第三章燃燒物理基礎與內燃機傳熱

1、第三章第三章 燃燒物理基礎與燃燒物理基礎與內燃機傳熱內燃機傳熱主講人：堯命發(fā)內容提要內容提要燃燒的物理基礎 分子輸運的基本規(guī)律 輸運系數(shù)的性質 邊界層概念 有流動時的傳熱傳質內燃機傳熱 內燃機傳熱特性 內燃機傳熱損失 內燃機缸內傳熱系數(shù)燃燒物理基礎燃燒物理基礎各種工程設備中的燃燒過程，都不是單純的化學過程，而是與如流體運行、物質擴散及熱量傳遞等物理現(xiàn)象密不可分，并且這些物理過程往往是決定燃燒性能的控制因素。在燃燒現(xiàn)象中，除傳統(tǒng)的流體運動外，還必須考慮如新鮮可燃氣、氧化劑、燃燒產物、惰性氣體等氣體中的不同組份，必須考慮到傳熱傳質問題，因此它比經典的流體力學更復雜。分了輸運的基本規(guī)律分了輸運的基本

2、規(guī)律若流體中有速度差、溫度差和濃度差，就會出現(xiàn)動量、熱量和物質的傳遞（輸運）問題輸運特性包括：滯粘性、熱傳導和擴散主要討論層流態(tài)下，由分子運行引起的輸運現(xiàn)象和規(guī)律牛頓粘性定律： 流體對下板有一切向力，單位面積上的切 向作用力正比于速度u，反比于距離式中：-動力粘度系數(shù)，若把運動粘度系數(shù)=/代入則有：表達了：剪切應力與動量梯度的關系。 xy動量傳遞方向u=0u運動平板分了輸運的基本規(guī)律分了輸運的基本規(guī)律傅里葉導熱定律： 由于分了熱運動，熱量通過流體層由熱 板傳向冷板，單位時間、單位面積上的 熱流q”和溫差（T-Tw)成正比，和距 離t成反比。式中：k-導熱系數(shù)，導熱系數(shù)表示為密度，比熱容 和熱擴

3、散率的乘積：xyt傳熱方向TwT靜止流體熱平板擴散速度和擴散速度和FickFick定律定律擴散：由于氣體各部分的密度不同，使氣體分子從密度較大的區(qū)域自發(fā)地傳遞到密度較小的區(qū)域，此時被輸運的是質量。密度梯度引起的氣體擴散，主要分為二種：一是自擴散同一種氣體因本身密度不同而引起的擴散；一是互擴散發(fā)生在不同種氣體間的擴散。在某些特殊情況下，由于溫度差別，也會引起質量的輸運。費克(Fick)擴散定律：描述了物質傳輸?shù)囊?guī)律，它可以用物質的濃度、分壓或質量分數(shù)來表示。用濃度表示的Fick定律：兩塊平行的多孔板 ，中間充滿靜止流體B，另一種流體A 從下板輸入，由分子運動通過靜止流 體B擴散到上板，則A的質量

4、流強 為： 組分A穿過組分B的擴散系數(shù)(m2/s 或 cm2/s），與A和B的性質有關，通常假定與組分濃度無關。xyD傳質方向AWA靜止流體B擴散速度和擴散速度和FickFick定律定律用分壓表示的Fick定律：設質量為m，相對分子量為Mr，物質的量為n，則三者的關系為m=Mrn，質量濃度可以表示為： 費克定律可以表示為： 用質量分數(shù)表示的Fick定律：設有兩種組分，質量分別為mA, mB，總質量m= mA+mB，則組分A的質量分數(shù)為： 無下標的量代表總的混合物。在燃燒問題中，經推導上式可以簡化為： 因為質量分數(shù)是無量綱量，所以用于有化學反應時比較方便。 擴散速度和擴散速度和FickFick定

5、律定律分子輸運的相似性和雷諾比擬：動量、熱量和物質通過分子傳遞時在物理上的共性，決定了上述粘性、傳熱和擴散形式上的一致性。利用這種一致性，可由某物理量的計算結果，類比得出另一物理量的結果。這種方法稱為“雷諾比擬”。三種傳輸定律可寫成通用形式：在燃燒過程中，動量輸運、能量輸運和質量輸運常常是同時發(fā)生，因此常常需要討論三種輸運系數(shù)間的關系，這種關系可用三個無量綱數(shù)表明，即Pr(Prandtl)普朗特數(shù)，Sc(Schmidt)施密特數(shù)，Le(Lewis)路易斯數(shù)。其物理意義：Pr代表動量輸運和熱量輸運之比Sc代表動量輸運與質量輸運之比Le代表質量輸運與熱量輸運之比對于常見的氣體，以上三個準則數(shù)值分別

