第三章燃燒物理基礎(chǔ)與內(nèi)燃機(jī)傳熱主講人：堯命發(fā)內(nèi)容提要燃燒的物理基礎(chǔ)分子輸運(yùn)的基本規(guī)律輸運(yùn)系數(shù)的性質(zhì)邊界層概念有流動(dòng)時(shí)的傳熱傳質(zhì)內(nèi)燃機(jī)傳熱內(nèi)燃機(jī)傳熱特性內(nèi)燃機(jī)傳熱損失內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)傳熱系數(shù)燃燒物理基礎(chǔ)各種工程設(shè)備中的燃燒過程，都不是單純的化學(xué)過程，而是與如流體運(yùn)行、物質(zhì)擴(kuò)散及熱量傳遞等物理現(xiàn)象密不可分，并且這些物理過程往往是決定燃燒性能的控制因素。在燃燒現(xiàn)象中，除傳統(tǒng)的流體運(yùn)動(dòng)外，還必須考慮如新鮮可燃?xì)?、氧化劑、燃燒產(chǎn)物、惰性氣體等氣體中的不同組份，必須考慮到傳熱傳質(zhì)問題，因此它比經(jīng)典的流體力學(xué)更復(fù)雜。大尺度渦小尺度渦燃料氧化劑分了輸運(yùn)的基本規(guī)律若流體中有速度差、溫度差和濃度差，就會出現(xiàn)動(dòng)量、熱量和物質(zhì)的傳遞（輸運(yùn)）問題輸運(yùn)特性包括：滯粘性、熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散主要討論層流態(tài)下，由分子運(yùn)行引起的輸運(yùn)現(xiàn)象和規(guī)律牛頓粘性定律：

流體對下板有一切向力，單位面積上的切

向作用力正比于速度u∞，反比于距離δ式中：μ-動(dòng)力粘度系數(shù)，若把運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)ν=μ/ρ代入則有：表達(dá)了：剪切應(yīng)力與動(dòng)量梯度的關(guān)系。

xyδ動(dòng)量傳遞方向u=0u∞運(yùn)動(dòng)平板分了輸運(yùn)的基本規(guī)律傅里葉導(dǎo)熱定律：由于分了熱運(yùn)動(dòng)，熱量通過流體層由熱

板傳向冷板，單位時(shí)間、單位面積上的

熱流q”和溫差（T∞-Tw)成正比，和距離δt成反比。式中：k-導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)表示為密度ρ，比熱容和熱擴(kuò)散率α的乘積：xyδt傳熱方向TwT∞靜止流體熱平板擴(kuò)散速度和Fick定律擴(kuò)散：由于氣體各部分的密度不同，使氣體分子從密度較大的區(qū)域自發(fā)地傳遞到密度較小的區(qū)域，此時(shí)被輸運(yùn)的是質(zhì)量。密度梯度引起的氣體擴(kuò)散，主要分為二種：一是自擴(kuò)散──同一種氣體因本身密度不同而引起的擴(kuò)散；一是互擴(kuò)散──發(fā)生在不同種氣體間的擴(kuò)散。在某些特殊情況下，由于溫度差別，也會引起質(zhì)量的輸運(yùn)。費(fèi)克(Fick)擴(kuò)散定律：描述了物質(zhì)傳輸?shù)囊?guī)律，它可以用物質(zhì)的濃度、分壓或質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示。用濃度表示的Fick定律：兩塊平行的多孔板，中間充滿靜止流體B，另一種流體A

從下板輸入，由分子運(yùn)動(dòng)通過靜止流

體B擴(kuò)散到上板，則A的質(zhì)量流強(qiáng)為：

組分A穿過組分B的擴(kuò)散系數(shù)(m2/s或cm2/s），與A和B的性質(zhì)有關(guān)，通常假定與組分濃度無關(guān)。xyδD傳質(zhì)方向ρAWρA∞靜止流體B擴(kuò)散速度和Fick定律用分壓表示的Fick定律：設(shè)質(zhì)量為m，相對分子量為Mr，物質(zhì)的量為n，則三者的關(guān)系為m=Mr˙n，質(zhì)量濃度可以表示為：費(fèi)克定律可以表示為：

