第三章燃烧物理基础与内燃机传热

第三章燃烧物理基础与内燃机传热主讲人：尧命发内容提要燃烧的物理基础分子输运的基本规律输运系数的性质边界层概念有流动时的传热传质内燃机传热内燃机传热特性内燃机传热损失内燃机缸内传热系数燃烧物理基础各种工程设备中的燃烧过程，都不是单纯的化学过程，而是与如流体运行、物质扩散及热量传递等物理现象密不可分，并且这些物理过程往往是决定燃烧性能的控制因素。在燃烧现象中，除传统的流体运动外，还必须考虑如新鲜可燃气、氧化剂、燃烧产物、惰性气体等气体中的不同组份，必须考虑到传热传质问题，因此它比经典的流体力学更复杂。大尺度涡小尺度涡燃料氧化剂分了输运的基本规律若流体中有速度差、温度差和浓度差，就会出现动量、热量和物质的传递（输运）问题输运特性包括：滞粘性、热传导和扩散主要讨论层流态下，由分子运行引起的输运现象和规律牛顿粘性定律：

流体对下板有一切向力，单位面积上的切

向作用力正比于速度u∞，反比于距离δ式中：μ-动力粘度系数，若把运动粘度系数ν=μ/ρ代入则有：表达了：剪切应力与动量梯度的关系。

xyδ动量传递方向u=0u∞运动平板分了输运的基本规律傅里叶导热定律：由于分了热运动，热量通过流体层由热

板传向冷板，单位时间、单位面积上的

热流q”和温差（T∞-Tw)成正比，和距离δt成反比。式中：k-导热系数，导热系数表示为密度ρ，比热容和热扩散率α的乘积：xyδt传热方向TwT∞静止流体热平板扩散速度和Fick定律扩散：由于气体各部分的密度不同，使气体分子从密度较大的区域自发地传递到密度较小的区域，此时被输运的是质量。密度梯度引起的气体扩散，主要分为二种：一是自扩散──同一种气体因本身密度不同而引起的扩散；一是互扩散──发生在不同种气体间的扩散。在某些特殊情况下，由于温度差别，也会引起质量的输运。费克(Fick)扩散定律：描述了物质传输的规律，它可以用物质的浓度、分压或质量分数来表示。用浓度表示的Fick定律：两块平行的多孔板，中间充满静止流体B，另一种流体A

从下板输入，由分子运动通过静止流

体B扩散到上板，则A的质量流强为：

组分A穿过组分B的扩散系数(m2/s或cm2/s），与A和B的性质有关，通常假定与组分浓度无关。xyδD传质方向ρAWρA∞静止流体B扩散速度和Fick定律用分压表示的Fick定律：设质量为m，相对分子量为Mr，物质的量为n，则三者的关系为m=Mr˙n，质量浓度可以表示为：费克定律可以表示为：

用质量分数表示的Fick定律：设有两种组分，质量分别为mA,mB，总质量m=mA+mB，则组分A的质量分数为：无下标的量代表总的混合物。在燃烧问题中，经推导上式可以简化为：

因为质量分数是无量纲量，所以用于有化学反应时比较方便。

扩散速度和Fick定律分子输运的相似性和雷诺比拟：动量、热量和物质通过分子传递时在物理上的共性，决定了上述粘性、传热和扩散形式上的一致性。利用这种一致性，可由某物理量的计算结果，类比得出另一物理量的结果。这种方法称为“雷诺比拟”。三种传输定律可写成通用形式：在燃烧过程中，动量输运、能量输运和质量输运常常是同时发生，因此常常需要讨论三种输运系数间的关系，这种关系可用三个无量纲数表明，即Pr(Prandtl)普朗特数，Sc(Schmidt)施密特数，Le(Lewis)路易斯数。其物理意义：Pr代表动量输运和热量输运之比Sc代表动量输运与质量输运之比Le代表质量输运与热量输运之比对于常见的气体，以上三个准则数值分别为0.67,0.83,1.25，有时为了简化，假定它们都为1输运系数的性质根据分子运动理论，可得出在低压下气体的动力粘度系数（g/(cm·s)）为：单原子气体导热数（J/（cm˙k˙s)低压气体的扩散系数（cm2/s）为：T为绝对温度，T；Mr相对分子量（无量纲）；P压力（MPa);σ分子直径（nm);Ωμ,Ωc修正因子，称为碰撞积分，手册可以查出。