6、為0.67, 0.83, 1.25，有時為了簡化，假定它們都為1 輸運系數(shù)的性質輸運系數(shù)的性質根據(jù)分子運動理論，可得出在低壓下氣體的動力粘度系數(shù)（g/(cms)）為：單原子氣體導熱數(shù)（J/（cmks)低壓氣體的擴散系數(shù)（cm2/s）為： T為絕對溫度，T；Mr相對分子量（無量綱）；P壓力（MPa);分子直徑（nm); ,c修正因子，稱為碰撞積分，手冊可以查出。 氣體粘度、導熱和擴散系數(shù)隨著溫度升高而增大；擴散隨壓力升高而降低。對于混合物的氣體輸運系數(shù)，可以參考其它資料進行混合物的計算，但輸運系數(shù)的計算中，不能象其它物性參數(shù)一樣，用質量平均法求混合物的值。邊界層概念邊界層概念速度邊界層：速度為u

7、流動的等溫流體，由于流體的粘性，在流體中的固體壁面將對流動產生阻礙，在壁面附近形成一個速度變化很大的流體層，稱為流動邊界層萁（速度邊界層）yxu(y)u(x)Lu流速由接近自由流速u變到壁面處的u=0。實際上壁面對流速的影響在距壁面很遠處都是存在的，但從工程觀點看，可以認為只影響邊界層厚度以內，在這一層內要考慮粘性的影響。根據(jù)理論計算，在層流條件下，距平板前沿L處的附面層厚度以及平板上的剪應力及阻力系數(shù)CD為：邊界層概念邊界層概念熱邊界層：在溫度為T氣流中，沿流動方向置一溫度和TW (TW T)的平板，由于溫度不均勻性，熱量將從流體流向壁面。與速度邊界層類似，溫度將在靠近壁面的一薄層內變化很大

8、，從壁面的TW變化到接近自由流溫度T這一流體層稱為熱邊界層。yxT(y)Tt(x)LT熱邊界層厚度t 是流動邊界層厚度和普朗特數(shù)Pr的函數(shù)。假設速度分布不受熱流影響，比較簡單的熱邊界層厚度為：Tw在穩(wěn)定傳熱的情況下，根據(jù)傅里葉定律，進入壁面的熱流強度等于流體導熱系數(shù)和壁面處垂直于壁面的流體溫度梯度的乘積：式中（k/)常稱為“傳熱系數(shù)”，記作邊界層概念邊界層概念熱流強度有：由傳熱學基本原理，k和L可組成一個無量綱準則，即努塞爾(Nusselt)數(shù)，Nu在強迫對流條件下，Nusselt數(shù)是雷諾數(shù)和普朗特數(shù)的函數(shù)，即： Nu=f(Re, Pr)；在自由對流下，Nu是格拉曉夫(Grashof）數(shù)Gr和

9、Pr的函數(shù)，即Nu=f(Gr, Pr)，Gr定義如下：Gr的物理意義是浮力與粘性力之比，它在自然對流條件下所起的作用和雷諾數(shù)在強迫對流系統(tǒng)中所起的作用相當。Nu的物理意義是物體特征長度與熱邊界層厚度之比。 為體積膨脹系數(shù)， ，對于理想氣體：邊界層概念邊界層概念濃度邊界層：前面假設流體的組分沿空間分布是均勻的。如果溫度分布均勻而組分分布不均勻，參照上述方法，引入濃度邊界層概念。如可揮發(fā)性液體表面濃度分布。當液體表面附件形成的一個濃度梯度較大的區(qū)域，即濃度邊界層。其厚度可用p表示。傳質系數(shù)hp定義為：質量流強為：傳質努塞爾數(shù)定義為：和傳熱問題類似，傳質努塞爾數(shù)也可以由經驗公式求出：對于強迫對流的平

10、板對于垂直平板自由對流有流動時的傳熱傳質有流動時的傳熱傳質有流動時的傳熱：在傳熱方向上，流體B以流強（）由熱板向冷板方向滲入，由冷板滲出，并維持定常流動。熱量傳遞包括兩部分：一部分是相對流體本身的導熱，仍可用前面的公式；另一部分則是流體總體運動所攜帶的熱。xyt傳熱方向TwT介質流熱板冷板設Ta是某基準溫度，則流體離開上表面時的顯焓為 Cp （T- Ta ），到達下表面的顯焓為 Cp （ TW - Ta ），兩者之差可以看作是增強的傳熱?？偟臒崃鳛椋簩鳠嵯禂?shù)定義代入，則有：式中：Pe貝克來(Peclet)數(shù),其物理意義是對流熱流強與導熱流強之比。有流動時的傳熱傳質有流動時的傳熱傳質有流動時傳