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的Fick定律：設(shè)有兩種組分，質(zhì)量分別為mA,mB，總質(zhì)量m=mA+mB，則組分A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：無下標(biāo)的量代表總的混合物。在燃燒問題中，經(jīng)推導(dǎo)上式可以簡化為：

因?yàn)橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)是無量綱量，所以用于有化學(xué)反應(yīng)時(shí)比較方便。

擴(kuò)散速度和Fick定律分子輸運(yùn)的相似性和雷諾比擬：動(dòng)量、熱量和物質(zhì)通過分子傳遞時(shí)在物理上的共性，決定了上述粘性、傳熱和擴(kuò)散形式上的一致性。利用這種一致性，可由某物理量的計(jì)算結(jié)果，類比得出另一物理量的結(jié)果。這種方法稱為“雷諾比擬”。三種傳輸定律可寫成通用形式：在燃燒過程中，動(dòng)量輸運(yùn)、能量輸運(yùn)和質(zhì)量輸運(yùn)常常是同時(shí)發(fā)生，因此常常需要討論三種輸運(yùn)系數(shù)間的關(guān)系，這種關(guān)系可用三個(gè)無量綱數(shù)表明，即Pr(Prandtl)普朗特?cái)?shù)，Sc(Schmidt)施密特?cái)?shù)，Le(Lewis)路易斯數(shù)。其物理意義：Pr代表動(dòng)量輸運(yùn)和熱量輸運(yùn)之比Sc代表動(dòng)量輸運(yùn)與質(zhì)量輸運(yùn)之比Le代表質(zhì)量輸運(yùn)與熱量輸運(yùn)之比對于常見的氣體，以上三個(gè)準(zhǔn)則數(shù)值分別為0.67,0.83,1.25，有時(shí)為了簡化，假定它們都為1輸運(yùn)系數(shù)的性質(zhì)根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，可得出在低壓下氣體的動(dòng)力粘度系數(shù)（g/(cm·s)）為：單原子氣體導(dǎo)熱數(shù)（J/（cm˙k˙s)低壓氣體的擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）為：T為絕對溫度，T；Mr相對分子量（無量綱）；P壓力（MPa);σ分子直徑（nm);Ωμ,Ωc修正因子，稱為碰撞積分，手冊可以查出。

氣體粘度、導(dǎo)熱和擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度升高而增大；擴(kuò)散隨壓力升高而降低。對于混合物的氣體輸運(yùn)系數(shù)，可以參考其它資料進(jìn)行混合物的計(jì)算，但輸運(yùn)系數(shù)的計(jì)算中，不能象其它物性參數(shù)一樣，用質(zhì)量平均法求混合物的值。邊界層概念速度邊界層：速度為u∞流動(dòng)的等溫流體，由于流體的粘性，在流體中的固體壁面將對流動(dòng)產(chǎn)生阻礙，在壁面附近形成一個(gè)速度變化很大的流體層，稱為流動(dòng)邊界層萁（速度邊界層）yxu(y)u∞δ(x)Lu∞流速由接近自由流速u∞變到壁面處的u=0。實(shí)際上壁面對流速的影響在距壁面很遠(yuǎn)處都是存在的，但從工程觀點(diǎn)看，可以認(rèn)為只影響邊界層厚度δ以內(nèi)，在這一層內(nèi)要考慮粘性的影響。根據(jù)理論計(jì)算，在層流條件下，距平板前沿L處的附面層厚度δ以及平板上的剪應(yīng)力及阻力系數(shù)CD為：邊界層概念熱邊界層：在溫度為T∞氣流中，沿流動(dòng)方向置一溫度和TW(TW<T∞)的平板，由于溫度不均勻性，熱量將從流體流向壁面。與速度邊界層類似，溫度將在靠近壁面的一薄層內(nèi)變化很大，從壁面的TW變化到接近自由流溫度T∞這一流體層稱為熱邊界層。yxT(y)T∞δt(x)LT∞熱邊界層厚度δt

