湍流

内燃机特性

湍流又称紊流，指内燃外，还存在着一种随机缸内的气流运动，除了涡流、滚流和挤流机、非定常、有旋的流动。

简介

湍流是自然界普遍存在的流体运动，它只有在流体高速流动（高雷诺数）的情况下才会产生。湍流的基本特征在于其具有随机性质的涡旋结构，以及这些涡旋在流体内部的随机运动，因此，湍流能引起相邻各层流体间动量、能量及浓度等的交换和脉动。

内燃机中可燃混合气的湍流特性对燃烧速度和火焰传播有着十分重要的影响。火花点火式发动机中湍流能促进火焰面附近已燃气体和未燃气体的交换，扩大火焰前锋表面积，从而提高火焰传播速率。在柴油机中湍流可以改善燃油（如壁面附近燃油）与空气的混合。

研究方法

内燃机的发展过程中，缸内气流运动的研究一直是内燃机研究领域中一个很重要的部分。人们为了清楚的了解缸内气流运动的详细过程，利用了各种研究手段。近年来，随着科学技术的进步，研究手段不断更新，缸内气流运动的研究越来越精确，直观。总的来说，目前国内外对缸内气体流动的研究方法有：多维数值模拟、微观研究方法和宏观研究方法等。

多维数值模拟

对内燃机缸内气体流动进行多维数值模拟已经有二三十年的历史了。七十年代Watking、Boni、Diwaker等就计算了气缸内的二维流场。进入八十年代，随着测试技术的发展，尤其是激光测试技术的应用，人们对内燃机缸内流场的变化规律有了深入的理解，而计算机技术、流体力学、传热传质学、化学反应动力学等相关科学的进步，为建立实用的内燃机的流体计算模型提供了有力的工具。近年来多维数值模拟技术进展很快，在湍流模型应用、网格的升成、数值方程的离散化和方程组的解法上都得到了极大的发展，已成为理解缸内空气运动规律的有力辅助工具。

微观研究方法

微观研究方法主要是利用特定的仪器研究缸内湍流速度场的分布情况。研究的设备有：热线风速仪 CTA、激光多普勒测速仪 LDA 和粒子示踪速度法PTV 和粒子图像速度法PIV 等。

宏观研究方法

宏观研究方法主要是指稳流试验技术，即利用气道试验台进行研究。这种研究方法的优点是：原理简单，结果比较可靠；对研究单位和企业都适用，能广泛的用于对实际工作的指导；能在较快时间内给出试验结果，效率较高。这种研究方法的缺点是：得到的信息不够详尽，无法得知缸内湍流速度场的具体分布情况。

现在国内外关于气道试验台的应用研究很多，也形成了各自的对气道评价的评价体系，比较常用的有英国的 Ricardo 评价法、德国的 FEV 评价法、奥地利的AVL 评价法和美国西南研究院的 Sw RI 评价法等。各种评价方法都有各自的特点，了解这些评价方法有助于更好的了解气道的性能。

对燃烧过程的影响

对不同的燃烧系统和发动机不同的工况，适当的气流运动具有下列作用：

（1）使喷雾在燃烧室内较为均匀地分布，在一定程度上相当于起到了增加喷孔数目的作用。在油膜混合型燃烧中，气流运动促进了油膜在燃烧室壁面上的涂布，扩大了油膜的涂布面积和汽化面积，减薄了壁上油膜的厚度。

（2）促进和加速了油与热空气之间以及油与热壁之间的传热作用。空气运动能增加它们之间的传热系数。从而缩短了对油滴和油蒸汽的加热时间。

（3）促进和加速了油滴和油膜的汽化作用，缩短了汽化时间。液体单位表面积的汽化速度除与其性质、温度和压力等有关外，还与其表面周围汽化了的分子的去留有关。气流运动能使汽化了的油分子迅速离开液体表面，从而加速了汽化过程。

（4）促进和加速了油滴与空气之间、油蒸汽与空气之间以及己燃气体的火焰与未燃混合气之间的互相扩散和渗透作用。

（5）促进和加速了油滴与空气之间以及油蒸汽之间的均匀混合，缩短了混合时间。

（6）由（1）至（5）各点的作用，使油分子与氧分子之间增加了接触面积和碰撞几率，缩短了物理滞燃期和化学滞燃期，减少了在滞燃期内的喷油量和参加预混合燃烧的燃料量，扩大并加速了扩散燃烧，减少了后燃。从而增加了平均有效压力，降低了油耗率。同时，使整个燃烧过程进程的可控性增加。

（7）由于气流运动可以缩短滞燃期，这就可以推迟喷油而不降低经济性，从而可以大大降低NOX的排放量。而NOX排放量常常与经济性和烟度恶化伴生。所以，气流运动帮助解决了车用柴油机达到排放法规所要求的排放水准。

（8）以气缸或燃烧室轴线为旋转轴的有组织的涡流形成了离心力场。这是形成热分层效应的基本条件。

（9）由于上述各点，提高了空气利用率，允许减少过量空气系数，从而使未利用的空气从排气中带走的总热量减少，提高了热效率、平均有效压力和冒烟极限功率。

（10）在达到发动机同样的动力、经济指标下，可以适当降低对供油系统的技术要求。从而有利于供油系统工作的可靠性，并延长其寿命，减少了这一系统的故障。

（11）气流运动使混合气形成均质化，从而使燃烧室内减少或消除混合气局

部地区过浓或过稀以及局部高温缺氧区。这样减少了高温裂解未燃燃油，最终使排烟减少。所以，组织和适当加强燃烧室内的气流运动，是减少排烟、HC 和 CO的有效措施之一。

气流运动带来的缺点是：增加了流动损失和传热损失，降低了充气效率；对进气系统和燃烧室的结构、尺寸及形状等的制造精度要求严格；制造工艺复杂化并增加了制造成本。但是，总的说来，是利大于弊。内燃机进气、压缩和燃烧过程中的气流运动是十分复杂的，并且在进程中是多变的，因而亦是研究燃烧过程课题中较难掌握的内容。尽管几十年来许多学者研究了气流运动，发表了一系列的论文和研究成果，但至今仍有一系列宏观和微观现象有待进一步研究和阐明。

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