非结构动网格方法在内燃机数值模拟中的应用
柴油机内部EGR的数值模拟分析
中图分类号 ：Ｔ ４１ ３ Ｋ ２ ．
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ １ ３７２ ））３ ０３ ４ ０ － ５ （（７０－ １－ ０４ Ｘ ０ ０
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｕ ａｉ ｎ ｆ ｒＩ ｔ ｒ ａ ｔ ｄ ｆＮｕ ｒｃ ｌＳｍ ｌｔｏ ｏ ｎ ｅ ｎ ｌＥＧＲ ｆＤｉｓ ｌＥｎ ｉｅ ｏ ｅ ｅ ｇｎ
摘
要 ：应用大型通 用 Ｃ Ｄ软件 Ｓ Ａ Ｆ Ｔ Ｒ—Ｃ Ｄ及 网格 生成软件 Ｅ ＩＥ，对带 有 内部 Ｅ Ｒ的柴油机进 Ｓ— Ｃ Ｇ
气及压缩过程缸 内三维瞬态流场进 行数值模拟研 究，并分析其 组分浓度及温度 的分布 情况 ，通过研 究
掌握 内部 Ｅ Ｒ对缸 内温度 、浓度场的影响 ，为进一步研 究内部 Ｅ Ｒ对缸 内燃烧 的影响奠定基础。 Ｇ Ｇ
ｄｍｅ ｓｏ ａ ｒ ｎ ｉｎ ｏ ｎ ｍｅｉ ａ ｉ ｌｔｏ ｓ ｐ ｒｏ ｍｅ ｓｎ ｈ ｎ ｖ ｒａ ＦＤ ｏｔ ｒ Ｔ ｉ ｎ ｉｎ ｌｔａ ｓｅ ｔｆ ｗ ｕ ｒｃ ｓｍｕ ａｉｎ ｗａ ｅｆ ｒ ｄ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｕ ｉ ｅ ｌ Ｃ ｌ ｌ ｓ ｓｆ ｗａｅ Ｓ ＡＲ — ＣＤ — ｎ ａ ｄ ＥＳ—Ｉ ＣＥ．Ｔ ｅ ｓｒｔｆ ａ ｉｎ ｏ ｏ ｏ ｅ ｔｏ ｈ ｘ ｄ ｇ ｄ ｔ ｅ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｎ ｃ ｌ ｄ ｒＷａ ｔ ｄ ｈ ｔａｉ ｃ ｔ ｆＯ２ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｆｔ ｅ ｍｉｅ ａ ａ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｉ ｙ ｉ ｅ ｓ ｓｕ — ｉ ｏ ｓ ｎ ｎ ｉｄ．Ｔ ｅ ｅｆｃ ｆ ｉｔｒ ａ ｅ ｈ ｆ ｔｏ ｎ ｅ ｎ ＥＧＲ ｎ ｃ ｌｎ ｅ ｅ ｅ ｒｔ ｒ ｄ ｃ ｎ ｅ ｔａｉｎ ｆｅｄ ａｅ ｏ ｔ ｉｅ ｅ ｌ ｏ ｙｉ ｄ ｒ ｔｍｐ ａｕ ｅ ａ ｏ ｃ ｎｒ ｔ ｌ ｒ ｂａｎ ｄ，ｗｈｉｈ ｅ ｔｂ ｎ ｏ ｉ ｃ ｓａ — ｌ ｈ ｄ ｔｅ ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ ｆｒｆｒｈ ｒｒ ｓ ａｃ ｉ ｅ ｈ ｏ ｎ ａｉ ｏ ｕｔ ｅ ｅ ｅ ｒ ｈ． ｓ ｏ
内燃机燃烧技术研究及燃烧数值模拟--王志
内燃机燃烧技术研究及燃烧数值模拟清华大学汽车系王志【编者按】2011年4月26-27日，2011（第八届）中国汽车发动机高层研讨会在上海成功召开。
本届研讨会由中国汽车技术研究中心、上海国际汽车城（集团）有限公司主办，中国汽车工业信息网承办、并得到了上海国际汽车城开发服务有限公司、昆明云内动力股份有限公司、森萨塔电子技术（上海）有限公司的大力支持。
研讨会继续围绕"技术引领发展"这一永久主题，并以"绿色·高效"为年度主题展开论述。
下面是清华大学汽车工程系副教授王志的演讲。
清华大学汽车工程系王志副教授主持人：感谢金工的精彩发言，不仅介绍了节能标准法规体系的过程，而且在标准法规所做的工作、开展的重点工作，包括实验方式、实验目标都做了解释。
体现了国家产业的发展目标，如何实现这一目标需要大量实验做支撑。
下面有请清华大学汽车工程系副教授王志做演讲。
王志：各位专家、各位同事、老师们大家上午好！我是清华大学汽车工程系的王志，很高兴在这里和大家交流。
我今天报告的题目是内燃机燃烧技术研究进展及燃烧数值模拟。