是流動(dòng)邊界層厚度δ和普朗特?cái)?shù)Pr的函數(shù)。假設(shè)速度分布不受熱流影響，比較簡單的熱邊界層厚度為：Tw在穩(wěn)定傳熱的情況下，根據(jù)傅里葉定律，進(jìn)入壁面的熱流強(qiáng)度等于流體導(dǎo)熱系數(shù)和壁面處垂直于壁面的流體溫度梯度的乘積：式中（k/)常稱為“傳熱系數(shù)”，記作α邊界層概念熱流強(qiáng)度有：由傳熱學(xué)基本原理，α，k和L可組成一個(gè)無量綱準(zhǔn)則，即努塞爾(Nusselt)數(shù)，Nu在強(qiáng)迫對流條件下，Nusselt數(shù)是雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)的函數(shù)，即：Nu=f(Re,Pr)；在自由對流下，Nu是格拉曉夫(Grashof）數(shù)Gr和Pr的函數(shù)，即Nu=f(Gr,Pr)，Gr定義如下：Gr的物理意義是浮力與粘性力之比，它在自然對流條件下所起的作用和雷諾數(shù)在強(qiáng)迫對流系統(tǒng)中所起的作用相當(dāng)。Nu的物理意義是物體特征長度與熱邊界層厚度之比。

β為體積膨脹系數(shù)，，對于理想氣體：邊界層概念濃度邊界層：前面假設(shè)流體的組分沿空間分布是均勻的。如果溫度分布均勻而組分分布不均勻，參照上述方法，引入濃度邊界層概念。如可揮發(fā)性液體表面濃度分布。當(dāng)液體表面附件形成的一個(gè)濃度梯度較大的區(qū)域，即濃度邊界層。其厚度可用δp表示。傳質(zhì)系數(shù)hp定義為：質(zhì)量流強(qiáng)為：傳質(zhì)努塞爾數(shù)定義為：和傳熱問題類似，傳質(zhì)努塞爾數(shù)也可以由經(jīng)驗(yàn)公式求出：對于強(qiáng)迫對流的平板對于垂直平板自由對流有流動(dòng)時(shí)的傳熱傳質(zhì)有流動(dòng)時(shí)的傳熱：在傳熱方向上，流體B以流強(qiáng)（ρν）由熱板向冷板方向滲入，由冷板滲出，并維持定常流動(dòng)。熱量傳遞包括兩部分：一部分是相對流體本身的導(dǎo)熱，仍可用前面的公式；另一部分則是流體總體運(yùn)動(dòng)所攜帶的熱。xyδt傳熱方向TwT∞ρν介質(zhì)流ρν熱板冷板設(shè)Ta是某基準(zhǔn)溫度，則流體離開上表面時(shí)的顯焓為ρνCp（T∞-Ta），到達(dá)下表面的顯焓為ρνCp（TW-Ta），兩者之差可以看作是增強(qiáng)的傳熱?？偟臒崃鳛椋簩鳠嵯禂?shù)定義代入，則有：式中：Pe貝克來(Peclet)數(shù),其物理意義是對流熱流強(qiáng)與導(dǎo)熱流強(qiáng)之比。有流動(dòng)時(shí)的傳熱傳質(zhì)有流動(dòng)時(shí)傳質(zhì)：當(dāng)上下平板有沿傳質(zhì)方向的流動(dòng)時(shí)，將出現(xiàn)組分A穿過組分B的對流傳質(zhì)，從而使總的傳質(zhì)速度加快。傳質(zhì)總流強(qiáng)為：xyδD傳質(zhì)方向WAWWA∞靜止流體Bρν介質(zhì)流ρν將傳熱系數(shù)定義代入，則有：式中：Pep傳質(zhì)貝克來(Peclet)數(shù),其物理意義是對流質(zhì)流強(qiáng)與擴(kuò)散流強(qiáng)之比。內(nèi)容提要燃燒的物理基礎(chǔ)分子輸運(yùn)的基本規(guī)律輸運(yùn)系數(shù)的性質(zhì)邊界層概念有流動(dòng)時(shí)的傳熱傳質(zhì)內(nèi)燃機(jī)傳熱內(nèi)燃機(jī)傳熱特性內(nèi)燃機(jī)傳熱損失內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)傳熱系數(shù)研究氣缸內(nèi)的傳熱規(guī)律，對于改善內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)和熱負(fù)荷情況都有重要意義氣缸周壁的傳熱問題十分復(fù)雜，它具有導(dǎo)熱、對流和輻射傳熱和三種基本方式（其中對流為傳熱的主要方式）內(nèi)燃機(jī)傳熱是在傳熱面積和工質(zhì)的壓力、溫度及相對周壁各部分的流動(dòng)速度等反復(fù)變化的不穩(wěn)定情況下進(jìn)行的內(nèi)燃機(jī)中的傳熱內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失給冷卻介質(zhì)的磨擦熱

