气体热传递系数实验及比较

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：Eichelberg的研究利用大型二冲程柴油机测量燃烧室内气体和壁表面的温度，发表了下述气体强制对流热传递系数的试验式。h0=0.2441/2v1/3p，m 式中，h0为气体热传递系数；p、T分别为气缸内压力和温度；vp，m为活塞平均速度，在全工作范围内不变。图8-11 各种气体热传递系数的经验式比较

燃烧室内气体热传递相关研究由努赛尔（Nusselt）开始，并由泰勒求出气缸内强制对流热传递在循环全领域所消耗时间的平均值，以此开始用无量纲数进行表示。随之，阿南德（W.J.D.Annand）、沃希尼（G.Woschni）等发表了不是时间平均值而是瞬间值相关的热传递系数表示式，形成现代主流。他们的经验式都由努塞尔特数、雷诺数和普朗特数之间的关系式形成，见式（8.27a）：

Nu=C×Re^mPrⁿ （8.27a）

如果设定燃烧气体的普朗特数为常数，则式（8.27a）可以简化为

Nu=C×Reⁿ （8.27b）

式中，C、m、n为根据流体流动与壁表面的相互条件取得不同数值的试验常数，指数m通过很多次的测量结果为0.7～0.8。在雷诺数（ρuL/μ）中包含的L为特性长度；气体侧为气缸内径B；冷却液侧为因围绕燃烧室使用冷却液通道宽度D_c的2倍数值；u为活塞平均速度或冷却液平均速度；μ为气体或冷却水的黏性系数。

为了客观分析发动机的散热量，在式（8.24）中把热传递系数h_g以总热传递系数（传热系数）K代替，并对努塞尔特数（Nu_K）定义为

（1）努塞尔的研究努塞尔在球形静态燃烧室中测量出强制对流热传递，并把高温气体向燃烧室壁的热流区分为通过对流的热传递系数h_g和通过辐射的热传递系数h_r，并以通过强制对流的热流和通过辐射的热流之和来进行了表示。

式中，v_p，m为活塞的平均速度；p、T分别为气体压力和温度；T_w为燃烧室壁表面温度。

（2）Eichelberg的研究利用大型二冲程柴油机测量燃烧室内气体和壁表面的温度，发表了下述气体强制对流热传递系数的试验式。

h₀=0.244（pT）^1/2v^1/3_p，m （8.29）

式中，h₀为气体热传递系数；p、T分别为气缸内压力和温度；v_p，m为活塞平均速度，在全工作范围内不变。以此，可以用下式计算热流。

上述试验式虽然从大型二冲程柴油机上获得，但随后发现也很符合汽油机的情况，因此目前此试验式仍被广泛采用。

（3）阿南德的研究阿南德分离对流热传递和辐射热传递，燃烧室内的热流表示为

式中，k为燃烧气体的热传导系数；B为气缸内径。Re为以ρv_p，mB/μ定义的雷诺数，v_p，m为活塞的平均速度。气缸内的平均气体温度为

式中，R为普通气体常数；M为燃烧气体的分子量。

阿南德的经验式（8.31）中的a、b、c随气缸内流动强度和发动机设计的不同而均不相同。在正常运行条件下，二冲程发动机a值为0.38，四冲程发动机为0.49，并根据流体流动强度获在0.35≤a≤0.8范围内发生变化，随流动强度的增加而增大。b=0.7。c为辐射热传递系数，在压缩行程中为0，在燃烧和做功行程中压燃式发动机为1.6×10^-12，SI发动机为2.1×10^-13。SI发动机的c值远小于压燃式发动机的原因是，SI发动机的辐射传热较小。

（4）沃希尼的研究沃希尼把高温燃烧气体的热传递以下式为基础进行了分析：

Nu=0.035Re^m

式中，雷诺数中包含的代表长度为气缸内径B；速度为燃烧室内气体的局部平均速度。他以上式为基础，发表了在空间上对不均匀的温度进行平均化的热传递系数h_g式。

h_g=3.26B^-0.2p^0.8T^-0.55v^0.8_p，m （8.32）

式中，h_g为燃烧气体的热传递系数（W/m²·K）；B为气缸内径（m）；p为瞬间气体压力（kPa）；T为瞬间气体温度（K）；v_p，m为平均空气流速（m/s）。

没有涡流的水冷式直喷柴油机上的平均空气流速v_p，m为

式中，V_d为燃烧室容积（m³）；p为瞬间气体压力（kPa）；p_m为监测压力（kPa）。（p-p_m）为通过燃烧的压力上升值。p_r、V_r、T_r为在某种状态下如进气门关闭期间或燃烧开始时期等时的混合气的压力（kPa）、容积（m³）和温度（K）；C₁、C₂为在进气、压缩、做功和排气各行程中分别取得不同值的系数，在没有涡流的状态分别取得如下值。