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CFD技术在内燃机中的应用汽车学院14班鲁瑛琦44120208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。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xyz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国家实验室首先推出了二维RICE程序用于计算汽油机预混合燃烧。1979年推出RICE程序的新版本—CONCHAS程序1982年发展成当时具有代表性多维模型的CONCHAS-SPRAY三维模型计算程序。1985年LosAlamos实验室的Amsden等人正式公布了KIVA程序。1987年Gosman和Ahmed对轴对称进气道气门缸内稳态流动进行了实验和计算研究。他们采用热线风俗以测量了不同气门升程时的流量系数、平均速度和湍流雷诺应力场并用流动可视化研究做了补充。1988年又推出KIVAⅡ程序。KIVAⅡ程序是一个功能比较齐全的内燃机缸内过程数值计算的大型程序代表了目前多维模型的最新进展。此外由Ricardo公司推出的VERTIS和STAR-CD公司推出的STAR-CD也是目前内燃机CDF领域内突出的实例。1994年J.C.Dent和A.Chen进行了弯曲进气道内稳态流动的实验和计算研究采用Star-CD程序预测了受可变气门升程和气道形状影响的流场结构并验证了模拟结果的可行性；2001年AugustoC.M.MoraesJeffreyC.Buell等人提出了基于有限元法解决缸内非稳定流的新的数值模拟策略；2002年I.Yavuz和I.Celik用多区燃烧模型进行了敲缸预测对发动机的爆震问题作出了贡献；2004年UgurKesgin应用AVL的Boost和Fire软件对发动机进排气系统进行模拟研究并对其进行优化设计。近年来这些软件都得到了迅速发展并已在世界各地得到了广泛应用取得了与实验结果较吻合的计算结果显示了较强的预报能力对内燃机的研制、开发、设计及实验研究有很大的启示作用和参考价值。各国科学工作者或是利用现有的CFD软件或是自行开发程序对发动机的工作过程进行了大量的研究。