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1、第第5章章 内燃机混合气的形成和燃烧上内燃机混合气的形成和燃烧上第1页，共48页，编辑于2022年，星期二第五章第五章 内燃机混合气内燃机混合气的形成和燃烧的形成和燃烧(上上)第2页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 内燃机缸内的气体流动内燃机缸内的气体流动v内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响，因而也影响着发动饥的动力性、经济性、燃烧噪影响，因而也影响着发动饥的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放。声和有害废气的排放。v v组织良好的缸内空气运动组织良好的缸内空气运动组织良好的缸内空气运动组织良好的缸内空气运动
2、可提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、可提高汽油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或层燃；适应稀燃或层燃；可提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，可提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，可提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，可提高柴油机的燃油空气混合速率，提高燃烧速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合。第3页，共48页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 内燃机缸内的气体流动内燃机缸内的气体流动第4页，共48页，编辑于2022年，星期二Schli
3、eren photograph w/o swirl 第5页，共48页，编辑于2022年，星期二Schlieren photograph with swirl第6页，共48页，编辑于2022年，星期二气流对汽油机燃烧的影响气流对汽油机燃烧的影响第7页，共48页，编辑于2022年，星期二一、涡流一、涡流进气涡流进气涡流进气涡流进气涡流 进气过程中形成的，绕气缸进气过程中形成的，绕气缸轴线油规则的气流运动，叫轴线油规则的气流运动，叫进气涡流。进气涡流。第8页，共48页，编辑于2022年，星期二一、涡流一、涡流v由于气流间的内摩擦和气流与缸壁间的摩擦，进气涡流由于气流间的内摩擦和气流与缸壁间的摩擦，进
4、气涡流在压缩过程中逐渐衰弱。在压缩过程中逐渐衰弱。v v进气结束时，气缸中心小于一半缸径处，速度呈刚体流分布，进气结束时，气缸中心小于一半缸径处，速度呈刚体流分布，进气结束时，气缸中心小于一半缸径处，速度呈刚体流分布，进气结束时，气缸中心小于一半缸径处，速度呈刚体流分布，线速度随半径增加而增加；大于一半缸径的地方，速度呈势流线速度随半径增加而增加；大于一半缸径的地方，速度呈势流线速度随半径增加而增加；大于一半缸径的地方，速度呈势流线速度随半径增加而增加；大于一半缸径的地方，速度呈势流分布，线速度随半径增加而减小；分布，线速度随半径增加而减小；分布，线速度随半径增加而减小；分布，线速度随半径增加
5、而减小；v活塞接近活塞接近TDCTDCTDCTDC时，刚体流动成分时，刚体流动成分 ，势流成分，势流成分。v进气过程产生的旋流可持续到进气过程产生的旋流可持续到膨胀过程。膨胀过程。第9页，共48页，编辑于2022年，星期二涡流强度随曲轴转角的变化涡流强度随曲轴转角的变化第10页，共48页，编辑于2022年，星期二v随着压缩行程的进行，缸内存在的进气涡流被压入口径较随着压缩行程的进行，缸内存在的进气涡流被压入口径较小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转小的燃烧室凹坑，形成沿凹坑旋转的的压缩涡流。压缩涡流。v v由动量守恒，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速由动量守恒，气流旋转半径缩小，势必使燃烧