主要内容有两方面：汽车发动机燃烧技术研究的进展；内燃机燃烧模拟进展。
首先看一下第一部分，节能意义非常重大，有一个数字是2009年我国对外石油依存度达到了51%，首次超过50%，国家能源安全警戒线。
2010年这个数字达到了55%。
对于乘用车发动机节能的意义，到2020年和2030年日本预测在乘用车中汽油机占88%和67%，混合动力车占10%和25%。
因为在电动车中油电混合动力占很大一部分，所以内燃机节油现实意义更大。
汽油机目前主要解决油耗问题，柴油机主要解决排放问题。
从这张图中可以看到传统柴油机燃烧曲线会通过出现大量的碳烟覆盖，如果实现低温过氧燃烧，可以避开碳氢、一氧化碳、实现超级排放，现在更加拓宽了。
而汽油机燃料半径在这样的温度和浓度范围内，对于高效内燃机燃烧组织，燃烧技术的发展，都是基于这样一张图开展研究的，而这张图首先是由模拟计算得到的。
高效的非结构动网格变形方法——点球弹簧修匀法
高效的非结构动网格变形方法——点球弹簧修匀法点球弹簧修匀法是一种高效的非结构动网格变形方法，旨在对非结构网格进行高效的变形，以满足不同领域的需求。
该方法是通过对网格中的每个节点点进行弹簧修匀来达到变形的目的，因此可以快速处理包括大规模复杂的非结构网格变形等问题。
下面将介绍点球弹簧修匀法的原理、实现方法、优点及应用场景等方面的内容。
一、点球弹簧修匀法的原理点球弹簧修匀法是一种基于弹性力学原理的非结构动网格变形方法。
该方法通过维护在节点之间的弹簧模型来控制网格的形变和运动。
在进行网格变形时，点球弹簧修匀法可以通过调整每个节点的位置及其与周围节点的连接强度，来实现变形的目的。
其中，网格中每个节点通过弹簧与其它节点相连接。
这些弹簧模型的初始长度与伸缩弹性模量取决于节点在其初始位置时所处的状态。
当进行网格变形时，点球弹簧修匀法会根据变形需求改变每个节点与周围节点之间的弹性连接。
这样可以通过调整弹簧的伸缩来调整节点的位置及其与周围节点的相互间距，从而实现高效的非结构网格的变形。
二、点球弹簧修匀法的实现方法点球弹簧修匀法的实现方法主要包括以下几个步骤：1. 确定网格的初始化状态和目标状态，并根据这两个状态计算每个节点的初始位置和初始状态。
2. 根据初始位置、周围节点信息以及弹性力学原理，计算每个节点与周围节点之间的连接强度。
这里需要考虑节点的质量、材质等因素。
3. 进行网格变形操作，并在每次变形时更新节点之间的连接强度，从而实现网格的快速变形。
4. 检查变形的结果并进行基于网格刚度和顶点位置的约束条件，保证变形结果的合理性。
三、点球弹簧修匀法的优点点球弹簧修匀法作为一种高效的非结构动网格变形方法，具有以下优点：1. 可以快速对复杂的非结构网格进行变形和扭曲操作，适用于多个应用领域。
2. 通过对每个节点的弹簧模型进行计算和调整，可以保证网格的形状变形后仍具有良好的形状，不易失真。
3. 可以方便地对网格进行约束，检查变形结果，以保证变形过程中节点的位置和运动的合理性，更好地适应多个领域的需求。
内燃机燃烧过程数值模拟和优化研究
内燃机燃烧过程数值模拟和优化研究内燃机是现代交通运输的重要动力，汽车、发电机、飞机、船舶等都离不开内燃机。
内燃机的效率和环保性是制约其发展的关键因素之一。
因此，研究内燃机燃烧过程的数值模拟和优化已成为当前研究的热点之一。
本文将从模拟和优化两个方面介绍内燃机燃烧过程的研究进展。
一、内燃机燃烧过程数值模拟1. 模拟方法内燃机燃烧过程的数值模拟一般使用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法。
CFD是基于数值方法和计算机技术，利用数学模型和计算方法对运动流体的流场、传热、传质和化学反应等的数值计算与分析的一种方法。
2. 模拟模型内燃机燃烧过程的模拟一般采用三维动态模型，将燃油喷雾、气缸内空气和废气混合等复杂过程通过CFD模拟求解，并考虑模型的热力学、化学反应和燃烧等特性。
