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CFD技术在内燃机中的应用

汽车学院14班鲁瑛琦

摘要：进入二十一世纪以来，科学技术的高速发展让内燃机实验变得更加简

便。尤其是仿真模拟软件的应用大大节省了内燃机实验的成本，提高了可操作性。

其中CFD技术运用广泛,在内燃机设计中发挥的作用也越来越重要。本文简要介

绍了内燃机工作过程数值模拟和内燃机CFD的发展历程,并介绍了内燃机CFD

的各个组成部分和缸内紊流流场的基本算法,最后指出了内燃机CFD的发展趋势。

1.CFD技术简介

CFD(ComputationalFluidDynamics)是基于计算机技术的一种数值计算

工具,用于求解流体的流动和传热问题。由于CFD可以准确的给出流体流动的细

节,因而可以从对流场的定量分析中发现产品设计中存在的问题,据此优化设计方

案,达到改变传统产品设计过程的目的。本文对CFD技术在内燃机设计中的应用

进行了讨论。

1.1紊流运动的CFD简介

内燃机的缸内气体流动是典型的紊流运动,对紊流运动的计算属于计算流体

力学(CFD)的范畴。内燃机工作过程CFD即是在紊流流动CFD的基础上,增加了

对内燃机工作过程所特有的喷雾、蒸发、混合及燃烧等子模型的建立。

紊流运动的CFD是目前CFD领域困难最多但研究最活跃的领域之一。目前

关于此类的计算方法大致可分为:(1).直接数值模拟(DNS)。运用非稳态的N-S方

程对紊流进行直接计算,包括大尺度涡旋和小尺度涡旋,对高度复杂的紊流运动必

须采用很小的时间和空间步长。(2).大涡模拟(LES)。运用非稳态N-S方程直接

模拟大尺度涡旋,小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。以上两种计算方法

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都要求计算机有很高的处理速度和存储容量。(3).Reynolds时均方程法。将非稳

态方程对时间作平均,在所得出的关于时均物理量非控制方程中包含了脉动量乘

积的时均值等物理量,于是所得出的方程个数小于未知量的个数。为使方程组封

闭,就建立模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的在计算中可以确定

的量的函数。这种方法是目前工程紊流计算中广泛采用的方法。巨型机的发展促

进了并行算法的发展,并使紊流DNS及LES在一定程度上成为可能。近10年来,

个人计算机获得迅速发展,其执行速度已远远超过昔日的小型机甚至中型机,同时

图形功能也大大增强,而且价格低廉。这些都为CFD在个人计算机上的应用创造

了条件。许多著名的CFD软件逐渐都有了个人计算机版本,并且也有专门针对个

人计算机编写的CFD软件。

1.2内燃机CFD的发展简介

对内燃机多维模型而言,自变量是空间的三维坐标x，y，z，有时可简化成二

维坐标r和z,再加上时间坐标τ,因此控制方程是偏微分方程。从70年代开

始,Gosman等人致力于求解Navier-Stokes方程,80年代初已取得三维模型的

初步研究结果。湍流模型的完善、数学方法的发展、高速大容量计算机的引进等

为CFD辅助发动机的研究提供了较好的条件。由于三维模拟对物理过程的描述

及边界条件的确定更接近实际，因而有更大的发展潜力。

1975年美国LosAlamos