11、質：當上下平板有沿傳質方向的流動時，將出現(xiàn)組分A穿過組分B的對流傳質，從而使總的傳質速度加快。傳質總流強為：xyD傳質方向WAWWA靜止流體B介質流將傳熱系數(shù)定義代入，則有：式中：Pep傳質貝克來(Peclet)數(shù),其物理意義是對流質流強與擴散流強之比。內容提要內容提要燃燒的物理基礎 分子輸運的基本規(guī)律 輸運系數(shù)的性質 邊界層概念 有流動時的傳熱傳質內燃機傳熱 內燃機傳熱特性 內燃機傳熱損失 內燃機缸內傳熱系數(shù)研究氣缸內的傳熱規(guī)律，對于改善內燃機的工作循環(huán)和熱負荷情況都有重要意義氣缸周壁的傳熱問題十分復雜，它具有導熱、對流和輻射傳熱和三種基本方式（其中對流為傳熱的主要方式）內燃機傳熱是在傳熱面

12、積和工質的壓力、溫度及相對周壁各部分的流動速度等反復變化的不穩(wěn)定情況下進行的內燃機中的傳熱內燃機中的傳熱內燃機中的傳熱損失內燃機中的傳熱損失給冷卻介質的磨擦熱 摩擦損失，首先是活塞與活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦，其損失約占全部機械損失的5560。而其中整個摩擦損失的熱量約有3540。 熱量 通過排氣歧管壁表面?zhèn)鹘o冷卻介質的熱量，可近似地由流入和流出排氣歧管的焓變化值得到 氣缸周壁對冷卻介質的放熱率氣缸周壁對冷卻介質的放熱率 氣缸周壁包括氣缸蓋燃燒室表面、活塞頂及氣缸壁濕周表面，它們是通過冷卻介質進行冷卻，故冷卻介質與工質之間始終進行著熱量傳遞。當內燃機以穩(wěn)定工況運行時，它傳向氣缸周壁的傳熱率可用下式表

13、示： nTTTDTTFddQwwwzgw61)2(4)(212發(fā)動機的熱平衡：發(fā)動機的熱平衡： 燃油燃燒所產生的燃油燃燒所產生的熱量恒等于轉變?yōu)闊崃亢愕扔谵D變?yōu)橛行Чεc各項散失有效功與各項散失的熱量之和的熱量之和。熱平衡方程式熱平衡方程式: : Q Qf f=Q=Qe e+Q+Qw w+Q+Qr r+Q+Qb b+Q+Qs sQf:Qf:燃油完全燃燒的熱量燃油完全燃燒的熱量; ;Qe:Qe:轉變?yōu)橛杏霉Φ臒崃哭D變?yōu)橛杏霉Φ臒崃? ;（占（占25254040) )Qw:Qw:傳給冷卻介質的熱量傳給冷卻介質的熱量; ; （占（占10103535) )Qr:Qr:被廢氣帶走的熱量被廢氣帶走的熱量;

14、; （占（占25255050) )Qb:Qb:燃燒不完全熱量損失燃燒不完全熱量損失; ;Qs:Qs:其他熱量損失其他熱量損失; ;內燃機熱平衡內燃機熱平衡燃油完全燃燒的熱量燃油完全燃燒的熱量QQf fG GT Th hu u (kJ/h) (kJ/h)轉變?yōu)橛杏霉Φ臒崃哭D變?yōu)橛杏霉Φ臒崃縌Qe e3.63.610103 3Ne (kJ/h)Ne (kJ/h)傳給冷卻介質的熱量傳給冷卻介質的熱量QQw wG Gw wc cs s(t2-t1) (kJ/h)(t2-t1) (kJ/h) ( (GwGw通過冷卻介質的流量通過冷卻介質的流量kg/hkg/h；cscs冷卻介質的比熱冷卻介質的比熱 kJ/

15、(kg)kJ/(kg)； t1t1、t2t2冷卻介質入口、出口溫度冷卻介質入口、出口溫度) )被廢氣帶走的熱量被廢氣帶走的熱量QQr r(G(GT T+G+Gk k)(c)(cprprt tr r-c-cpkpkt tk k) (kJ/h) (kJ/h) ( (G GT T、G GK K每小時消耗的燃油和空氣量每小時消耗的燃油和空氣量kg/hkg/h；c cprpr、c cpkpk 廢氣和空氣廢氣和空氣 的定壓比熱的定壓比熱kJ/(kg)kJ/(kg)；t tk k、t tr r進排氣門進排氣門 處工質溫度處工質溫度) )燃燒不完全熱量損失燃燒不完全熱量損失QQb bQ Qf f(1-(1-r

