第七章 汽油机燃烧与准维燃烧模型分析

湍流的产生
湍流是由大雷诺数引起流动不稳定性而产生 的 ,层流管流在雷诺数大约2000时变成湍流 ;
湍流不能依靠自身来维持，需要从周围不断吸 取能量。
在层流中，绝大多数的不稳定性理论都是线性 理论，仅对非常小的扰动是适有的，它不能解 决湍流中的大脉动问题。另一方面，几乎所有 的湍流理论都是渐近的理论，在大雷诺数流动 中是相当精确的，但当雷诺数较低，湍流不能 自身维持时，理论就不可不完全精确了。
第七章 火花点燃式内燃机燃 烧与准维燃烧模型
尧命发
火花点燃式发动机燃烧
火焰传播是点燃式发动机燃烧的重要特征， 强烈地受缸内气流湍流运动的影响，决定性 地影响到火焰结构和火焰传播。 湍流特性影响燃烧过程，点火式发动机实质 上是湍流燃烧。 湍流燃烧模型就是建立描述湍流、点火、火 焰传播等燃烧特征参数及其相互间的一组数 学表达式，并与内燃机参数和运行参数联系 起来，可以预测内燃机结构参数、运行参数 变化后的燃烧特性。
从层流到湍流的转变开始于最早的不稳定机理。
湍流的性质
➢ 不规则性 ：湍流不以能用定数的方法描述，只能求助于统计的方法。 ➢ 扩散性 ：扩散加速了混合，增加了动量、热和质量的传递速率。 ➢ 大雷诺数 ：当雷诺数很大时，层流流动首先变得不稳定，而后产生湍
流。 ➢ 三维的涡量脉动 ：湍流是一个有旋的三维的运动。湍流以很强的涡量
脉动为其特征。 ➢ 耗散性 ：粘性切应力克服应变率作用导致流体的内能增加，湍流的动
能随之减小。为了补偿粘性损耗，湍流需要不断补充能量。如果没有能 量补充，湍流将很快衰减。 ➢ 连续性 ：湍流是满足流体力学基本方程的连续现象。 ➢ 湍流是一种流动 ：湍流是流体流动的特性. ➢ 湍流的大尺度涡团具有拟序性和间歇性:湍流大尺度涡团的运动并非是 完全随机的，而是在空间上表现出一定程度的有序(拟序)性，时间上表 现出一定的周期（间歇性）性。
A' B' A' B'C'
分别称为脉动量的二阶相关矩和三阶相关矩。它们通常都不等 于零。其大小取决于两个或三个随机量之间互相关联的程度。 由此可见非线性的随机量(两或多个随机量的乘积)实施雷诺平 均后，会产生新的未知量－脉动量的相关矩。这表明，湍流的 的起源正是在于控制方程中的非线性项。
为了描述湍流脉动的平均强度，一般采用脉动速度的均方根值， 称为湍流强度，流速U和湍流强度u’定义如下：
统计平均法满足几个基本的雷诺平均法则：
f g f g
cf c f
fg fg
lim f lim f
fds f ds
(f ) f s s
AB (A A')(B B') AB AB' A' B A' B' AB A' B'
ABC ABC AB'C' B A'C' C A' B' A' B'C'
U (t) U u(t)
lim U
1 t0 U (t)dt
t0
lim u
1 t0 u(t)dt
t0
u(t)为流速的脉动分量；
lim u'
[1 t0 u 2 (t)dt]0.5
t0
湍流尺度
从湍流统计理论的观点看，流场中某点的脉动量可以视为各 种不同尺度(或不同频率)的涡团经过该点所造成的涨落。大 尺度涡频率低，小尺度涡频率高。最大的涡与固体边界或平 均流场的宏观尺寸同阶，而最小的涡则向分子无规则运动尺 度的方向延伸。由于涡团的尺度是一个随机量，所以只能用 统计力学的方法，借助所谓相关系数的概念来定义湍流尺度。
湍流统计理论的若干基本概念
统计理论采用严格的统计力学的方法，着重研究湍流的内部 结构（即脉动结构）。 描述湍流的统计平均法 ➢ 按照雷诺的观点，随机变化的湍流瞬时量 φ可以分解成平均 值和脉动值，平均值可以用不同的平均方式得出。对宏观定 常或准定常的湍流，一般采用时间平均；对于空间上均匀的 流场，可以采用空间平均，而对内燃机缸内湍流这类既不定 常又不均匀的湍流系，则以采用在同样条件下的大量重复的 实测为依据的系综平均为宜（对于内燃机而言，则以采用在 同样曲轴转位置下从大量循环次数获取的相位平均）脉动值 定义为瞬时值对平均值的偏离。因此，湍流参数瞬时值等于 平均值与脉动值的线性迭加 ，即为所谓湍流的雷诺分解。
2
内容提要
湍流基本概念 内燃机缸内湍流流动特点 湍流火焰结构 火花点燃式发动机燃烧实验观察 湍流燃烧模型 点燃式发动机非正常燃烧 火花点燃式发动机燃烧模型 汽油机燃流，是自然界广泛出现的流体运动。在自然界的流 体运动，几乎都属于紊流这个范畴。目前关于紊流或湍流这个词 在流体力学中已普遍采用，但是对它下一个全面确切的的定义， 却不太容易。在20世纪50年代以前，常常将紊动定义为“紊乱无 序的流体运动”。当然，紊乱无序是紊流的一个重要特征。正是 由于这个特性，才无法用简单的空间和时间函数对紊流进行全面 描述。但这决不是说紊流运动无规律可循，它完全可以为机率理 论所描述。应用统计概念，完全可以给出各种量，如流速、压力、 温度等准确的平均值，从而有可能对紊流的运动规律进行数学上 的描述。所以，紊流一方面具有随机性质，在空间上和时间上做 紊乱无秩序的变化，另一方面又具有准确的统计平均值，完全符 合流体力学基本规律。
L f ( x)dx
0
f(x)为湍流纵向自相关系数，其定义为：
f (x) u(x0 )u(x0 x) u 2 (x0 ) u 2 (x0 x)
➢对于相距很小的两点(x取值较小)，处于同一涡团的机会多， 故两点的相关就大。当两点相距较大（x取值较大），两点处于 同一涡团机会就少，而处于互不相关的不同涡团中的机会增多， 故两点的相关小。引入湍流尺度L后，当两点距离小于或等于L 时，则认为两点落在同一个平均涡团内，是相关的，否则是不 相关的。可见L给出了总体涡团的平均大小。 ➢为了确定L，需要同时测定流场中两个点的速度脉动值，这就 增加了实验工作的困难，因此，一般先求出积分时间尺度然后 计算出L。 ➢在统计定常湍流场中，空间某固定点在不同时间的速度间的相 互关联定义为积分时间尺度:
考虑两个相邻固定距离的两个空间点A和B，如涡团平均尺 度大，则两点经常处于同一涡团内，这两点上物理量的脉动 规律就很接近，用统计学的语言来说，这二点脉动量的相关 就大；如涡团平均尺度小，则它们经常分别处于两个涡团之 中，两点脉动量相差就小，因而空间相关系数能较好地反映 涡团的平均尺度。积分长度尺度或湍流尺度可用任意两个相 邻点脉动速度的脉动相关系数的积分值表示，即