第4講20121019內(nèi)燃機缸內(nèi)流動

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宋金甌天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室2012年10月內(nèi)燃機中的流體運動2§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的特點

缸內(nèi)流動：平均流場存在循環(huán)變動，不可重復(fù)性3習(xí)慣上：高頻脈動、低頻脈動低頻脈動不是脈動，而是循環(huán)變動4§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的形式

渦流：在進氣過程中形成的繞氣缸軸線的氣流運動稱為進氣渦流在壓縮過程中形成的有組織的旋轉(zhuǎn)空氣運動稱為壓縮渦流§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的形式5表征渦流強弱的參數(shù)：渦流比§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的形式6實驗中測量渦流比方法在穩(wěn)流實驗臺上：SR=Vs/VpVs=2πNsRcNs葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速，rev/s；Rc葉片風(fēng)速儀旋轉(zhuǎn)中心半徑，m。Vp=Q/AcQ進入缸內(nèi)的氣體流量，m3/s；Ac氣缸橫截面積，m2?！?內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的形式7穩(wěn)流實驗臺測得的渦流比不代表缸內(nèi)渦流比，只是評判氣道缸內(nèi)流體是一段時間累積量；實驗臺測量瞬態(tài)流量；缸內(nèi)渦流比初期受活塞影響，而實驗測量不受活塞影響；對混合氣形成、燃燒產(chǎn)生影響的是進入燃燒室的渦流比。8§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的特點

在上止點附近，大尺度的滾流破裂成小尺度的渦，湍流強度增大。

滾流在進氣過程中形成的，繞垂直于氣缸軸線方向的有組織的空氣旋流，稱為滾流或橫軸渦流

。9§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的特點直噴汽油機燃燒室§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的特點10與燃燒室形狀關(guān)系更緊密與活塞位置關(guān)系密切缸內(nèi)滾流是壓縮過程逐漸形成的方向（旋轉(zhuǎn)軸）確定實驗測得的滾流比TR=Vt/Vp11

§3內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的特點

當(dāng)活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空間，產(chǎn)生膨脹流動，稱為逆擠流。

擠流：在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼此靠近時所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運動稱為擠壓流動，又稱擠流

?！?內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的特點12式中：vp：活塞瞬時速度；Vp：活塞平均速度；d：活塞凹坑開口直徑；D：氣缸直徑；z：缸蓋到活塞頂面的距離；VB：燃燒室容積；A：氣缸截面積擠流比13§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變渦流比與角動量渦流比角動量不考慮摩擦，角動量守恒隨旋轉(zhuǎn)半徑而改變14§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變35CADATDC進氣初期：氣流與壁面相互作用最劇烈處，湍流很大15§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變115CADATDC進氣中期：氣流噴射入口處湍流速度最大，靠近活塞表面，湍流速度最小16§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變165CADATDC進氣后期：進氣流速降低，剪切作用減弱，整個流場的湍流十分均勻17§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變進氣行程進氣初期，湍流高且不均，渦流速度也小。進氣中期，湍流趨于均勻，渦流明顯分層，進氣后期，缸蓋處渦流減少，活塞表面渦流最大。

18§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變壓縮行程壓縮沖程初期，分層渦流結(jié)構(gòu)仍然存在到256CAD(ATDC)，各截面渦流十分接近。225(ATDC)

軸向湍流均勻分布19吸氣過程無影響壓縮過程BDC-265CADATDC影響不大265CADATDC-TDC開始影響在上止點附近，差別增大。§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變活塞凹坑形狀的影響20§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近渦流燃燒室形式

：凹坑高度一致，容積相等，平均半徑也相等，壓縮比為18

缸徑/mm沖程/mm壓縮比初始渦流比余隙高度/mm轉(zhuǎn)速/rpm連桿長度/mm8595181.81160016021§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近渦流：總體平均渦流比渦流比在上止點附近出現(xiàn)峰值，并不關(guān)于上止點對稱縮口燃燒室渦流比略低于其他兩種燃燒室22

§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近渦流：橫截面上平均渦流比15°BTDC，橫截面平均渦流比梯度在燃燒室上半部較大TDC，入口處和近底部處梯度較大，中部梯度較小15°BTDCTDC23§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近：縱向剖面速度矢量