6、室内的涡流角速由动量守恒，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速由动量守恒，气流旋转半径缩小，势必使燃烧室内的涡流角速度增大，但压缩终点涡流的角速度很难测定。度增大，但压缩终点涡流的角速度很难测定。度增大，但压缩终点涡流的角速度很难测定。度增大，但压缩终点涡流的角速度很难测定。v对于凹坑与气缸中心线对称的圆柱形燃烧室，日本池上旬对于凹坑与气缸中心线对称的圆柱形燃烧室，日本池上旬提出计算涡流增速比的公式：提出计算涡流增速比的公式：涡流涡流压缩始点涡压缩始点涡流的角速度流的角速度压缩终点涡压缩终点涡流的角速度流的角速度压缩始点活塞顶压缩始点活塞顶距缸盖底面距离距缸盖底面距离压缩终点活塞顶压缩终
7、点活塞顶到缸盖底面距离到缸盖底面距离凹坑深度凹坑深度活塞顶凹活塞顶凹坑的直径坑的直径缸径缸径第11页，共48页，编辑于2022年，星期二图图4 43 3燃烧室的涡流增速比的燃烧室的涡流增速比的燃烧室口径比燃烧室口径比 0.350.35；活塞顶间隙；活塞顶间隙0.90.9；压缩比；压缩比16.416.4燃烧室的涡流增速比燃烧室的涡流增速比燃烧室口径比燃烧室口径比 0.35；活塞顶间隙活塞顶间隙0.9；压缩比；压缩比16.4第12页，共48页，编辑于2022年，星期二2 2进气涡流的产生方法进气涡流的产生方法第13页，共48页，编辑于2022年，星期二导气屏进气门导气屏进气门v v在进气门平顶的背
8、面加上一段圆弧在进气门平顶的背面加上一段圆弧在进气门平顶的背面加上一段圆弧在进气门平顶的背面加上一段圆弧形的导气屏而构成。形的导气屏而构成。形的导气屏而构成。形的导气屏而构成。v v强制空气从导气屏的前面流出，依强制空气从导气屏的前面流出，依强制空气从导气屏的前面流出，依强制空气从导气屏的前面流出，依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。靠气缸壁面约束，产生旋转气流。靠气缸壁面约束，产生旋转气流。靠气缸壁面约束，产生旋转气流。v v导气屏占据的气门周长范围内气流不导气屏占据的气门周长范围内气流不导气屏占据的气门周长范围内气流不导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，形成对气缸中心的动量矩。进入气缸，
9、形成对气缸中心的动量矩。进入气缸，形成对气缸中心的动量矩。进入气缸，形成对气缸中心的动量矩。v v改变导气屏包角口的大小和安装角，改变导气屏包角口的大小和安装角，改变导气屏包角口的大小和安装角，改变导气屏包角口的大小和安装角，可改变涡流强度。可改变涡流强度。可改变涡流强度。可改变涡流强度。第14页，共48页，编辑于2022年，星期二导气屏进气门导气屏进气门v用于单缸试验机对进气涡流的影响进行研究，为气道设用于单缸试验机对进气涡流的影响进行研究，为气道设计提供依据。计提供依据。v v缺点：缺点：缺点：缺点：减少气流流通截面积，流动阻力增加，充量系数下减少气流流通截面积，流动阻力增加，充量系数下降
10、。降。保证气流的方向和强度，进气门要有导向装置，增保证气流的方向和强度，进气门要有导向装置，增加成本。加成本。气门盘刚度不均匀，变形大。气门不能转动，容易气门盘刚度不均匀，变形大。气门不能转动，容易偏末，不利于密封。偏末，不利于密封。第15页，共48页，编辑于2022年，星期二切向气道切向气道v气道形状比价平直，在气道形状比价平直，在气门座前强烈收缩，引气门座前强烈收缩，引导气流沿单边切线方向导气流沿单边切线方向进入气缸，造成气门口进入气缸，造成气门口速度分布不均匀。速度分布不均匀。v它相当于在平直无旋气道它相当于在平直无旋气道速度分布的基础上，增加速度分布的基础上，增加个沿切向气道方向的速个
11、沿切向气道方向的速个沿切向气道方向的速个沿切向气道方向的速度。度。度。度。第16页，共48页，编辑于2022年，星期二切向气道切向气道v v切向气道结构简单、在对进气涡流要求低时，流动阻力个大；切向气道结构简单、在对进气涡流要求低时，流动阻力个大；切向气道结构简单、在对进气涡流要求低时，流动阻力个大；切向气道结构简单、在对进气涡流要求低时，流动阻力个大；v v当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，
12、气道阻力将很快增加。流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加。流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加。流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加。v用于进气涡流强度不高的发动机上。用于进气涡流强度不高的发动机上。v切向气道对气口位置敏感，泥芯误差对气道质量影响较切向气道对气口位置敏感，泥芯误差对气道质量影响较大。大。第17页，共48页，编辑于2022年，星期二螺旋气道螺旋气道v v在气门座上方的气门腔内做成螺在气门座上方的气门腔内做成螺在气门座上方的气门腔内做成螺在气门座上方的气门腔内做成螺旋形，使气流在螺旋气道内就形旋形，使气流在螺旋气道内就形旋形，使气流在螺旋气道内
