本发明涉及稀薄燃烧，具体地，涉及一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法及系统。
背景技术：
1、稀薄燃烧是一种在向内燃机燃烧室内提供远大于完全燃烧所需要的氧气量的一种内燃机工作方式。稀薄燃烧有诸多优点，比如由于燃料稀薄不易自燃，可以采取更高的压缩比而不会发生爆震，热效率可以大幅提高。其次，稀薄混合气的绝热火焰温度低，氮氧化物排放低。另外，由于燃烧温度低，传热损失小，也有利于提高热效率。
2、但是，当混合气过稀时，火焰传播速度过慢造成整个燃烧过程的放热曲线拉长。从热力学循环角度，如果放热时间过长，则本来点燃式模式的等容放热循环（奥拓循环）则成为等压放热循环（迪塞尔循环），热循环效率降低。所以稀燃技术，尤其是采用大幅提高压缩比的超稀燃技术，需要解决或者避免稀燃混合气火焰传播速度过慢的问题。
3、从定压球形扩张火焰的现有技术研究中发现，影响球形扩张火焰的传播速度，除了受混合气的物理化学特性决定的一维层流火焰速度之外，还受湍流强度和优先扩散效应的影响，且影响很大。由于点燃式发动机的燃烧模式是预混火焰传播，和球形扩张火焰的燃烧过程基本一样。
4、对于发动机中的预混气，其一维层流火焰速度只与燃料的化学反应活性以及混合气的热与质量传输系数有关，并不能通过燃烧过程的设计而改变。但是在实际发动机运行过程中，由于进气过程和活塞高速运动等原因，会产生较大强度的湍流。湍流对预混火焰燃烧起到的第一个主要作用就是让火焰面积大大增加，从而增加湍流燃烧速度。
5、湍流的第二个主要作用就是让火焰拉伸，形成曲面。当火焰弯曲时，火焰反应区的温度受优先扩散效应影响。具体为，当混合气的热量扩散速度大于质量扩散速度时（即路易斯数大于1时），受到正拉伸的火焰局部的温度降低，从而火焰速度变慢；而受到负拉伸的火焰局部的温度升高，火焰速度增加。这样火焰速度和火焰拉伸演变形成负反馈。火焰面积趋于稳定，湍流对火焰面积的增加幅度减少。反之，当混合气的热量扩散速度小于质量扩散速度时（即路易斯数小于1时），火焰的拉伸演变和火焰速度形成正反馈，火焰面积会在湍流的基础上再继续增加。图1和图2是上述的优先扩散效应对湍流火焰速度影响的理论示意图。
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法及系统。
2、根据本发明提供的一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法及系统，所述方案如下：
3、第一方面，提供了一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法，所述方法包括：
4、步骤s1：根据发动机转速、负荷工况以及部件的几何尺寸，计算内燃机未燃气体的湍流强度；
5、步骤s2：根据发动机燃烧混合气的组成和发动机燃烧室内的温度及压力，计算混合气的一维层流火焰速度和一维层流火焰厚度；
6、步骤s3：根据发动机燃烧混合气的组成，计算马克斯坦数，即层流火焰速度受气体流动拉伸率的影响系数；
7、步骤s4：根据所述湍流强度、混合气的一维层流火焰速度和一维层流火焰厚度，以及马克斯坦数，计算在发动机实际运行工况下的湍流火焰速度。
8、优选地，所述步骤s1包括：
9、通过湍流均方根速度波动来表征湍流强度，其中湍流均方根速度波动的计算方式如下：
10、1）通过流体力学cfd软件来计算；获得发动机燃烧室、进气管、进气门在内的结构尺寸后，根据发动机运行的转速和压力，用cfd软件进行模拟计算；
11、2）通过发动机进气量、进气门尺寸估计；发动机进气过程的最小面积在进气门，测量发动机的进气量和进气门进气口面积后，计算燃烧室内气的平均速度；
12、3）通过在发动机上安装光学测量窗口，通过粒子图像测速piv方法进行测量。
13、优选地，所述步骤s2包括：
14、定义为相对于已燃混合气的一维层流火焰速度，为相对于未燃混合气的一维层流火焰速度，为一维层流火焰厚度；这三个参数通过以下方法获得：