3. 模拟结果内燃机燃烧过程的数值模拟可以得到燃烧室内的压力、温度、速度等参数的分布，以及氧、碳氢化合物和氮氧化物等有害物质的生成和排放。
通过模拟可以优化发动机的燃烧室设计、进气系统和喷油系统等参数，提高发动机的效率和减少排放。
二、内燃机燃烧过程优化1. 利用EGR技术EGR（Exhaust Gas Recirculation）技术是指将废气回收并混合到进气中加以利用的技术。
利用EGR技术可以降低发动机的燃烧室温度和压力，减少氮氧化物的生成量，提高发动机的燃烧效率和换热效率。
2. 利用混合燃料技术混合燃料技术是指将两种或多种不同的燃料混合使用的技术。
利用混合燃料技术可以减少燃料的使用量，降低有害物质的排放量，提高发动机的燃烧效率。
3. 利用增压技术增压技术是指通过压缩空气的方式增加燃料的燃烧效率和动力输出。
利用增压技术可以提高发动机的效率和动力输出，减少废气排放。
4. 利用燃油喷射技术燃油喷射技术是指通过更精细的燃油喷射方式，使燃料可以更好地混合到空气中，从而提高燃烧效率和减少有害物质的排放量。
总之，内燃机燃烧过程的数值模拟和优化研究是当前发动机研究的重要方向。
副油箱从机翼分离流场的数值模拟
Ｈａ ｅ 方 法． 分 别 采用 四 阶 Ｒ ｎ ｅＫｕｔ ｎｌ ｕ ｇ — ｔａ方 法 、ＧＭＲＥ Ｓ方 法 求 解 基 于 ＡＬ 形 式 的 Ｅ ｌ Ｅ ｕｅ ｒ方 程 对 振 动 的 ＮＡＣ ０ ２翼 型绕 流进行 了计算 ，两种 方法都 是 可行 的 ，其 中 ＧＭＲＥ Ａ０ １ Ｓ隐式 方 法计 算 的结 果 与文 献 中结果 以及 实验 结果 吻 合较 好． 对 副油 箱从 机 翼分 离 的过 程 进 行模 拟 ，给 出的 副 油箱 运 动趋 势和 风 洞实 验结 果相 吻合．
关键 词 非结构网格 动网格 Ｒ ｎｅ ｕａ ｕｇ－ ｔ 方法 Ｇ Ｅ 方法 Ｋ ｔ ＭＲ Ｓ
在实 际工 程 问题 中 ，常 常 会 出现 物 理边 界 发 生 运动 的情 况． 副油 箱 与机 翼 的分离 是 含 有运 动 物 体 的非 常复 杂 流 动 典 型 例 子． 在 投 放 副 油 箱 的 过 程 中， 由于 相互 干扰 可 能 导致 副 油 箱撞 击 飞 行 器 ，对 飞行 器 的安全 飞行 构 成 威 胁 ，所 以对 含 动 边界 的非
非结构动网格方法在内燃机数值模拟中的应用
取 网格 信 息 ， 研究 采 用 一维 结 构 体数 组 来 存储 本 非 结 构 网格 信 息 ， 单元 ： 如
ＴＹＰＥ ｅ ｌ ｄ ｔ ｃ ｌ ａａ
—
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
时 间 ； 登攀 等 ］ 用 多 块 结 构化 网格 的 划分 思 想 张 应
建 立 了基 于 ＫＩ 一 Ｖ 程 序 的 柴 油 机 瞬 态 仿 真 模 ＶＡ ３ 型， 拓展 了程序 的使 用范 围 。 目前 ， 动态 层 法 的主要 思 想是 根据 运 动边界 位 移 的大小来 判 断是 将与 运动 边 界相邻 的那层 网格 分 割 还 是将 其 与相 邻 层 合 并 ，
每 次增 加或 删 除一层 网格 。
ＲＥＡＬ（ ｒ ｃ ： ｐ ｅ ） ：Ｘ， ，ｚ ｏ ，ｖ ｌ
Ｉ ＮＴＥＧＥ ： ｆ ｃ ｓ ｎ ｄ ｓ Ｒ ：ｎ ａ ｅ ，ｎ ｏ ｅ
Ｉ ＮＴＥＧＥＲ ，ＰＯＩ ＮＴＥ ，ＤＩ ＥＮＳ ＯＮ （ ） ： Ｒ Ｍ Ｉ ： ：
ｆ ｃ ｌｓ ， ｏ ｌｓ ａ ｅｉｔｎ ｄｅｉｔ
ＥＮ Ｄ Ｙ ＰＥ ｅ ｌ ｄａ ａ Ｔ ｃｌ ｔ
—
其 中 ： ｒｃ 自定 义 的精度 参数 ； Ｙ ，ｏ 分 别表 ｐｅ是 ｚ， ， ｖ １ 示 单 元 中 心 坐 标 分 量 和 该 网 格 体 积 ； ｆ ｃｓ和 ￣ ａｅ ｎｏｅ ｎ ｄ ｓ分 别 表 示 单 元 面 和 节 点 数 ； ａ ｅｉｔ和 ｆ ｃｌ ｓ
关 键 词 ：内燃 机 ； 结 构 动 网格 ；数 值 模 拟 ；动态 层 法 非