13、就形旋形，使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转，其气门口处成一定强度的旋转，其气门口处成一定强度的旋转，其气门口处成一定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在平直气道出气流的情况相当于在平直气道出气流的情况相当于在平直气道出气流的情况相当于在平直气道出口速度分量的基础上增加一个切口速度分量的基础上增加一个切口速度分量的基础上增加一个切口速度分量的基础上增加一个切向速度。向速度。向速度。向速度。v v除螺旋气道本身形成的动量矩外，除螺旋气道本身形成的动量矩外，除螺旋气道本身形成的动量矩外，除螺旋气道本身形成的动量矩外，速度分布图对气缸中心不再形成速度分布图对气缸中心不再形成速度分布图对气缸中
14、心不再形成速度分布图对气缸中心不再形成动量矩了，这种气道称为纯螺旋动量矩了，这种气道称为纯螺旋动量矩了，这种气道称为纯螺旋动量矩了，这种气道称为纯螺旋气道。气道。气道。气道。第18页，共48页，编辑于2022年，星期二螺旋气道螺旋气道v在气缸盖上布置气道时，螺旋室在气缸盖上布置气道时，螺旋室高度不能很大，流入气缸的气流高度不能很大，流入气缸的气流会含有一部分切向气流成分，螺会含有一部分切向气流成分，螺旋气道中的空气运动均由两部分旋气道中的空气运动均由两部分组成。组成。v v采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能取采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能取采用强涡流螺旋气道燃烧室的性能取采用强涡流螺旋气道燃烧室的
15、性能取决于气道质量，对铸造工艺和加工的决于气道质量，对铸造工艺和加工的决于气道质量，对铸造工艺和加工的决于气道质量，对铸造工艺和加工的要求很高，对气道泥芯的变形、定位、要求很高，对气道泥芯的变形、定位、要求很高，对气道泥芯的变形、定位、要求很高，对气道泥芯的变形、定位、气道出口和气门座圈的同心度等须严气道出口和气门座圈的同心度等须严气道出口和气门座圈的同心度等须严气道出口和气门座圈的同心度等须严格控制。格控制。格控制。格控制。第19页，共48页，编辑于2022年，星期二各类气道气门出口处的各类气道气门出口处的速度分布示意图速度分布示意图第20页，共48页，编辑于2022年，星期二不同气道涡流强
16、度比较不同气道涡流强度比较v导气屏，可调节涡流强度，涡流比导气屏，可调节涡流强度，涡流比0 04 4，但阻力最大，但阻力最大，一般用于少数汽油机和试验研究用发动机。一般用于少数汽油机和试验研究用发动机。v切向气道形状简单，涡流比切向气道形状简单，涡流比1 12 2，适用于对涡流强度要适用于对涡流强度要适用于对涡流强度要适用于对涡流强度要求不高的发动机。求不高的发动机。求不高的发动机。求不高的发动机。v v螺旋气道的形状最复杂，涡流比螺旋气道的形状最复杂，涡流比螺旋气道的形状最复杂，涡流比螺旋气道的形状最复杂，涡流比24，同样涡流比时的同样涡流比时的同样涡流比时的同样涡流比时的进气阻力小于切向气
17、道，适用于对进气涡流强度要求较高的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的进气阻力小于切向气道，适用于对进气涡流强度要求较高的发动机。发动机。发动机。发动机。第21页，共48页，编辑于2022年，星期二气道气道第22页，共48页，编辑于2022年，星期二气道的评定方法气道的评定方法对气道要求：对气道要求：流动阻力越小越好；流动阻力越小越好；适当的涡流强度。适当的涡流强度。希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。第23页，共48页，编辑于2022年，星期二气道稳流试验台气道稳流试验台第24页，
