从图6.32也可以看出，随着进气角度的增加，进气口周围的气流越来越集中，在进气角度30°时，进气口周围的涡团几乎把进气口包围起来，并且涡团半径有变大的趋势，占据了进气口两侧的空间。虽然涡团的半径减小，但是由于进气角度的增加导致进气气流速度明显增强，从而随着进气角度的增加涡团强度明显增强。......
2023-06-23
进气口形状对缸内气流的影响
【摘要】：矩形和倒梯形进气口由于进气口后侧长度较长，进气口后侧气流能够更充分地向燃烧室的左右发展，之后气流向前流动并在燃烧室前侧碰撞，但是由于距离较远无法形成明显的涡流。梯形进气口后侧的气流呈现前宽后窄的结构形式，后侧滚流向前流动时受到前侧进气口的阻隔而向燃烧室的左右两侧流动，与燃烧室左右两侧的壁面碰撞后在燃烧室的中部形成涡流，并且后侧的进气量较小也导致滚流的强度较小。
选择三种不同形状的进气口与原型样机进行对比，研究进气口形状对微小型转子发动机燃烧室内流场的影响。圆形进气口（样机）、矩形进气口、梯形及倒梯形进气口如图6.23所示，所有进气口的当量面积是相同的。
图6.23 四种进气口形状
（a）圆形；（b）矩形；（c）梯形；（d）倒梯形
在进气过程初期，对比图6.5和图6.24可以看出，进气口形状对进气口后侧滚流的形成有很大影响，从图6.24（a）可以看出进气口后侧形成以涡流为主，而图6.24（b）和图6.24（c）中进气口后侧形成以滚流为主，这主要是由于进气口前后不对称所导致的。对于梯形进气口，由于其后侧长度较短，从而形成密集的滚流向燃烧室前侧流动，并在燃烧室前侧碰撞形成半径较小的涡流。矩形和倒梯形进气口由于进气口后侧长度较长，进气口后侧气流能够更充分地向燃烧室的左右发展，之后气流向前流动并在燃烧室前侧碰撞，但是由于距离较远无法形成明显的涡流。
图6.24 不同进气口上止点前450°流线图
（a）矩形；（b）梯形；（c）倒梯形
进气过程的中期，对比图6.6和图6.25可以看出，在梯形进气口的燃烧室中间平面的前侧涡流中心半径较大，而在倒梯形进气口的燃烧室中间平面的后侧涡流中心半径较大，这与进气口后侧的气流向前发展的轨迹有很大关系。梯形进气口后侧的气流呈现前宽后窄的结构形式，后侧滚流向前流动时受到前侧进气口的阻隔而向燃烧室的左右两侧流动，与燃烧室左右两侧的壁面碰撞后在燃烧室的中部形成涡流，并且后侧的进气量较小也导致滚流的强度较小。而在倒梯形进气口后侧滚流有足够的空间在燃烧室内发展，有很少的气流在燃烧室中部形成，并且后侧的进气口宽度较大，造成滚流的强度较大，矩形进气口燃烧室的流场处于上述两者之间。
图6.25 不同进气口上止点前350°流线图
（a）矩形；（b）梯形；（c）倒梯形
进气过程后期，两个平面图分别代表z=0mm和z=5mm的二维流线图。对比图6.8和图6.26可以看出，倒梯形进气口燃烧室的中心平面的涡流中心有下移趋势，并且在涡流中心所有的流线汇聚成了一个点。从燃烧室的三维流线图可以看出，燃烧室前侧形成了层状的滚流，并且梯形进气口的滚流半径最大，这是由于梯形进气口燃烧室内的涡流更集中于燃烧室中心，这也可以从z=5mm的平面流线图看出。矩形进气口燃烧室z=5mm的平面上涡流中心更靠近气缸壁面，而倒梯形进气口燃烧室z=5mm平面上涡流中心半径非常小，并且整个涡流半径非常小，这主要是由于进气中后期的气流从气口长度较小的一侧流入燃烧室，进气量相对进气初期的进气量较小，并且进气口的形状决定了气流无法充分发展。
图6.26 不同进气口上止点前235°流线图
（a）矩形；（b）梯形；（c）倒梯形
进气结束后，压缩初期，对比图6.9和图6.27可以看出，随着燃烧室的体积开始被压缩，涡流和滚流的旋转半径开始减小，不同进气口形状下中心平面和z=5mm平面上的涡流趋势基本相同，只是在涡流中心的半径上有一些差异，在中心平面上的涡流中心半径大小差距很小。在z=5mm平面上形成了两个不同的涡流A和B，这是因为燃烧室前部的空间开始减小，气流开始增加，下部气流与上部气流碰撞后开始发生偏转从而形成涡流，倒梯形进气口燃烧室内涡流B的半径最大。由于进气口关闭，气体能量开始减弱，因此涡流A的半径急剧减小，并且矩形进气口燃烧室的涡流A的半径削弱得最为严重，而倒梯形进气口燃烧室的涡流A的半径不是很明显，可以推断此种类的燃烧室具有延长涡流变化的能力。削弱后涡流A的半径最大的是梯形进气口燃烧室，并且涡流所占据的空间也是四种燃烧室中最大的，这与梯形进气口减小了回流趋势有很大关系。
图6.27 不同进气口上止点前216°流线图
（a）矩形；（b）梯形；（c）倒梯形
压缩中期，对比图6.10和图6.28可以看出，随着偏心轴转角的变化，四种进气口燃烧室内流动规律越来越接近，可以看出在梯形进气口燃烧室内形成了一个半径明显很小的涡流A。随着燃烧室体积被进一步压缩，先前半径较大的涡流和滚流开始破碎形成明显的小滚流，滚流的方向和半径都发生了较大的变化。从图6.10、图6.11和图6.29能够看出，随着燃烧室体积的减小，在上止点前72°附近燃烧室内的涡流和滚流都破碎为湍流，并集中于燃烧室内凹坑附近。对比发现，四种进气口的燃烧室在上止点前72°和上止点附近的流场规律几乎完全一样，并且在这一阶段的流场的湍动能明显减弱，因此理论上为了更好的油气混合，喷油时刻应尽量避开这一阶段。
图6.28 不同进气口上止点前135°流线图
（a）矩形；（b）梯形；（c）倒梯形
图6.29 不同进气口上止点前72°和0°流线图
（a）矩形；（b）梯形；（c）倒梯形
图6.30所示为不同进气结构在一个完整循环内缸内平均湍动能的变化。从图6.30中可以看出，在进气面积、进气相位及转速相同的情况下，四组平均湍动能的变化曲线非常接近，差异主要体现在进气过程。其中圆形进气口的平均湍动能稍大，倒梯形口的平均湍动能最小。因此，基于平均湍动能的变化曲线，将圆形进气口用于周向进气的小型转子发动机是合理的方案。
图6.30 不同进气结构在一个完整循环内缸内平均湍动能的变化
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2023-06-23
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