流体力学应用/A2MA33：燃烧室中的流体流动

介绍

朋友们，现在准备好可视化燃烧室中的流体流动。这个项目讨论了在循环的压缩冲程、燃烧冲程和作功冲程期间，气缸内发生的空气、燃料和废气的运动。在继续之前，我想向您介绍一下这个项目的术语。

燃烧

一般来说，我们可以说燃烧是一个燃料燃烧产生热量的过程。或者燃烧是物质之间的化学反应，通常包括氧气，并且通常伴随着热量和光线的产生，以火焰的形式出现。反应物结合的速度相当快，部分原因是化学反应本身的性质，部分原因是产生的能量多于可以逃逸到散热器中的能量，导致反应物的温度升高，从而加速反应。一个常见的例子是点燃的火柴。当火柴被点燃时，摩擦使火柴头加热到化学物质发生反应并产生比可以逃逸到空气中的热量更多的热量，它们就会燃烧并发出火焰。如果风吹走热量或化学物质潮湿，摩擦不能使温度足够高，火柴就会熄灭。火柴正确点燃后，火焰的热量会提高火柴棍附近一层和它旁边空气中氧气的温度，木材和氧气会发生燃烧反应。

燃烧室

燃烧室 RD-45F

燃烧室是燃料由进料喷嘴供应，与来自压缩机的空气流混合并燃烧产生热量，从而获得气流，气流的温度尽可能达到发动机所需的温度。

燃烧室的设计对发动机效率和抗爆性能有重要影响。燃烧室的设计包括燃烧室的形状、火花塞的位置以及进气和排气阀的布置。由于燃烧室设计的重要性，它在过去 50 年一直是大量研究和开发的主题。这导致了 50 年来的提升。

良好的燃烧室的基本要求是提供

1. 高功率输出 高功率输出
2. 高热效率和低燃油消耗率
3. 发动机平稳运行 发动机平稳运行
4. 减少排放污染物

更高的功率输出需要以下内容

1. 高压缩比。

压缩比受爆震现象的限制。爆震取决于燃烧室的设计和燃料质量。任何设计上的改变都会提高抗爆性能。任何改善燃烧室抗爆特性的设计变化都允许使用更高的压缩比，这应该会导致更高的输出和效率。

1. 少量或没有多余的空气。
2. 完全利用空气 - 没有死角。
3. 最佳程度的湍流。

湍流是由进气流引起的，进气流会增强容积效率。

高容积效率需要以下内容

这是通过具有大直径阀门、阀门头周围有充足的间隙、适当的阀门正时和直通通道来实现的，通过简化燃烧室，使流动的压力降更小。这意味着每次冲程更多的充气量，功率输出也相应增加。大阀门和直通通道也会提高获得最大功率的速度。这通过增加每分钟排量进一步提高了功率。

高热效率需要以下内容

• 高压缩比：如上所述
• 燃烧过程中热量损失少

这是通过具有紧凑的燃烧室来实现的，紧凑的燃烧室提供较小的表面积与体积比。紧凑燃烧室的另一个优点是减少火焰传播距离。在给定的湍流情况下，这会缩短燃烧时间，从而减少时间损失。

• 良好的废气清除

发动机平稳运行需要以下内容

1. 燃烧过程中压力上升速度适中。
2. 没有爆震，这意味着
3. 火花塞和排气阀的位置合适。
4. 这两个最热部位的冷却效果良好。

或

流体流动的类型

层流和湍流

首先我们应该了解流体运动的类型：有两种类型的流体运动，以雷诺数为特征。

1. 层流 &
2. 湍流

层流

流动分离成“层”，这些层相互滑动而不混合。如果我们在层流中引入一股彩色流，颜色会保留在该流中。流动被称为稳定。层流可以用一组称为流线（流线）的线来表示。

湍流

流体发生剧烈的混合。复杂的流动模式随时间不断变化。每个给定点的粒子速度随时间呈混沌变化。非粘性液体湍流的流速剖面显示出流体的无规律运动，通常会显示出称为涡流或涡旋的小型旋涡。由于它们的旋转动能，涡流会吸收大量的能量。加入流中的彩色染料会很容易分散。