15°BTDC時刻，最大箭頭長度Vmax=30.0m/s

TDC時刻，最大箭頭長度Vmax=30.0m/s

渦環(huán)起著傳遞角動量的作用24§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近：橫截面內(nèi)切向速度分布燃燒室入口截面（活塞頂面）燃燒室中間截面（高度1/2處）①區(qū)為靠近氣缸中心線區(qū)域，非渦環(huán)影響區(qū)，剛體流狀態(tài)；②區(qū)為大渦環(huán)影響區(qū)域，呈剛體流狀態(tài)；③區(qū)為大渦環(huán)和小渦環(huán)交界區(qū)，介于剛體流和勢流中間；④為小渦環(huán)影響區(qū)或近壁區(qū)，呈勢流狀態(tài)。

15°BTDC15°BTDC25§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近：橫截面內(nèi)切向速度分布：TDC

燃燒室入口截面（活塞頂面）燃燒室中間截面（高度1/2處）

1/2截面：②、③、④區(qū)，上表面受小渦環(huán)作用，下表面受大渦環(huán)作用，此時截面切向速度分布十分復(fù)雜，可近似看作均勻流。

TDCTDC26§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近渦流結(jié)論：

（1）總體平均渦流比僅取決于氣流旋轉(zhuǎn)半徑、初始角動量、及運動中的摩擦耗散；（2）橫截面上平均渦流比，取決于活塞開口形式；（3）燃燒室橫截面上切向速度分布：在主要由大渦環(huán)作用的截面，基本上是剛性流；在小渦環(huán)作用區(qū)域，可以看作是勢流；在大小渦環(huán)共同作用的截面，可以看作是均勻流；在大、小渦環(huán)分區(qū)作用的截面，剛性流與勢流組合。

27§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近湍流：定義參數(shù)擠流強度凹坑形狀因子湍流強度28影響度相對增幅§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近湍流：定義參數(shù)29§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近湍流：計算基準(zhǔn)燃燒室：A基準(zhǔn)燃燒室、B與A形狀因子相同、C與A擠流相同ABCD分析渦流、擠流、形狀因子對湍流強度的貢獻30§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近湍流渦流對湍流的影響：同一燃燒室僅改變其初始渦流比在區(qū)間-18°~-5°ATDC內(nèi)，渦流比影響度隨著活塞上行大致成線性下降，但由于其變化范圍較小，為0.433~0.49，因此可認(rèn)為渦流比的影響度不隨曲軸轉(zhuǎn)角變化。

31§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近湍流擠流對湍流的影響：比較燃燒室B和A（基準(zhǔn)燃燒室）在-18°~-5°ATDC內(nèi)，擠流影響度變化范圍為0.35~0.65，并且隨著活塞上行基本成線性增加。

32§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近形狀因子對湍流的影響：比較燃燒室C和A（基準(zhǔn)燃燒室）在-18~-5°ATDC，形狀的影響度介于0.086~0.117之間，隨活塞上行逐漸增大，在接近上止點時趨于不變。

33§4內(nèi)燃機缸內(nèi)流動的演變上止點附近湍流3個因素共同作用：比較燃燒室D和A（基準(zhǔn)燃燒室）估算總增幅相對計算總增幅的誤差為32.4~46.4%。這說明，在轉(zhuǎn)速、壓縮比不變的情況下，湍流強度的實際變化不等于這三個因素影響的簡單迭加。

34曲軸轉(zhuǎn)角perSRαSR×perSRperCFαCF×perCFperSFαSF×perSF估算計算-18°ATDC0.11840.0550.62180.0534130.42840.14990.25830.4822-15°ATDC0.12020.05490.62180.0595940.43340.17970.29420.5298-12°ATDC0.11640.05160.62180.0656180.43010.21020.32750.5569-10°ATDC0.12140.0519780.6220.0687660.42600.22910.34980.5768-8°ATDC0.12560.0518440.6220.0724060.40820.23370.35790.5897-5°ATDC0.12120.0464220.6220.0710410.42350.27460.39200.579835在-18°ATDC~-5°ATDC區(qū)間形狀因子