16、 r) (kJ/h) (kJ/h)(r r燃燒效率）燃燒效率）其他熱量損失其他熱量損失QQs sQ Qf f(Q(Qe eQ Qw wQ Qr rQ Qb b) (kJ/h) (kJ/h)內燃機熱平衡計算內燃機熱平衡計算內燃機熱平衡示意圖內燃機熱平衡示意圖燃料燃燒的總熱量僅有轉變?yōu)橛行Ч?，燃料燃燒的總熱量僅有轉變?yōu)橛行ЧΓ溆嗟臒崃繐p失掉。其中主要由廢氣帶走其余的熱量損失掉。其中主要由廢氣帶走，其次傳給冷卻水，在某些汽油機中不完全燃燒所占比，其次傳給冷卻水，在某些汽油機中不完全燃燒所占比例也不小。例也不小。內燃機熱量回收內燃機熱量回收內燃機余熱能回收利用內燃機余熱能回收利用缸內的傳熱系數(shù)缸內的

17、傳熱系數(shù) 關于缸內工質與燃燒室周壁之間的瞬時傳熱系數(shù)，由于氣缸內傳熱問題很復雜，影響因素也很多，與此有關的很多參數(shù)迄今為止還沒有充分了解，所以很難從理論上加以研究。因而要推導出傳熱系數(shù)的公式是困難的，盡管人們進行了不斷的試驗研究，而所取得的成果還是很有限。目前大多停留在經驗上或半經驗上，使用的也大多是經驗公式。 目前發(fā)表的傳熱公式有30多種，最早的是Nusselt提出的經驗公式，將傳熱系數(shù)分為對流和輻射兩部分。rcg瞬時傳熱系數(shù)的經驗公式瞬時傳熱系數(shù)的經驗公式對流傳熱系數(shù) 20世紀二十年代，Nusselt根據(jù)燃燒彈中對空氣燃料混合物燃燒試驗和整理結果，建立了燃氣對缸壁的瞬時對流傳熱系數(shù)計算公式

18、： TpBc23)1 (14. 4),(mcCTPfB考慮了缸內氣體渦流對傳熱的加強作用。 瞬時傳熱系數(shù)的經驗公式瞬時傳熱系數(shù)的經驗公式輻射傳熱系數(shù) 氣體輻射同固體輻射相比有它顯著的特點。不同氣體的放射與吸收輻射的能力有很大的差別，單原子氣體和雙原子氣體如O2，N2，CO等的輻射都較小，實際上都可視作為透射體。三原子及更多原子的氣體一般具有相當顯著的輻射能力。 當氣缸中工質燃燒膨脹時，燃氣中含有多原子氣體CO2和H2O等，由于它們處在高溫下，不論是在汽油機或柴油機內均存在著氣體的熱輻射，尤其在柴油機中，還伴有碳粒的火焰輻射，而且從數(shù)量上看前者是比較小的，只有火焰輻射是主要的。因此，在正常燃燒時

19、，汽油機可以忽略輻射傳熱，但對柴油機則必須加以考慮。 Nusselt根據(jù)他在燃燒彈中對氣體混合物燃燒的試驗結果，提出內燃機中工質向缸壁的輻射傳熱系數(shù)經驗公式： wwwgrTTTTAA44)100()100(111515. 1wwrTTTT44)100()100(515. 1則Nusselt的傳熱系數(shù)可寫成： wwgTTTTTpB4423)100()100(515. 1)1 (14. 4Eichelberg在1939年發(fā)表了以柴油機（船用低速柴油機）實測為根據(jù)的瞬時傳熱系數(shù)的計算公式： PTCmg378. 8六十年代初W.Pflaum在Eichelberg基礎上考慮了增壓力壓力pk的附加影響， PTCfpfmkg)()(瞬時傳熱系數(shù)的準則方程式瞬時傳熱系數(shù)的準則方程式 隨著傳熱學研究工作的進展，許多研究者企圖應用現(xiàn)代傳熱學的研究成果將氣缸內的傳熱整理成準則方程式的形式，以便于推廣應用。 大多數(shù)研究者都認為，對流傳熱部分可歸納成如下準則方程式形式： neuRCN關于準則方程式的應用，G.Woschni于1970年提出了準則經驗公式： 8 . 0035. 0euRNDRDNegu,D所取的定型尺寸氣缸直徑；氣體導熱系數(shù)；氣體粘性系數(shù)；氣體密度。 將缸內工質作為空氣來近似處理，可得下列近似公式： 748. 000314. 0T762. 010