18、共48页，编辑于2022年，星期二稳流气道试验台上评定稳流气道试验台上评定涡流强度的方法涡流强度的方法v在稳流气道试验台上评定涡流强度，一般则量模拟气缸在稳流气道试验台上评定涡流强度，一般则量模拟气缸内涡流转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，用流内涡流转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，用流量计测定气体流量。量计测定气体流量。v测量一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片测量一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量的转速和气体流量。v为使不同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采用为使不同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性，采用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的
19、阻力特性或无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力，用无量纲涡流数评价不同气门升程下气道形流通能力，用无量纲涡流数评价不同气门升程下气道形成涡流的能力。成涡流的能力。第25页，共48页，编辑于2022年，星期二Ricardo无量纲流量系数无量纲流量系数CFQ试验测得的空气流量；试验测得的空气流量；A A气门座内截面面积气门座内截面面积dv v 气门座内径；气门座内径；n 进气门数目。进气门数目。v v0 0理论进气速度理论进气速度理论进气速度理论进气速度 p p 进气道压降，取进气道压降，取2.5kPakPa；气门座处气体密度气门座处气体密度(kg/m3 3)无量纲流量系数无量
20、纲流量系数无量纲流量系数无量纲流量系数C CF定义为流过气门座的实际空气流量与理论空定义为流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比。气流量之比。第26页，共48页，编辑于2022年，星期二Ricardo无量纲涡流数无量纲涡流数NR 式中式中:R为叶片旋转角速度为叶片旋转角速度;D为缸经为缸经第27页，共48页，编辑于2022年，星期二Ricardo涡流比涡流比 式中，式中，e为发动机曲轴旋转角速度。为发动机曲轴旋转角速度。第28页，共48页，编辑于2022年，星期二二、挤流二、挤流v在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近时所产生的
21、径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动，又称挤流。v v活塞下行时，燃烧活塞下行时，燃烧活塞下行时，燃烧活塞下行时，燃烧室中的气体向外流室中的气体向外流室中的气体向外流室中的气体向外流到环形空间，产生到环形空间，产生到环形空间，产生到环形空间，产生膨胀流动，称为逆膨胀流动，称为逆膨胀流动，称为逆膨胀流动，称为逆挤流。挤流。挤流。挤流。v挤流强度由挤气挤流强度由挤气面积和挤气间隙面积和挤气间隙的大小决定。的大小决定。第29页，共48页，编辑于2022年，星期二二、挤流二、挤流v汽油机紧凑型燃烧室都用较强的挤流运动，以增强燃烧汽油机紧凑型燃烧室都用较强的
22、挤流运动，以增强燃烧室内湍流强度，促进混合气快速燃烧室内湍流强度，促进混合气快速燃烧。v v柴油机用逆挤流促进燃烧室内混合气流出，进一步和气缸内柴油机用逆挤流促进燃烧室内混合气流出，进一步和气缸内柴油机用逆挤流促进燃烧室内混合气流出，进一步和气缸内柴油机用逆挤流促进燃烧室内混合气流出，进一步和气缸内的空气混合燃烧，有利于改善燃烧和降低排放。缩口形燃烧的空气混合燃烧，有利于改善燃烧和降低排放。缩口形燃烧的空气混合燃烧，有利于改善燃烧和降低排放。缩口形燃烧的空气混合燃烧，有利于改善燃烧和降低排放。缩口形燃烧室就是为了充分利用挤流和逆挤流。室就是为了充分利用挤流和逆挤流。室就是为了充分利用挤流和逆挤
23、流。室就是为了充分利用挤流和逆挤流。第30页，共48页，编辑于2022年，星期二二、挤流二、挤流v v对有明显凹坑的燃烧对有明显凹坑的燃烧对有明显凹坑的燃烧对有明显凹坑的燃烧室来说，较强的挤流室来说，较强的挤流室来说，较强的挤流室来说，较强的挤流分量可以诱导产生较分量可以诱导产生较分量可以诱导产生较分量可以诱导产生较强的小尺度气流紊动强的小尺度气流紊动强的小尺度气流紊动强的小尺度气流紊动即微涡流。微涡流具即微涡流。微涡流具即微涡流。微涡流具即微涡流。微涡流具有促使油气和空气的有促使油气和空气的有促使油气和空气的有促使油气和空气的分子尺度均匀而迅速分子尺度均匀而迅速分子尺度均匀而迅速分子尺度均匀