气体粘度、导热和扩散系数随着温度升高而增大；扩散随压力升高而降低。对于混合物的气体输运系数，可以参考其它资料进行混合物的计算，但输运系数的计算中，不能象其它物性参数一样，用质量平均法求混合物的值。边界层概念速度边界层：速度为u∞流动的等温流体，由于流体的粘性，在流体中的固体壁面将对流动产生阻碍，在壁面附近形成一个速度变化很大的流体层，称为流动边界层萁（速度边界层）yxu(y)u∞δ(x)Lu∞流速由接近自由流速u∞变到壁面处的u=0。实际上壁面对流速的影响在距壁面很远处都是存在的，但从工程观点看，可以认为只影响边界层厚度δ以内，在这一层内要考虑粘性的影响。根据理论计算，在层流条件下，距平板前沿L处的附面层厚度δ以及平板上的剪应力及阻力系数CD为：边界层概念热边界层：在温度为T∞气流中，沿流动方向置一温度和TW(TW<T∞)的平板，由于温度不均匀性，热量将从流体流向壁面。与速度边界层类似，温度将在靠近壁面的一薄层内变化很大，从壁面的TW变化到接近自由流温度T∞这一流体层称为热边界层。yxT(y)T∞δt(x)LT∞热边界层厚度δt

是流动边界层厚度δ和普朗特数Pr的函数。假设速度分布不受热流影响，比较简单的热边界层厚度为：Tw在稳定传热的情况下，根据傅里叶定律，进入壁面的热流强度等于流体导热系数和壁面处垂直于壁面的流体温度梯度的乘积：式中（k/)常称为“传热系数”，记作α边界层概念热流强度有：由传热学基本原理，α，k和L可组成一个无量纲准则，即努塞尔(Nusselt)数，Nu在强迫对流条件下，Nusselt数是雷诺数和普朗特数的函数，即：Nu=f(Re,Pr)；在自由对流下，Nu是格拉晓夫(Grashof）数Gr和Pr的函数，即Nu=f(Gr,Pr)，Gr定义如下：Gr的物理意义是浮力与粘性力之比，它在自然对流条件下所起的作用和雷诺数在强迫对流系统中所起的作用相当。Nu的物理意义是物体特征长度与热边界层厚度之比。

β为体积膨胀系数，，对于理想气体：边界层概念浓度边界层：前面假设流体的组分沿空间分布是均匀的。如果温度分布均匀而组分分布不均匀，参照上述方法，引入浓度边界层概念。如可挥发性液体表面浓度分布。当液体表面附件形成的一个浓度梯度较大的区域，即浓度边界层。其厚度可用δp表示。传质系数hp定义为：质量流强为：传质努塞尔数定义为：和传热问题类似，传质努塞尔数也可以由经验公式求出：对于强迫对流的平板对于垂直平板自由对流有流动时的传热传质有流动时的传热：在传热方向上，流体B以流强（ρν）由热板向冷板方向渗入，由冷板渗出，并维持定常流动。热量传递包括两部分：一部分是相对流体本身的导热，仍可用前面的公式；另一部分则是流体总体运动所携带的热。xyδt传热方向TwT∞ρν介质流ρν热板冷板设Ta是某基准温度，则流体离开上表面时的显焓为ρνCp（T∞-Ta），到达下表面的显焓为ρνCp（TW-Ta），两者之差可以看作是增强的传热。总的热流为：将传热系数定义代入，则有：式中：Pe贝克来(Peclet)数,其物理意义是对流热流强与导热流强之比。有流动时的传热传质有流动时传质：当上下平板有沿传质方向的流动时，将出现组分A穿过组分B的对流传质，从而使总的传质速度加快。传质总流强为：xyδD传质方向WAWWA∞静止流体Bρν介质流ρν将传热系数定义代入，则有：式中：Pep传质贝克来(Peclet)数,其物理意义是对流质流强与扩散流强之比。内容提要燃烧的物理基础分子输运的基本规律输运系数的性质边界层概念有流动时的传热传质内燃机传热内燃机传热特性内燃机传热损失内燃机缸内传热系数研究气缸内的传热规律，对于改善内燃机的工作循环和热负荷情况都有重要意义气缸周壁的传热问题十分复杂，它具有导热、对流和辐射传热和三种基本方式（其中对流为传热的主要方式）内燃机传热是在传热面积和工质的压力、温度及相对周壁各部分的流动速度等反复变化的不稳定情况下进行的内燃机中的传热内燃机中的传热损失给冷却介质的磨擦热