中图分类号 ： ４ ２ ＴＫ ２ 文 献 标 志码 ： Ｂ 文 章 编 号 ： ０ １２ ２ （ ０ ２ ０ — ０ １０ １ ０ — ２ ２ ２ １ ） １０ ０ — ４
横风条件下高速列车不同速度下空气动力性能数值仿真
横风条件下高速 列车不 同速度下 空气 动力性 能数值仿真
李 明， 王 进， 刘为亚 （ 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 高速列车系统集成国 家工程实验室哺 方） ， 山 东 青岛 ２ ６ ６ １ １ １ ）
摘 要： 采用流体力 学数值计算软件 Ｆ Ｌ ＵＥ ＮＴ对我 国某新型动车组横风条件 下的 空气动力 学性 能进行 了数值 仿真。研
图 １ 列车几何模 型
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ０ ５
＋Ｇ ＋Ｇ ６ 一ｐ ｃ— ｙ 村＋Ｓ （ １ ）
作者 简介 ： 李 明（ １ ９ ８ １ 一） ， 男， 助理工程师 ， 研究 方向为高速列车空气动力学及刚度阻尼测试试验 。
５ ５
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ３， ２ ０ １ ３
１ 列车几何模型
列 车 模 型参 考 了 国 内新 型 动 车组 外 型 ，由 于需
本 文选 用 的是 带 旋 流修 正 的 ， ｃ （ Ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｂ ｌ ｅ
Ｋ 一 占 ） 两方程湍流模型。 相对于标准 ， ｃ 一 湍流模型 ， 此 模型为耗散率增加 了新的来源 自 层流速度波动的精
中图分类号 ： Ｕ ２ ７ ０ ． １ １
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ × （ ２ ０ １ ３） ０ ３ － ０ ｏ ５ ５ 一 ｏ ３
横风作用下高速列车运行的气动性能一直是列 ２ 仿真计算 车空气动力学中的一个重要研究方 向【 ｌ － ３ １ 。在横风尤 其是 强横 风作 用下 ， 列车气动性能恶化 ， 空气 阻力 、 ２ ． １域 场及 网格选取 横 向力迅速增加 ， 严重影响了列车的横 向稳定性。当 由于本 文计 算模 型相对 来流方 向为 中心 不对 横风速度大于 ３ ０ ｍ ／ ｓ ， 列车速度超过 ２ ０ ０ ｋ ｍ ／ ｈ 时， 就 称 ， 故不能考虑对称域场计算方式。考虑到空气绕流 很有可能导致列车 由侧风失稳而发生脱轨 、倾覆等 和流场的充分发展等情况 ，选取计算域场距列车前 事故。以京沪高速铁路为例 ， 沿途遇到的最大风速可 方长度约为 １ ５ ０ ｍ， 后方约为 ２ ５ ０ ｍ， 上方约为 ３ ０ ｍ， 能超过 ３ ０ ｒ ｒ ｄ ｓ 。 因此 ， 很有必要研究高风速下 ， 列车高 车体迎风面距域场边界为 ２ ０ ｍ，被风面车体距域场 车速 时 的气 动性 能 变化 的规 律 。 边界 为 ３ ０ ｍ。 本文采用数值模拟计算的方法 ，对 ｌ ５ —２ ５ ｍ ／ ｓ 本文计算 中全域场均采用非结构网格 ，车体表 横风风速下 ， 车速在 １ ０ ０ ｋ ｍ ／ ｈ一 ４ ０ ０ ｋ ｍ ／ ｈ区间内， 高 面为三角形网格 ，在紧靠车体表面空间上采用多层 速列 车运行时 的气动性能进行 了仿真计算 ，根据计 三棱柱五面体网格 ，以便更好的模拟车体附面层效 算得到的数据 ，分析 了不同横风速度和车速 时相应 应。 在保证计算精度 的前提下 ， 在空间其他位置采用 的车体纵 、 横 向气动力变化的规律及成因 ， 得到了相 六面体 网格 ， 在节省网格数 目的同时 ， 提高了计算速 应 的 结论 ，为今 后列 车在 横 风作 用下 的运行 安 全 性 度。本次计算所有网格数约为 ３ ． ５ Ｘ １ ０ 。 提供一定的依据。 ２ ． ２ 湍 流模 型及控 制 方程