24、而迅速的混合作用；的混合作用；的混合作用；的混合作用；v v微涡流张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。如：微涡流张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。如：微涡流张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。如：微涡流张量耗散作用还能对进气涡流起到调整阻尼作用。如：当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对当发动机转速上升，微涡与气流速度一样呈直线增加，从而对高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速
25、高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速高速工况的过强涡流起到抑制消减作用，保证油气在较大转速范围内匹配良好。范围内匹配良好。范围内匹配良好。范围内匹配良好。第31页，共48页，编辑于2022年，星期二压缩涡流压缩涡流v在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩在压缩过程中形成的有组织的旋转空气运动，称为压缩涡流。涡流。v在涡流室柴油机的压缩过在涡流室柴油机的压缩过程中，气缸内的空气通过程中，气缸内的空气通过通道被压入涡流室中，形通道被压入涡流室中，形成有组织的旋流运动，这成有组织的旋流运动，这种压缩涡流。种压缩涡流。v v涡流大小由涡流室形状、通涡流大小由涡流室形状、通涡
26、流大小由涡流室形状、通涡流大小由涡流室形状、通道尺寸、位置和角度决定。道尺寸、位置和角度决定。道尺寸、位置和角度决定。道尺寸、位置和角度决定。可促进喷入涡流室中的燃料可促进喷入涡流室中的燃料可促进喷入涡流室中的燃料可促进喷入涡流室中的燃料与空气的混合。与空气的混合。与空气的混合。与空气的混合。第32页，共48页，编辑于2022年，星期二压缩涡流压缩涡流压缩涡流不会造成进气阻力增大和压缩涡流不会造成进气阻力增大和压缩涡流不会造成进气阻力增大和压缩涡流不会造成进气阻力增大和进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量进气充量下降，但形成压
27、缩涡流时会伴随着不同程度的能量进气充量下降，但形成压缩涡流时会伴随着不同程度的能量的损失，而使循环热效率降低。的损失，而使循环热效率降低。的损失，而使循环热效率降低。的损失，而使循环热效率降低。第33页，共48页，编辑于2022年，星期二三、滚流三、滚流v v进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，进气过程中形成的绕垂直于气缸轴线的有组织的空气旋流，称为滚流或横轴涡流。称为滚流或横轴涡流。称为滚流或横轴涡流。称为滚流或横轴涡流。v滚流适用于四气门汽油机，其动量在压缩过程中衰减较滚
28、流适用于四气门汽油机，其动量在压缩过程中衰减较少。在上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的少。在上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，湍流强度和动能增加。涡，湍流强度和动能增加。第34页，共48页，编辑于2022年，星期二三、滚流三、滚流v滚流与进气涡流都是在进气过程中由进气道和气缸壁形成滚流与进气涡流都是在进气过程中由进气道和气缸壁形成的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，的。两者的区别在于涡流的旋转轴与气缸轴线平行或重合，而滚流的旋转轴线与气缸轴线垂直。而滚流的旋转轴线与气缸轴线垂直。v v一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为一般立式内燃机中，涡流的轴
29、线与气缸轴线平行，称为一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为一般立式内燃机中，涡流的轴线与气缸轴线平行，称为立轴立轴立轴立轴涡流涡流涡流涡流，而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称为，而滚流轴线与气缸轴线垂直，也称为横轴涡流横轴涡流横轴涡流横轴涡流。还。还有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平方向的，有一种涡流旋转轴即不是垂直方向的，也不是水平方向的，通常称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸通常称这种涡流叫斜轴涡流，它是由涡流与滚流合成的缸内宏观气流运动。内宏观气流运动。v v对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中