摩擦损失，首先是活塞与活塞环与气缸壁的摩擦，其损失约占全部机械损失的55～60％。而其中整个摩擦损失的热量约有35～40％。

热量通过排气歧管壁表面传给冷却介质的热量，可近似地由流入和流出排气歧管的焓变化值得到气缸周壁对冷却介质的放热率

气缸周壁包括气缸盖燃烧室表面、活塞顶及气缸壁湿周表面，它们是通过冷却介质进行冷却，故冷却介质与工质之间始终进行着热量传递。当内燃机以稳定工况运行时，它传向气缸周壁的传热率可用下式表示：发动机的热平衡：

燃油燃烧所产生的热量恒等于转变为有效功与各项散失的热量之和。热平衡方程式:

Qf=Qe+Qw+Qr+Qb+QsQf:燃油完全燃烧的热量;Qe:转变为有用功的热量;（占25～40％)Qw:传给冷却介质的热量;

（占10～35％)Qr:被废气带走的热量;

（占25～50％)Qb:燃烧不完全热量损失;Qs:其他热量损失;内燃机热平衡燃油完全燃烧的热量—Qf＝GThu(kJ/h)转变为有用功的热量—Qe＝3.6×103Ne(kJ/h)传给冷却介质的热量—Qw＝Gwcs(t2-t1)(kJ/h)

(Gw—通过冷却介质的流量kg/h；cs—冷却介质的比热kJ/(kg℃)；

t1、t2—冷却介质入口、出口温度)被废气带走的热量—Qr＝(GT+Gk)(cprtr-cpktk)(kJ/h)

(GT、GK—每小时消耗的燃油和空气量kg/h；cpr、cpk—废气和空气的定压比热kJ/(kg℃)；tk、tr—进排气门处工质温度)燃烧不完全热量损失—Qb＝Qf(1-ηr)(kJ/h)

(ηr—燃烧效率）其他热量损失—Qs＝Qf－(Qe＋Qw＋Qr＋Qb)(kJ/h)内燃机热平衡计算内燃机热平衡示意图燃料燃烧的总热量仅有２５％～４０％转变为有效功，其余６０～７５％的热量损失掉。其中主要由废气带走，其次传给冷却水，在某些汽油机中不完全燃烧所占比例也不小。内燃机热量回收内燃机余热能回收利用缸内的传热系数关于缸内工质与燃烧室周壁之间的瞬时传热系数，由于气缸内传热问题很复杂，影响因素也很多，与此有关的很多参数迄今为止还没有充分了解，所以很难从理论上加以研究。因而要推导出传热系数的公式是困难的，尽管人们进行了不断的试验研究，而所取得的成果还是很有限。目前大多停留在经验上或半经验上，使用的也大多是经验公式。目前发表的传热公式有30多种，最早的是Nusselt提出的经验公式，将传热系数分为对流和辐射两部分。瞬时传热系数的经验公式对流传热系数

20世纪二十年代，Nusselt根据燃烧弹中对空气－燃料混合物燃烧试验和整理结果，建立了燃气对缸壁的瞬时对流传热系数计算公式：

B－考虑了缸内气体涡流对传热的加强作用。瞬时传热系数的经验公式辐射传热系数

气体辐射同固体辐射相比有它显著的特点。不同气体的放射与吸收辐射的能力有很大的差别，单原子气体和双原子气体如O2，N2，CO等的辐射都较小，实际上都可视作为透射体。三原子及更多原子的气体一般具有相当显著的辐射能力。当气缸中工质燃烧膨胀时，燃气中含有多原子气体CO2和H2O等，由于它们处在高温下，不论是在汽油机或柴油机内均存在着气体的热辐射，尤其在柴油机中，还伴有碳粒的火焰辐射，而且从数量上看前者是比较小的，只有火焰辐射是主要的。因此，在正常燃烧时，汽油机可以忽略辐射传热，但对柴油机则必须加以考虑。

Nusselt根据他在燃烧弹中对气体混合物燃烧的试验结果，提出内燃机中工质向缸壁的辐射传热系数经验公式：则Nusselt的传热系数可写成：

Eichelberg在1939年发表了以柴油机（船用低速柴油机）实测为根据的瞬时传热系数的计算公式：

六十年代初W.Pflaum在Eichelberg基础上考虑了增压力压力pk的附加影响，瞬时传热系数的准则方程式

随着传热学研究工作的进展，许多研究者企图应用现代传热学的研究成果将气缸内的传热整理成准则方程式的形式，以便于推广应用。大多数研究者都认为，对流传热部分可归纳成如下准则方程式形式：关于准则方程式的应用，G.Woschni于1970年提出了准则经验公式：

D－所取的定型尺寸气缸直径；λ－气体