15、1）查找在温度、压力和混合气空燃比三个维度上的数据，然后通过线性拟合的办法得到一维层流火焰速度和厚度；
16、2）获得详细化学反应机理，通过一维燃烧模拟软件计算获得一维层流火焰速度和厚度；
17、3）通过球形扩张火焰试验获得球形火焰速度和拉伸率的关系，然后线性拟合获得一维层流火焰速度。
18、优选地，所述步骤s3包括：
19、对于每个混合气条件，马克斯坦数表示层流火焰速度和拉伸率的关系，如公式（1）所示：
20、（1）
21、其中，是为被拉伸火焰的火焰速度，单位cm/s，即层流火焰速度；为被拉伸后的层流火焰速度，单位cm/s；为火焰面拉升率，单位cm-1；为一维层流火焰厚度，单位cm；马克斯坦数通过以下方法获得：
22、1）查找在温度、压力和空燃比三个维度上的混合气的马克斯坦数，然后通过线性拟合的办法获得马克斯坦数；
23、2）获得详细化学反应机理，用流体力学cfd软件来模拟球形扩张火焰，获得被拉伸火焰的火焰速度和火焰面拉升率的关系，然后通过公式（1）线性拟合获得马克斯坦数
24、3）通过球形扩张火焰试验获得被拉伸火焰的火焰速度和火焰面拉升率的关系，然后通过公式（1）线性拟合获得。
25、优选地，所述步骤s4包括：
26、通过前述步骤获得湍流强度、层流火焰速度和厚度，以及马克斯坦数后，则通过如下公式计算在发动机实际运行工况下的湍流火焰速度：
27、（2）
28、其中，为内燃机中的湍流火焰传播速度，单位cm/s；是相对于已燃混合气的一维层流火焰速度，单位cm/s；是相对于未燃混合气的一维层流火焰速度，单位cm/s；是湍流均方根速度波动，单位cm/s；为平均火焰半径，单位cm；和分别为两个幂次参数；为一维层流火焰厚度，单位cm；
29、若计算一个内燃机冲程的平均湍流火焰传播速度，公式（2）中平均火焰半径用发动机缸径的一半，能直接计算湍流传播速度；
30、是一个和马克斯坦数相关的经验公式：
31、（3）
32、其中，和分别为常数，表示混合气优先扩散效应对增加火焰燃烧面积的正反馈的影响系数，表示时即没有有限扩散效应时，湍流通过提高火焰燃烧面积的影响系数。
33、第二方面，提供了一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的系统，所述系统包括：
34、模块m1：根据发动机转速、负荷工况以及部件的几何尺寸，计算内燃机未燃气体的湍流强度；
35、模块m2：根据发动机燃烧混合气的组成和发动机燃烧室内的温度及压力，计算混合气的一维层流火焰速度和一维层流火焰厚度；
36、模块m3：根据发动机燃烧混合气的组成，计算马克斯坦数，即层流火焰速度受气体流动拉伸率的影响系数；
37、模块m4：根据所述湍流强度、混合气的一维层流火焰速度和一维层流火焰厚度，以及马克斯坦数，计算在发动机实际运行工况下的湍流火焰速度。
38、优选地，所述模块m1包括：
39、通过湍流均方根速度波动来表征湍流强度，其中湍流均方根速度波动的计算方式如下：
40、1）通过流体力学cfd软件来计算；获得发动机燃烧室、进气管、进气门在内的结构尺寸后，根据发动机运行的转速和压力，用cfd软件进行模拟计算；
41、2）通过发动机进气量、进气门尺寸估计；发动机进气过程的最小面积在进气门，测量发动机的进气量和进气门进气口面积后，计算燃烧室内气的平均速度；
42、3）通过在发动机上安装光学测量窗口，通过粒子图像测速piv方法进行测量。
43、优选地，所述模块m2包括：
44、定义为相对于已燃混合气的一维层流火焰速度，为相对于未燃混合气的一维层流火焰速度，为一维层流火焰厚度；这三个参数通过以下方法获得：
45、1）查找在温度、压力和混合气空燃比三个维度上的数据，然后通过线性拟合的办法得到一维层流火焰速度和厚度；
46、2）获得详细化学反应机理，通过一维燃烧模拟软件计算获得一维层流火焰速度和厚度；
47、3）通过球形扩张火焰试验获得球形火焰速度和拉伸率的关系，然后线性拟合获得一维层流火焰速度。