30、的一个而对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而对于四气门汽油机来说，斜轴涡流在关闭双进气道中的一个而保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道保证另一个进气道正常工作的情况下较为常见，但在双进气道同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。同时进气时，缸内宏观气流运动主要是滚流。第35页，共48页，编辑于2022年，星期二滚流产生和发展滚流产生和发展v v从进气道进入气缸的气流形成了如
31、箭头所示一边下沉一边绕从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一边绕从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一边绕从进气道进入气缸的气流形成了如箭头所示一边下沉一边绕横轴旋转的滚流运动。横轴旋转的滚流运动。横轴旋转的滚流运动。横轴旋转的滚流运动。第36页，共48页，编辑于2022年，星期二滚流产生滚流产生v v四气门汽油机的进气道一种是分叉式，一种是单独的两个进气四气门汽油机的进气道一种是分叉式，一种是单独的两个进气四气门汽油机的进气道一种是分叉式，一种是单独的两个进气四气门汽油机的进气道一种是分叉式，一种是单独的两个进气道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者道。对
32、比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者道。对比测试表明后者的滚流速度和流量系数要大，可见后者的滚流与通流能力要比前者强。的滚流与通流能力要比前者强。的滚流与通流能力要比前者强。的滚流与通流能力要比前者强。vH值大的要比值大的要比HH值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，值小的滚流速度和气道流量系数大。因此，HH值值值值大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想的进气大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想的进气大的高位切向双进气道被认为是四气
33、门汽油机较为理想的进气大的高位切向双进气道被认为是四气门汽油机较为理想的进气道结构。道结构。道结构。道结构。第37页，共48页，编辑于2022年，星期二滚流和涡流滚流和涡流v滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃滚流和涡流均能起到保存进气动能，促进混合气形成和燃烧、提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要烧、提高空气利用率和降低燃烧系统对过量空气系数的要求等作用。求等作用。v但是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，但是滚流还具有比涡流在上止点更能生成大量微小涡旋，且以不规则的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更且以不规则的脉冲运动扩展成为强度很高的湍流，从而更有利
34、于促进燃烧的进行。有利于促进燃烧的进行。第38页，共48页，编辑于2022年，星期二四、湍流四、湍流v v在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流在气缸内形成的无规则的气流运动称为湍流。v v采用统计的方法定义湍流特性参采用统计的方法定义湍流特性参采用统计的方法定义湍流特性参采用统计的方法定义湍流特性参数，在统计定常的湍流场中，某数，在统计定常的湍流场中，某数，在统计定常的湍流场中，某数，在统计定常的湍流场中，某一方向上的当地瞬时流速一方向上的当地瞬时流速一方向上的当地瞬时流速一方向上的当地瞬时流速U U可以写可以写可以
35、写可以写为平均速度和流速的脉动分量之为平均速度和流速的脉动分量之为平均速度和流速的脉动分量之为平均速度和流速的脉动分量之和和和和第39页，共48页，编辑于2022年，星期二湍流强度湍流强度湍流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即湍流强度定义为脉动速度分量的均方根值，即第40页，共48页，编辑于2022年，星期二积分尺度积分尺度lI和积分时间尺度和积分时间尺度 I积分尺度指流场中最大尺度结构的积分尺度指流场中最大尺度结构的积分尺度指流场中最大尺度结构的积分尺度指流场中最大尺度结构的量度，即大涡的尺度。积分尺度可量度，即大涡的尺度。积分尺度可量度，即大涡的尺度。积分尺度可量度，即大涡的尺度。积分尺