摩擦損失，首先是活塞與活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦，其損失約占全部機(jī)械損失的55～60％。而其中整個(gè)摩擦損失的熱量約有35～40％。

熱量通過排氣歧管壁表面?zhèn)鹘o冷卻介質(zhì)的熱量，可近似地由流入和流出排氣歧管的焓變化值得到氣缸周壁對冷卻介質(zhì)的放熱率

氣缸周壁包括氣缸蓋燃燒室表面、活塞頂及氣缸壁濕周表面，它們是通過冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，故冷卻介質(zhì)與工質(zhì)之間始終進(jìn)行著熱量傳遞。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)以穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)，它傳向氣缸周壁的傳熱率可用下式表示：發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡：

燃油燃燒所產(chǎn)生的熱量恒等于轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Чεc各項(xiàng)散失的熱量之和。熱平衡方程式:

Qf=Qe+Qw+Qr+Qb+QsQf:燃油完全燃燒的熱量;Qe:轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃?（占25～40％)Qw:傳給冷卻介質(zhì)的熱量;

（占10～35％)Qr:被廢氣帶走的熱量;

（占25～50％)Qb:燃燒不完全熱量損失;Qs:其他熱量損失;內(nèi)燃機(jī)熱平衡燃油完全燃燒的熱量—Qf＝GThu(kJ/h)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ臒崃俊猀e＝3.6×103Ne(kJ/h)傳給冷卻介質(zhì)的熱量—Qw＝Gwcs(t2-t1)(kJ/h)

(Gw—通過冷卻介質(zhì)的流量kg/h；cs—冷卻介質(zhì)的比熱kJ/(kg℃)；

t1、t2—冷卻介質(zhì)入口、出口溫度)被廢氣帶走的熱量—Qr＝(GT+Gk)(cprtr-cpktk)(kJ/h)

(GT、GK—每小時(shí)消耗的燃油和空氣量kg/h；cpr、cpk—廢氣和空氣的定壓比熱kJ/(kg℃)；tk、tr—進(jìn)排氣門處工質(zhì)溫度)燃燒不完全熱量損失—Qb＝Qf(1-ηr)(kJ/h)