内燃机进气过程缸内湍流流场的大涡模拟
础 上 将 系数 ｃ 改 进为 时间与 空间 的函数 ， 模型 使
具 有更广 泛 的适应 性 。引入 和 厶 两个 过 滤 宽度 ， 可 分别 称 为 “ 滤 波 器 ” “ 验 滤 波 器 ” 通 常 取 主 和 试 ，
雾化 、 烧及有 害废 气 生成 等 ， 柴油 机 动 力性 、 燃 是 经 济性 的重要影 响因素 。 模 拟 内燃 机缸 内进 气 和流动过程 的关键 是选用 适 当的湍流 模 型 。基 于雷 诺 平 均 Ｎ－ 方 程 的模 拟 Ｓ
研 究 尚属 空 白 。作 为 初 步 探 索 ， 研 究 旨 在 描 述 内 本 燃 机 进 气 过 程 中 的 流 场 动 态 特 性 和 验 证 大 涡 模 拟 用
２＜ Ｍ ＞ 。 Ｍ
式 中 ， Ｌ 为尺度 介 于 两 过 滤 宽度 之 间 的应 力 ， 为 Ｍ 过滤 尺度与 应力过 滤 率 的 函数 ， Ｊ 志 ｚ 示 方 向 ， ， ， ， 表
（ 连 理 工 大 学 能 源 与动 力 学院 ， 宁 大 连 １６ ２ ） 大 辽 １ ０４ 摘 要 ： 精 确 描 述 内燃机 进 气过 程 中的缸 内流 场动 态特 性 ， 于非 结 构 化 动 网格 和 有 限体 积 法 ， 用 大涡 模 拟 为 基 应 方 法 对 １台模 型 发 动 机进 气过 程 进 行 三 维 瞬 态数 值 模 拟 研 究 。计 算 采 用动 态 Ｓ ｇ ｒ ｓ ｙ亚 网格 尺 度 模 型 ， 到 ｍａｏｉ ｋ ｎ 得
内燃 机进气 过程 中气 体流 动是强 瞬变过程 的非
Ｇｒ ｎ ｅｍａ ｏ等 人 在 代 数 Ｓ ｇ ｒ ｓ ｙ模 型 的基 ｍａｏ ｉ ｋ ｎ
定常三维 湍流运 动 ， 直接 影响 到充气效 率 、 内气流 缸
一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型
第4期（总第225期）车用发动机/ No. 4(Serial No. 225) 2016 年8 月VEHICLE ENGINE /Aug. 2016一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型孙华文\杨丽红2，明平剑3，张文平3(1.国家超级计算天津中心，天津300457;2.国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津300304;3.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：提出了一种基于非结构网格的动态层网格实现算法，结合滑移网格算法构建了基于分块滑移动态层的非结构化内燃机动网格模型，并基于T B D620柴油机建立了计算模型，所有算法都基于课题组自主研发的通用输运方程求解软件实现。
流场计算采用适用于可压缩流场的有限体积法及SIM P L E算法。
通过数值算例对所开发的滑移网格模型和动态层网格模型进行了验证，最后对内燃机缸内瞬态流场进行了仿真。
计算结果表明，所发展的非结构化动网格模型可应用于内燃机瞬态流场的仿真。
关键词：内燃机；滑移网格；动态层算法；数值模拟DOI：10. 3969/j. issn. 1001-2222. 2016. 04. 002中图分类号：TK432 文献标志码： B 文章编号：1001-2222(2016)04-0007-07数值模拟作为一种有效的分析设计方法已广泛 应用于内燃机的结构设计及性能分析中，然而现行 的内燃机三维仿真分析软件大多来自国外，国内自 主研发的相对较少。
内燃机缸内瞬态流场仿真的关 键技术主要包括运动网格处理、喷雾模型、燃烧及化 学反应机理以及缸内流场数值求解方法等，其中处 理好网格运动是一切物理模型应用的前提[1]。
对此国内外学者进行了针对性研究。