36、度可用气流中相邻任意两点脉动速度的用气流中相邻任意两点脉动速度的用气流中相邻任意两点脉动速度的用气流中相邻任意两点脉动速度的自相关系数的积分值来表示，即自相关系数的积分值来表示，即自相关系数的积分值来表示，即自相关系数的积分值来表示，即RxRxRxRx为自相关系数，定义为为自相关系数，定义为为自相关系数，定义为为自相关系数，定义为N Nm为测量次数。为测量次数。第41页，共48页，编辑于2022年，星期二一般先求出积分时间尺度一般先求出积分时间尺度 I I ，然后计算，然后计算，然后计算，然后计算l lI I在统计定常流动中，固定空间一点，用两个时刻的在统计定常流动中，固定空间一点，用两个时刻
37、的运动相关，来定义积分时间尺度运动相关，来定义积分时间尺度 I Rt为时间柜关系数，定义为为时间柜关系数，定义为第42页，共48页，编辑于2022年，星期二l lI和和和和 I I 之间存在以下关系之间存在以下关系之间存在以下关系之间存在以下关系若湍流在通过测定点时没有很大的畸变，而且湍流若湍流在通过测定点时没有很大的畸变，而且湍流本身较弱，则积分长度尺度本身较弱，则积分长度尺度lI和积分时间尺度和积分时间尺度 I，之，之间存在以下关系间存在以下关系 如果在气流中发生大涡结构对流现象，可认为如果在气流中发生大涡结构对流现象，可认为 I是是大涡通过该点的时间；在没有平均流动的气流中，大涡通过该点
38、的时间；在没有平均流动的气流中，I可以视作大涡结构的寿命。可以视作大涡结构的寿命。第43页，共48页，编辑于2022年，星期二 2 Kolmogorov 2 Kolmogorov长度尺度长度尺度长度尺度长度尺度lklk和时间尺度和时间尺度和时间尺度和时间尺度 kv叠加在大尺度气流上有许许多多很小尺寸的涡，这些小叠加在大尺度气流上有许许多多很小尺寸的涡，这些小涡使当气流的流型迅速发生变化，湍流能量的耗散即发涡使当气流的流型迅速发生变化，湍流能量的耗散即发生在这些最小的结构中。生在这些最小的结构中。v分子粘性起着把小尺寸涡分子粘性起着把小尺寸涡的动能耗散为热能的作用，的动能耗散为热能的作用，这一最
39、小的湍流流动结构这一最小的湍流流动结构尺寸可用长度尺度尺寸可用长度尺度lKlK表示，表示，它决定了单位质量能量的它决定了单位质量能量的耗散速率耗散速率 和流体运动粘度和流体运动粘度和流体运动粘度和流体运动粘度，为此，定义为此，定义为此，定义为此，定义KolmogorovKolmogorov长度尺度长度尺度l lk k为为为为第44页，共48页，编辑于2022年，星期二 Kolmogorov Kolmogorov时间尺度时间尺度时间尺度时间尺度 kKolmogorov时间尺度时间尺度 k表表示最小湍流结构的动量扩散示最小湍流结构的动量扩散时间，它的定义为时间，它的定义为柯尔莫戈洛夹认为，小涡旋无
40、法保存动能，只能消耗动能，柯尔莫戈洛夹认为，小涡旋无法保存动能，只能消耗动能，所以它只与流体的粘性和单位质量流体的湍流能量耗散率所以它只与流体的粘性和单位质量流体的湍流能量耗散率有关。有关。第45页，共48页，编辑于2022年，星期二3 Taylor3 Taylor微观长度尺度微观长度尺度微观长度尺度微观长度尺度l lM和时间尺度和时间尺度 MM微观长度尺度微观长度尺度lM被认为是发生粘性耗散的很薄的剪切层被认为是发生粘性耗散的很薄的剪切层的大致间距：时间尺度的大致间距：时间尺度 M可由时间自相关曲线求出可由时间自相关曲线求出对于均匀的和等嫡的湍流，微观长度尺度对于均匀的和等嫡的湍流，微观长度尺度lM和时和时间尺度间尺度 M之间存在如下关系之间存在如下关系第46页，共48页，编辑于2022年，星期二湍流的作用湍流的作用湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，湍流在汽油机上主要用于提高火焰传播速度，在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油（如壁面在柴油机上组织适当的湍流可以改善燃油（如壁面附近的燃油）与空气的混合。附近的燃油）与空气的混合。第47页，共48页，编辑于2022年，星期二内燃机缸内的湍流内燃机缸内的湍流利用热线风速仪测得的缸内相对湍流利用热线风速仪测得的缸内相对湍流强度随曲轴转角的变化。强度随曲轴转角的变化。第48页，共48页，编辑于2022年，星期二