• 层流向湍流的转变

随着流速的增加，会突然发生这种情况。流动在某个临界速度下变得不稳定。

• 湍流发生在存在突然

边界表面。血液通过正常动脉的流动是层流。然而，当出现不规则性时，流动会变得湍流，可以用听诊器听到。

• 当流动变为湍流时，会

体积流量下降。

• 当流体绕过物体流动时，物体的形状是确定流动类型的重要的参数。

在燃烧室中，流体（空气-燃料混合物）以“湍流方式”流动，以便更好地混合空气和燃料，并提高容积效率。由于涉及的高速度，除角落和缝隙中的流动（墙壁的紧密接近会抑制湍流）外，所有流入、流出和在气缸内的流动都是湍流的。气缸中的湍流在进气过程中较高，随着靠近下止点（BDC）的流速减慢而减小，并在压缩过程中再次增加，因为靠近上止点（TDC）的旋流、挤压和翻滚增加。气缸内发生的运动对于加速燃料蒸发、增强空气燃料混合以及提高燃烧速度和效率非常重要。除了正常的预期湍流之外，在进气过程中还会在空气-燃料混合物中产生称为旋流的旋转运动。在压缩冲程结束时，会产生另外两种质量运动：挤压和翻滚，挤压是一种向中心线方向的径向运动，而翻滚是一种围绕圆周轴的旋转运动。

燃烧室内的流体运动由以下因素描述

湍流

如上所述，这是由于流速很高。由于湍流，发动机内的热力学传递速率提高了一个数量级。热传递、蒸发、混合和燃烧速率都会增加当燃料燃烧时，靠近 TDC 的高湍流对燃烧过程非常有利。它比层流火焰快得多地分解并扩散火焰前沿。空气-燃料在很短的时间内被消耗掉，避免了自燃和爆震。在 TDC 后约 120° 处达到最大翻滚。这可能是由于阀门打开期间的射流空气流动导致正常的翻滚在开始时减小并在压缩冲程的早期部分增加。 或

旋流

还有一种理想的运动方式称为旋流运动，其中空气-燃料混合物以切线方向进入燃烧室，并以旋转方式运动。因此，这种运动逐渐增强了空气-燃料混合物，显然提高了容积效率，对于提高效率的发动机来说是非常理想的。因此，设计了不同的燃烧室几何形状以允许这种运动，以提高效率。旋流被定义为气缸内流体中轴线平行于活塞轴的大尺度涡流。旋流被认为是二维刚体旋转，在压缩和燃烧过程中持续存在。发动机气缸内旋流在压缩过程中的衰减相对较小，因此旋流涡的总角动量几乎守恒。

挤压和翻滚

另一种运动是挤压运动。这在活塞向上移动到 TDC 时非常重要。当它到达上止点（TDC）时，间隙容积突然减小。就像在空气过滤器中，间隙阀是较短的间隙容积，而较大的间隙容积在燃烧室中，因此当它到达 TDC 时，间隙容积减小到较短的间隙容积，不再是较大的间隙容积，因此空气-燃料混合物必须从较大的间隙容积移动到较小的间隙容积中，因为没有空间了，并且当空气-燃料混合物容易地移动到较小的间隙容积中时，我们知道这是一个压缩冲程，因此在这里发生燃烧。火花塞点燃了这里的空气-燃料混合物并燃烧。当活塞向下移动到动力冲程时，间隙容积将再次增加，燃烧后的气体将再次占据更大的间隙容积，这种运动称为反向挤压。反向挤压还有第二种效应，被称为二次旋流，通常称为翻滚。翻滚是由活塞接近 TDC 时挤压引起的。翻滚是在活塞碗或气缸盖中的间隙容积边缘附近围绕圆周轴的旋转运动。

分隔式燃烧室

一些燃烧室被分成几部分，这意味着一些发动机具有分隔式燃烧室，通常约 80% 的间隙容积位于活塞上方的主室中，约 20% 的容积作为第二个燃烧室，通过一个小孔连接。

缝隙和窜气

在发动机的燃烧室内，存在着微小的缝隙，在发动机循环过程中这些缝隙会充满空气、燃料和废气。这些缝隙包括活塞和气缸壁之间的间隙（约占总量的 80%）、火花塞或燃油喷射器螺纹的配合不良（5%）、气缸盖和缸体之间垫片的间隙（10-15%）以及燃烧室边缘和阀门面边缘的圆角不良。虽然这种容积仅占总间隙容积的 1-3% 左右，但流入和流出它的气体流动会极大地影响发动机的整体循环。窜气损失即由于气体流过活塞、活塞环和气缸壁之间的缝隙或间隙而导致的气体泄漏。气体通常会通过这些缝隙泄漏或流到曲轴箱。虽然与总燃烧室容积相比，缝隙容积足够小，但流入和流出它的气体流动会影响燃烧和发动机排放。一些流经活塞和气缸壁之间缝隙的气体流过活塞进入曲轴箱，在那里会升高曲轴箱压力并污染润滑油。