A.Vel-ghe等[2]采用全局的网格重构插值方法对内燃机的 瞬态流场进行了仿真;D.Aboiiri等[3]研究了基于多 面体网格的运动网格模型并应用于内燃机瞬态流场 的计算；国内蒋炎坤、罗马吉等W研究了带气口发动 机的瞬态流动计算，并利用SNAPPER技术解决运 动边界问题;刘金武等[5]基于网格的拆解组合给出 了内燃机缸内复杂空间三维动态网格的生成方法；秦文瑾等[6]基于KIVA3V进行了 4气门直喷式汽 油机缸内湍流场多周期循环变动的大涡模拟研究，其中网格的运动主要依赖于KIVA3V中的自带模 型。
内燃机工作过程数值模拟中的CFD
现有条件下 ， 利用计算机完全重 现内燃机的全部工
作过程是不 可能的。纵观内燃机工作过程数值计算 的发展历程 ， 是一个 由简 单到 复杂 、 就 由粗 略到精 确、 由零维到多维 的发展过 程。下面就 以缸 内过程 计算为例简述流体力学在内燃机中的应用历程。
气浓度分布等 ， 通过划分区域进行计算 。 但 与零维模型相 同， 准维模 型也是 以时间（ 或曲 轴转角） 为唯一的 自变量 ， 因此控制方程均为常微分
维普资讯
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２０ 年第 ４ ０２ 期
内燃 机 工 作 过 程 数 值 模 拟 中 的 ＣＦ Ｄ
７０４ 西安交 通大学 １０９
４ １０ 洛阳公 共交通总公 司 ７００
王锡 斌 蒋德 明 董学尧
摘要
本文 简要介绍 了内燃机 工作过程数值模拟和 内燃机 Ｃ Ｄ的发展历程 ， Ｆ 并介 绍 了内燃机
方程 。其共同特点是难 以精确计算燃烧室几何参数 变化 、 内气流状况变化对燃烧过程的影响。 缸 上述两种对缸 内过程 的计算方法 ， 都是对常微 分方程求解 ， 虽然具 有简便 易行 、 计算 时间少 的优 点， 但计算过程 中对许 多因素采用经 验公式和半经 验 公式 处 理 ， 对性 能 预 测 有 较 大 的随 意 性 ； 外 ， 此 对 污染物如 Ｎ ｘＨ Ｏ 、 Ｃ及微粒 的生 成来说 ， 内局部的 缸 温度、 压力和成分 的变化对其影 响还是很敏感的 ， 如 果假设为均匀分布 ， 则不利 于对缸 内具体过程 的了 解 以及对工作过程和 内燃机性能的优化。要更精确 模拟 内燃机的实 际燃 烧过程 ， 就需要在气缸 内建立
间坐标而变 ， 只随时间（ 曲轴转角） 而变化 ， 故称为零 维系统…。按照这种假设 ， 零维 系统 内的状 态变 化 可用常微分方程来描述 。零维模型可以通过示功图 计算放热规律 ， 预先 假定 放 热规 律按 Ｖｂ 或 双 或 ｉ ｅ Ｖｂ 函数规律变化 ， ｉ ｅ 计算 出示功 图及发动机其 它基
内燃机燃烧过程的数值模拟共3篇
内燃机燃烧过程的数值模拟共3篇内燃机燃烧过程的数值模拟1内燃机燃烧过程的数值模拟内燃机是现代交通工具和机械设备的常用动力，其工作原理是燃料与空气在燃烧室内进行燃烧，并释放热能，推动活塞运动，转化为机械能。
内燃机的燃烧过程是内燃机效率的决定因素之一。
如何精确描述和模拟内燃机的燃烧过程，成为了工程设计和实现节能减排目标的基础之一。
内燃机的燃烧可以分为预混合燃烧和局部混合燃烧两种形式。
预混合燃烧是指燃料和空气先在一定比例下预先混合，形成可燃混合气体后在燃烧室内进行燃烧，其优点是稳态性好、燃烧温度和排放污染物少；局部混合燃烧是指燃料和空气在燃烧室内悬浮散布，形成可燃混合气体后点火燃烧，其优点是可以适应多种燃料，但相对来说更难实现优化控制。
内燃机燃烧模拟可以采用数值模拟方法，并受到高性能计算技术的支持。
在数值模拟内燃机燃烧过程时，需要考虑燃料和空气混合的情况、点火燃烧的位置和时间、燃烧速度和传热性能等因素，以得到准确的燃烧效率和排放污染物信息。
数值模拟内燃机燃烧过程常用的方法主要有三种：欧拉法、拉格朗日法和仅考虑化学反应的“化学时间积分法”等。
其中，欧拉法又可分为欧拉流动计算和欧拉-拉格朗日流动计算两种。
