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转速对燃烧室气流运动的影响探究

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.13～图6.19所示分别为不同偏心轴转角下缸内流场的变化规律。另外，燃烧室后侧的流体继续向前流动，在燃烧室前侧两端形成明显的滚流。涡流A向燃烧室前侧发展，与气缸碰撞后发生偏转，偏转后的气流与前后端面再次发生碰撞，碰撞后由于受到中部涡流的阻隔，从而形成滚流。在压缩阶段的中期，从图6.10和图6.17可以看出，在燃烧室的中心形成半径不大的涡流，在燃烧室前侧的两边形成强烈的滚流，不同转速下流场的运动规律基本一致。

转速是影响流场变化的主要因素之一，本小节将利用数值模拟的方法研究5 000r/min、10 000r/min、20 000r/min和25 000r/min转速下流场的变化规律。图6.13～图6.19所示分别为不同偏心轴转角下缸内流场的变化规律。

进气阶段初期，从五个转速的流线图[图6.5（a）和图6.13]可以看出，燃烧室中后部的流场趋势基本相同，气流与转子碰撞后在很小的空间内发生偏转，燃烧室后侧的空间较小且有后侧气流的挤压，在燃烧室后侧形成涡流，涡流的强度随着转速的增加而增加。在燃烧室的前侧滚流与气缸壁面碰撞后形成涡流，涡流的半径逐渐减小，甚至在25 000r/min下前侧的涡流完全消失。在转速从5 000r/min增加到20 000r/min的过程中，前侧涡流中心的强度逐渐增强。来自进气口的气流与转子和前后端面发生碰撞后，在燃烧室两侧形成了强烈的滚流，随着转速的增加，湍流向燃烧室前侧发展的路径更长，发展的滚流与气缸碰撞后形成涡流。

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图6.13　上止点前450°流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

进气过程中期，对比图6.6（a）和图6.14中的五个转速可以看出，由于燃烧室容积的增加，在燃烧室中部的两侧形成强烈的涡流和滚流B的混合流动。随着转速的增加，两侧的滚流和涡流逐渐增强且向进气口的方向移动。这是由于随着气体流速的增加，高速气流与转子碰撞后更易发生偏转，进气口的气流在高速情况下与转子刚接触就发生偏转形成涡流和滚流。除此之外，在进气口的两侧由于后侧气流受到进气气流的阻隔而在很小的空间内形成涡流A，在燃烧室后侧的涡流半径随着转速的增加而逐渐增大。在燃烧室的中间平面上形成半径很大的涡流，在不同的转速下涡流的半径大小基本相同，随着转速的增加，涡流中心的强度逐渐增大。在燃烧室前侧形成的涡流C，是由涡流B向前发展与气缸壁面碰撞后偏转形成的，随着转速的增加，涡流C逐渐减弱甚至消失。这是由于涡流A在高转速下有足够的向前发展的空间，而涡流C的形成受到了限制。

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图6.14　上止点前350°流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

在进气阶段后期，从图6.8（a）和图6.15可以看出，随着转速的增加，进气口的逆向流动减弱，由于燃烧室后侧的体积减小，后侧的气体受到挤压，以致气体向进气口反向流动。转速从5 000r/min增加到25 000r/min的过程中，涡流A半径逐渐增大。涡流在燃烧室内占据的宽度，随着转速的增加逐渐减小，这是由于转速的增加导致气流的速度增加，气流的惯性导致气流更集中地向前发展。涡流A向燃烧室前侧发展，与气缸碰撞后发生偏转，偏转后的气流与前后端面再次发生碰撞，碰撞后由于受到中部涡流的阻隔，从而形成滚流。由于前侧空间的不均匀性从而形成层状的涡流，靠近转子的空间较大，所以滚流B的半径较大。滚流B的半径随着转速的增加而增加，这是因为涡流A随着转速的增加更集中于燃烧室中部，滚流B有更大的空间去流动和发展。

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图6.15　上止点前235°流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

在压缩阶段的初期，从图6.9和图6.16可以看出，流场的运动趋势基本一致，随着转速的增加，流场中间平面的涡流区A中心的半径逐渐减小，并且涡流区A 占有的空间逐渐增大。这是因为转速的增加导致流场的流速增加，更多的流线与壁面碰撞形成涡流。涡流B的中心强度随着转速的增加而减弱，涡流半径在转速从5 000r/min增加到25 000r/min过程逐渐增大。涡流B的旋转区域占有空间逐渐变化，在转速从5 000r/min到10 000r/min时，涡流B的旋转区域占有上半部的部分空间，在转速从15 000r/min增加到25 000r/min时占有上半部的整体空间。转子侧的气流逆时针旋转形成涡流C，涡流C的半径随着涡流B的旋转区域占有空间的减小而减小，在20 000r/min下涡流C的半径消失。

在压缩阶段的中期，从图6.10和图6.17可以看出，在燃烧室的中心形成半径不大的涡流，在燃烧室前侧的两边形成强烈的滚流，不同转速下流场的运动规律基本一致。在转速5 000r/min下燃烧室中部形成的涡流半径较小，但是强度较大。随着转速的增加，涡流的半径增大，但是中心强度没那么明显，直到25 000r/min，在燃烧室中部形成涡流半径和强度都很大的涡流。另外，燃烧室后侧的流体继续向前流动，在燃烧室前侧两端形成明显的滚流。滚流的半径随着转速的增加而增加，并且滚流区域随着转速的增加也有扩展的趋势，这与流场的流速增加有着密不可分的关系。

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图6.16　上止点前216°流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

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图6.17　上止点前135°流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

在压缩阶段后期，从图6.11和图6.18可以看出，压缩后期的流线几乎完全一样，涡流和滚流都破碎为单向流，只是在燃烧室前部的挤流区域有些许差别。燃烧室前部的空间非常狭小，不同转速下形成的滚流都被压缩到了燃烧室前方。在压缩上止点附近，五种转速下的流场几乎完全一样，在狭小的空间内形成了稳定的单向流，如图6.19所示。

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图6.18　上止点前72°不同转速下流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

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图6.19　上止点不同转速的流线图

（a）5 000r/min；（b）10 000r/min；（c）20 000r/min；（d）25 000r/min

从图6.20可以看出，对于周向进气的小型转子发动机而言，容积效率随着转速的增加呈现出先增大后减小的趋势。这也可以说明周向进气转子发动机比端面进气转子发动机更适合在高转速下工作。从图6.21看出缸内平均湍动能只有一个峰值，主要是进气气流进入燃烧室后发生转向而产生的。随着转速的增加，缸内气流的流速越来越大，燃烧室内气流与壁面碰撞的作用越来越强，从而缸内的气流扰动不断加剧，缸内涡流和滚流的变化也越来越剧烈。从图6.22可以看出，缸内气流的速度出现三个峰值，第一个峰值是由进气口刚打开，燃烧室内气流高速冲出进气口且燃烧室空间较小产生的。第二个峰值是进气口面积的增加，高速气流使燃烧室的充量增加而产生的。第三个峰值是在上止点处产生的，此时燃烧室体积最小，气流被压缩从而增加了气流速度。

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图6.20　不同转速下的容积效率

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图6.21　不同转速缸内平均湍动能

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图6.22　不同转速缸内平均流动速度