产生的燃油蒸气与氧化剂混合形成局部的可燃混合物，并且，包括最初的预混合燃烧在内的化学活动也开始了。当化学反应进一步加强，部分预混与之后的非预混燃烧也因为液滴表面充满了氧气而变得更加普遍。另外，放热反应也开始了。结果就是，液滴附近的气体温度开始上升，并且可能有火焰在液滴的附近出现。液滴着火延迟的定义为：从液滴被引入到高温气体环境中的瞬间到着火事件探知之间经过的时间间隔。着火事件的探知是通过探测温度或者化学基团（OH）浓度尖峰来实现的，或者也可以通过探测包覆火焰¹的形成来确定这一事件的发生。着火延迟包含物理延迟和化学延迟。物理延迟期间，液滴被加热，并且燃油蒸气向外扩散。化学延迟是化学反应达到失控条件所需的时间。从涉及到的物理和化学过程角度来确定着火的关键条件是一个具有基础性价值的问题。这就是液滴着火延迟时间以及相关影响参数的确定。最后，个别液滴的着火性能以及决定这种着火性能与着火时间的条件（从液滴尺寸，燃料的挥发性，周围环境的状态特性比如温度、压力和氧气浓度等等角度出发）是最基本的关键信息。

当液滴的蒸发与着火问题[9,10]被广泛地研究的同时，关于液滴着火的研究却相对较少。关于液滴着火的理论与计算研究可以大致分为两大团体，分别称作准稳态分析和瞬态分析。准稳态分析

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[151981]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word