(ηr—燃燒效率）其他熱量損失—Qs＝Qf－(Qe＋Qw＋Qr＋Qb)(kJ/h)內(nèi)燃機(jī)熱平衡計(jì)算內(nèi)燃機(jī)熱平衡示意圖燃料燃燒的總熱量僅有２５％～４０％轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΓ溆啵叮啊罚担サ臒崃繐p失掉。其中主要由廢氣帶走，其次傳給冷卻水，在某些汽油機(jī)中不完全燃燒所占比例也不小。內(nèi)燃機(jī)熱量回收內(nèi)燃機(jī)余熱能回收利用缸內(nèi)的傳熱系數(shù)關(guān)于缸內(nèi)工質(zhì)與燃燒室周壁之間的瞬時(shí)傳熱系數(shù)，由于氣缸內(nèi)傳熱問題很復(fù)雜，影響因素也很多，與此有關(guān)的很多參數(shù)迄今為止還沒有充分了解，所以很難從理論上加以研究。因而要推導(dǎo)出傳熱系數(shù)的公式是困難的，盡管人們進(jìn)行了不斷的試驗(yàn)研究，而所取得的成果還是很有限。目前大多停留在經(jīng)驗(yàn)上或半經(jīng)驗(yàn)上，使用的也大多是經(jīng)驗(yàn)公式。目前發(fā)表的傳熱公式有30多種，最早的是Nusselt提出的經(jīng)驗(yàn)公式，將傳熱系數(shù)分為對流和輻射兩部分。瞬時(shí)傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式對流傳熱系數(shù)

20世紀(jì)二十年代，Nusselt根據(jù)燃燒彈中對空氣－燃料混合物燃燒試驗(yàn)和整理結(jié)果，建立了燃?xì)鈱Ω妆诘乃矔r(shí)對流傳熱系數(shù)計(jì)算公式：

B－考慮了缸內(nèi)氣體渦流對傳熱的加強(qiáng)作用。瞬時(shí)傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式輻射傳熱系數(shù)

氣體輻射同固體輻射相比有它顯著的特點(diǎn)。不同氣體的放射與吸收輻射的能力有很大的差別，單原子氣體和雙原子氣體如O2，N2，CO等的輻射都較小，實(shí)際上都可視作為透射體。三原子及更多原子的氣體一般具有相當(dāng)顯著的輻射能力。當(dāng)氣缸中工質(zhì)燃燒膨脹時(shí)，燃?xì)庵泻卸嘣託怏wCO2和H2O等，由于它們處在高溫下，不論是在汽油機(jī)或柴油機(jī)內(nèi)均存在著氣體的熱輻射，尤其在柴油機(jī)中，還伴有碳粒的火焰輻射，而且從數(shù)量上看前者是比較小的，只有火焰輻射是主要的。因此，在正常燃燒時(shí)，汽油機(jī)可以忽略輻射傳熱，但對柴油機(jī)則必須加以考慮。

Nusselt根據(jù)他在燃燒彈中對氣體混合物燃燒的試驗(yàn)結(jié)果，提出內(nèi)燃機(jī)中工質(zhì)向缸壁的輻射傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：則Nusselt的傳熱系數(shù)可寫成：

Eichelberg在1939年發(fā)表了以柴油機(jī)（船用低速柴油機(jī)）實(shí)測為根據(jù)的瞬時(shí)傳熱系數(shù)的計(jì)算公式：

六十年代初W.Pflaum在Eichelberg基礎(chǔ)上考慮了增壓力壓力pk的附加影響，瞬時(shí)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)則方程式

隨著傳熱學(xué)研究工作的進(jìn)展，許多研究者企圖應(yīng)用現(xiàn)代傳熱學(xué)的研究成果將氣缸內(nèi)的傳熱整理成準(zhǔn)則方程式的形式，以便于推廣應(yīng)用。大多數(shù)研究者都認(rèn)為，對流傳熱部分可歸納成如下準(zhǔn)則方程式形式：關(guān)于準(zhǔn)則方程式的應(yīng)用，G.Woschni于1970年提出了準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)公式：

D－所取的定型尺寸氣缸直徑；λ－氣體