欧拉流动计算是以流体静止不动为基础，将流体分割成许多小体积进行数值计算；欧拉-拉格朗日流动计算是将流体看成一系列随时间运动的小球，可以更好地描述燃烧室内的流动和湍流情况。
拉格朗日法则是让燃料粒子和空气粒子各自跟随着气流进行移动和混合，该方法在燃烧室内进行燃料和空气的混合计算、化学反应计算，从而预测出燃烧过程中的温度、压力、质量分数等热力学参数。
而化学时间积分法是通过考虑氧气、燃料和温度之间的关系，模拟燃烧室内的化学反应，计算出燃气温度、质量分数、速度等信息。
该方法虽然精度较低，但计算速度快，适合大规模应用。
内燃机燃烧过程的数值模拟可以辅助燃烧工程师在设计和优化内燃机的燃烧室结构、制定燃烧控制策略和降低排放污染物等方面发挥作用，减少试错成本和提高研发效率。
内燃机燃烧行为的数值模拟和优化设计
内燃机燃烧行为的数值模拟和优化设计内燃机是现代交通工具、农业机械、发电机等的动力来源之一，其效率和排放的优劣直接影响着车辆性能、环境污染和燃油消耗等方面。
因此，对于内燃机燃烧行为的数值模拟和优化设计已成为学术界和汽车工业界的研究热点。
1. 内燃机燃烧行为分析燃烧是内燃机动力的基本过程，其过程极其复杂。
为了更好地了解内燃机燃烧行为，需要先进行燃烧分析。
一般来讲，内燃机燃烧行为分析会涉及两个方面，即燃料与氧气的混合/喷射和燃烧过程。
燃料与氧气的混合/喷射：这一环节主要关注燃料如何与氧气进行混合或喷射，以及如何保证混合度的合理性。
一个好的混合过程能够使得燃烧更为完全，进而提高能量转换效率。
燃烧过程：这一环节主要关注燃烧过程中产生的各种现象，例如点火、火焰传播、烟雾和NOx等有害物质的生成等。
这些现象对于内燃机的性能和排放都有极为重要的影响。
2. 数值模拟技术在内燃机燃烧行为分析中的应用相比于实验方法，数值模拟技术有着更高效、更精准、更可控的优势，能够提供更加准确的数据。
因此，数值模拟技术已成为内燃机燃烧行为分析中不可或缺的一部分。
基于数值模拟技术，可以进行各种内燃机燃烧行为的模拟分析，例如流场模拟、燃烧模拟和排放模拟等。
其中，比较常用的数值模拟方法包括计算流体力学（CFD）和多物理场（MPC）方法等。
CFD方法的基本思想是通过物理规律及其数学描述来计算流体运动和热传递等现象。
通过CFD数值模拟，可以精准地分析内燃机中的流动、燃烧和排放等现象，并能够优化内燃机的燃烧过程，以提高内燃机的能量转换效率和降低排放。
MPC方法则是一种同时考虑多个物理场的数值模拟方法。
它可以模拟流体力学、热传递、燃烧、空气流动和化学反应等多个物理场之间的相互作用，从而更为准确地模拟内燃机燃烧行为。
3. 内燃机数值模拟的优化设计在内燃机数值模拟中，燃烧过程是重中之重。
而燃烧过程的优化设计是提高内燃机性能的重要途径。
燃烧室的优化：内燃机燃烧室结构的合理设计能够改善燃烧过程和热传递，从而提高发动机的热效率，减少排放。
内燃机工作过程的数值模拟
内燃机工作过程的数值模拟作为现代交通工具的重要部分——内燃机，在其准确、高效运行的过程中，计算机数值模拟技术发挥了极大的作用。
在内燃机研发中，数值模拟能够对燃烧过程、气流流动等关键因素进行仿真，为发动机设计优化和性能提高提供重要支持。
一、内燃机数值模拟的基本原理内燃机数值模拟是通过计算机采用计算流体力学、燃烧动力学、多相流模型等数学模型来模拟内燃机的工作过程。
其基本原理就是将各个喷射头和颗粒口的气体流量、温度等变量转换为数学模型，通过在计算机上解算出合适的数值，来模拟出内燃机在不同负荷情况下的运行状态。
二、内燃机数值模拟的重点难点内燃机数值模拟的最大难点在于如何对复杂流场、高温燃烧等物理现象进行真实精确的建模。
目前，为了更准确地预测内燃机的燃烧特性，科学家们通常采用两种方法：一种是利用数学模型对燃烧区域的温度和压力特性进行模拟；另一种则是利用计算流体力学的技术对内燃机气流流动和喷雾过程进行直接模拟。