48、优选地，所述模块m3包括：
49、对于每个混合气条件，马克斯坦数表示层流火焰速度和拉伸率的关系，如公式（1）所示：
50、（1）
51、其中，是为被拉伸火焰的火焰速度，单位cm/s；即层流火焰速度；为被拉伸后的层流火焰速度，单位cm/s；为火焰面拉升率，单位cm-1；为一维层流火焰厚度，单位cm；马克斯坦数通过以下方法获得：
52、1）查找在温度、压力和空燃比三个维度上的混合气的马克斯坦数，然后通过线性拟合的办法获得马克斯坦数；
53、2）获得详细化学反应机理，用流体力学cfd软件来模拟球形扩张火焰，获得被拉伸火焰的火焰速度和火焰面拉升率的关系，然后通过公式（1）线性拟合获得马克斯坦数
54、3）通过球形扩张火焰试验获得被拉伸火焰的火焰速度和火焰面拉升率的关系，然后通过公式（1）线性拟合获得。
55、优选地，所述模块m4包括：
56、通过前述模块获得湍流强度、层流火焰速度和厚度，以及马克斯坦数后，则通过如下公式计算在发动机实际运行工况下的湍流火焰速度：
57、（2）
58、其中，为内燃机中的湍流火焰传播速度，单位cm/s；是相对于已燃混合气的一维层流火焰速度，单位cm/s；是相对于未燃混合气的一维层流火焰速度，单位cm/s；是湍流均方根速度波动，单位cm/s；为平均火焰半径，单位cm；和分别为两个幂次参数；为一维层流火焰厚度，单位cm；
59、若计算一个内燃机冲程的平均湍流火焰传播速度，公式（2）中平均火焰半径用发动机缸径的一半来，能直接计算湍流传播速度；
60、是一个只和马克斯坦数相关的经验公式：
61、（3）
62、其中，和分别为常数，表示混合气优先扩散效应对增加火焰燃烧面积的正反馈的影响系数，表示时即没有有限扩散效应时，湍流通过提高火焰燃烧面积的影响系数。
63、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
64、1、本发明公开了在内燃机的设计和标定中，准确计算和模拟湍流燃烧速度的方法，根据已知的高压容弹上的湍流扩张火焰试验数据，本模型可以有效的预测燃烧放热速度，误差率在左右；
65、2、本发明为高压缩比、稀薄燃烧的内燃机燃烧模式提供了设计依据，能有效避免燃烧速度过慢的问题。在设计高压缩比的稀薄燃烧发动机和对应的燃料选择和设计时，可以保证足够高的燃烧放热率，让整个热循环更接近等容循环，从而提高热效率。
66、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
1.一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法，其特征在于，所述步骤s1包括：
3.根据权利要求1所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法，其特征在于，所述步骤s2包括：
4.根据权利要求1所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法，其特征在于，所述步骤s3包括：
5.根据权利要求1所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的方法，其特征在于，所述步骤s4包括：
6.一种计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的系统，其特征在于，所述模块m1包括：
8.根据权利要求6所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的系统，其特征在于，所述模块m2包括：
9.根据权利要求6所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的系统，其特征在于，所述模块m3包括：
10.根据权利要求6所述的计算稀薄燃烧内燃机湍流火焰燃烧速度的系统，其特征在于，所述模块m4包括：
