燃烧理论分析及相应计算

燃烧机理分析

林树军浙江温岭

燃烧过程高速摄影

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燃料和空气混

合

气缸

混合气残余废气

过程

湍流火焰

燃气

混合物燃料

空气

点火

TDC

@1430r/min&部分负荷Lamberda=1.30

喷油角度为30CRA BTC

出现火焰

达到离火花塞最远的气缸壁

理论温度最高点

燃烧阶段划分

火焰高速传播期

火焰传播

火焰扩散期

早期火焰传播

火焰终止

火花点燃

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燃烧机理解释

内燃机的燃烧过程是湍流燃烧，而湍流燃烧是一种极其复杂的带化学反应的流动现象，湍流与燃烧的相互作用涉及许多因素，流动参数与化学动力学参数之间的耦合的机理极其复杂，用数值模拟方法分析和预测湍流燃烧现象的关键问题是正确模拟平均化学反应率，即燃料的湍流燃烧速率。

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燃烧湍流模型

Eddy Break up(涡团破碎模型）

Spalding的涡团破碎模型，其基本思想是：对预燃火焰、湍流燃烧区中的已

燃气体和未燃气体都是以大小不等并作随机运动的涡团形式存在。化学反应

在这两种涡团的交界面上发生。化学反应的速率取决于未燃气体涡团在湍动

能作用下破碎成更小的涡团的速率，而此破碎速率正比于湍流脉动动能k的耗

散率，其基本表达方式如下：

该模型是AVL公司fire软件里面计算燃烧的基础计算模型。

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缸内传热模型

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内燃机的传热既是与燃烧现象密切耦合的一个子过程，又是整个燃烧循环模拟的一个重要环节。然而，内燃机的传热问题又被认为热问题中最复杂的一个，这是因为由于内燃机工作过程强烈非定温度变化的高度瞬变性，以致在毫秒量级的时间内，燃烧室表面的热流量从零变化到10MW/m2，同时温度和热流的空变化也非常剧烈。在1cm 的位置上，热流峰值相差可达5MW/m2。一般而言，发动机的传热计算包括3个方面：（1）工质与燃烧室热量的交换（包括对流和辐射两种方式）；（2）燃烧室壁内部的热传导；（3）燃烧室外壁与冷却对流和沸腾传热。

对于内燃机燃烧过程来说，主要考虑的第一项，因而对于内燃机传热模型方面主要考虑两个方面：1、工质与壁面之间的对流换热模型，2、是辐射换热模型。而主要计算方法：1、壁函数法。2、热流法。

Wochini 传热经验公式

燃烧湍流理论

湍流与燃烧、排放物生成的关系极大，例如对火花点火发动机，主要表

现在对火焰传播速率、燃烧速率、循环变动以及稀燃极限等方面，对压

缩点火发动机扩散燃烧阶段的燃烧速率取决于空气和燃料混合速率，在

湍流中物质传输和混合速率均大大高于分子间的扩散速度，在一定范围

内增加湍流强度，将有利于燃烧过程的进行和降低烟度。

虽然进行了长期的研究，至今对湍流的本质没有清楚的认识，只知道湍流是涡的不断产生、发展、分解和消失的过程，在测量点上表现为各向异性，强瞬变的气流速度无规则分布。

湍流产生方式：

1、气流通过固体物体表面而产生的壁面湍流

2、在同一流体中，不同速度的流体层之间产生的自由湍流。

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湍流特性参数

1、平均气流速度

仔细观察湍流曲线可以发现，尽管流体质点的瞬时速度作不规则的

变化，但它却绕某一平均值作上下跳动（称作脉动）

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湍流特性参数

和方差公式类似，代

表波动

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内燃机中各个湍流特性参数之间的关系

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（1）进气过程中边界条件对气缸平均流程和湍流场有重大的影响。

（2）湍流强度和气流平均流速随发动机单位时间进气量增加而增加。

（3）积分长度和气门升程、气缸进气速度有关。

可以理解为进气速度

发动机准维燃烧模型

火焰传播是发动机燃烧的重要特性，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，汽

油机燃烧实质上是湍流燃烧，湍流燃烧模型就是建立描述湍流、点火、

火焰及火焰传播等燃烧特征参数及其相互间的关系的一组数学表达式，

并与内燃机的结构参数和运行参数联系起来，用以预测内燃机结构参

数、运行参数变化后的燃烧特性。

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发动机准维燃烧模型

湍流火焰结构

基于对火焰传播机理的认识，有两种描述火焰传播的模型：一种是湍流积分尺度L比层流火焰带的厚度大的多的情况，该模型是以分子迁移过程为基础的模型，是皱折的层流燃烧模型。火焰带内部的结构与层流火焰完全相同，随着流速的变化，火焰面产生畸变、出现皱折，火焰面的总面积增加，燃烧速度也加快。

另外一种是属于湍流迁移过程为基础的模型，湍流对火焰面形状影响不大，但对火焰带中的热量基团的迁移过程有大的影响。因湍流迁移在燃烧中是起支配作用的，所以燃烧速度加快，火焰带也变后。

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湍流迁移燃烧模型

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燃烧速度比

其中湍流强度包括已燃区湍流强度和未燃区湍流强度火焰燃烧产生的湍流

两相之间的气体参数

湍流能谱

一般湍流中还包含有各种尺度的涡动，换句话说，包含着各种频率的速度变

成成分，即表现出频谱的分布态，这样，湍流层燃烧速度比又可以写成以湍

流能谱表示的表达式：

低频部分高频部分

发动机燃烧需要

合适的湍流。

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