为了以后研究的方便起见,我们定义Z=cpg/4πk,则: 求解方程(2-1)可以得到气相下的温度分布T(r)。这个方程有两个边界条件: 边界条件 1: (2-2a) 边界条
为了以后研究的方便起见,我们定义Z=cpg/4πk,则:
求解方程(2-1)可以得到气相下的温度分布T(r)。这个方程有两个边界条件:
边界条件 1: (2-2a)
边界条件 2: (2-2b)
方程(2-1)求解,需两次分离变量并积分。第一次积分后可得:
其中C1是积分常数。进行第二次分离变量并积分,可得通式:
其中C2是第二个积分常数。将方程(2-2a)代入方程(2-3),将C2用C1表示:
将C2代回到方程(2-3),并应用(2-2b),而且将对数换为指数,解出C1,即:
将C1代入上面C2的表达式里,便可得到:
最后,将C1,C2代回到通式中便可以得到温度分布。得到的结果有一些复杂,如下:
通过方程(2-4)并不能解出蒸发率,但从中能解出传递到液滴表面的热量。前面我们假定液滴温度均匀分布,热量都用于蒸发燃料,因而没有热量会往液滴内部传递[8]。相比于考虑液滴短暂加热过程要,这种假设处理方法要简单一些。表面能量平衡可写成:
将Fourier定律代入Qcond中,注意到正负号变化,可得:
对方程(2-4)求导,得液滴表面处的气相温度梯度为:
将这一结果代入到方程(2-6),然后求解 ,可得:
在燃烧学里将其中的项定义为: 有:
参数B就像雷诺数一样,在燃料学里有着很重要的意义,经常出现在这一领域的文献中.有时它被称为斯柏尔丁数,或传质数。
2.2 传质数的计算 传质数的定义为:
引入无量纲守恒标量
液滴蒸发所需的热量q由两部分组成:一是将液滴温度升高到 Tw 所需的能量;二是液滴在Tw下蒸发为气体所需的汽化潜热HL ,即
式中cd 为液滴的比热容。
由于B=BD=BT,传质数B的计算公式可统一表示为
(2-10)
由于液滴的表面参数如Tw 和Yw未知,故传质数的计算还需要考虑更多的模型,一般根据环境温度T∞ 相对于沸点TB 的相对大小来选择不同的计算方法[9]。
(1)当环境温度远高于液滴沸点,即T∞ 远大于TB时,Tw ≈ TB,Yw ≈ Yi 。
由于 ,则 ,即传质速率无限快,液滴瞬间雾化,相应传质数可由(2-10)式直接计算。燃烧室正常燃烧为这种情况。
(2)在液滴的环境温度 T∞ 相对于沸点温度TB不是很高的情况下,可假设Tw ≈ Ti,且由实验所得温度变化中可以看出,这种假设带来的误差不大。由传质式(2-10),将Tw = Ti代入 ,可得传质数为
(3)当环境温度远低于沸点温度时,Tw ≈ T∞,则BT = 0,相应的传质数可由(2-8)式来 计算,但表面质量分数Yw还未知,需要采用液滴蒸发表面满足饱和蒸气热力学平衡条件。燃烧室低温点火燃烧即为这种情况。
2.3 液滴的蒸发时间
液滴从半径R变为0时,液滴蒸发便结束,其间经历的时间称为液滴的蒸发时间。