其中，计算流体力学模型更为普及，它可以求解流体的速度、压力、密度等物理量，通过对粘性、湍流等流场特性的分析，更好地理解燃烧热力学行为，从而帮助提高内燃机的效率和性能。
三、内燃机数值模拟的应用范围内燃机数值模拟技术在内燃机设计、开发以及性能改进等多个方面都得到了广泛的应用，比如：1.内燃机燃烧特性分析数值模拟可以帮助工程师更好地理解内燃机燃烧特性，包括喷射、混合、燃烧和排放等方面的问题。
阻挡燃烧与火焰速度在低速高扭矩情况下的分析和优化，可以提升发动机的性能和耐用度。
2.排放分析和优化数值模拟技术可以优化内燃机的排放问题，包括提高燃料经济性，降低排放量和改善喷雾与燃烧混合性等。
这对于提高内燃机的环保和可持续性很有帮助。
3.发动机流体力学特性分析流体流动是影响内燃机性能的重要因素之一，数值模拟可以直接模拟出内燃机中流体流动的细节，精确预测喷射头、进气导管、进气道和排气道等内部结构的流体特性，从而帮助改善气缸内的燃烧和气体流动。
内燃机燃烧模型的建立与数值模拟
内燃机燃烧模型的建立与数值模拟内燃机是一种能够将燃料转化为动力的发动机。
它通过内部燃烧，产生高温高压气体，用于驱动活塞的运动，带动机械设备的运转。
内燃机在现代社会中具有广泛的应用，包括汽车、飞机、火箭、电力等领域。
但是，内燃机的高温高压与燃烧等复杂过程，需要建立精确的燃烧模型，以便进行数值模拟和优化设计。
内燃机的燃烧模型是将燃烧过程简化为一系列数学方程的过程。
这些方程包括能量守恒、质量守恒、动量守恒等基本方程，以及含有燃料热值、热容比、反应速率等参数的反应方程。
这些方程可以描述燃烧物质的分布、温度变化、化学反应、传热和传质等过程。
燃烧模型的建立需要考虑到内燃机的结构、油气混合、点火方式、混合气的流动性质等多种因素，以确保模型的准确性和可靠性。
燃烧模型的建立通常采用CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）方法。
CFD是一种基于数值模拟和计算机技术的流体力学研究方法。
它可以模拟流体在空间内的运动状态和物理过程，包括燃气内流、流动力学、传热传质等过程。
CFD方法可以将复杂的问题简化为数学模型，通过计算机模拟得到实际物理系统的运动状态和反应。
燃烧模型的数值模拟过程中，需要完成各种物理场（如速度场、压力场等）的计算和相关参数（如温度、烟气含量等）的分析。
这一过程设计到流场计算、传热传质、化学反应、燃气动力学等一系列数学模型和物理模型。
其中，燃烧模型是关键的一环，它可以准确预测内燃机在工作状态下的变化规律和实际性能特征。
为了验证燃烧模型的准确性和可靠性，需要进行实验室和实际车辆等条件下的实际检测和实测数据的比对。
这些实测数据可以用于改进燃烧模型，并最终实现内燃机的高效、节能和环保设计。
总之，内燃机燃烧模型的建立与数值模拟是现代燃烧科学的重要课题之一。
它不仅可以实现对内燃机的性能及污染物排放的预测和优化，而且可以为内燃机的设计和燃烧过程中燃油的选择提供重要的指导和帮助。
非结构网格技术应用于固体火箭发动机内流场数值模拟
非结构网格技术应用于固体火箭发动机内流场数值模拟
刘君;郭正;郭健;张为华
【期刊名称】《固体火箭技术》
【年(卷),期】2001(024)004
【摘要】从二维欧拉方程出发,采用非结构网格技术对固体火箭发动机内流场进行数值模拟,研究了点火初期、燃烧过程中和燃烧结束时固体火箭发动机燃烧室不规则物理区域内形成的复杂流动,分析了流场结构及特性,并对在这一领域应用非结构网格技术存在的问题进行分析.
【总页数】3页(P9-11)
【作者】刘君;郭正;郭健;张为华
【作者单位】国防科技大学航天与材料学院空间技术研究所,;国防科技大学航天与材料学院空间技术研究所,;国防科技大学航天与材料学院空间技术研究所,;国防科技大学航天与材料学院空间技术研究所,
【正文语种】中文
【中图分类】V435
【相关文献】
1.模拟飞行条件下固体火箭发动机内弹道性能测试技术研究 [J], 付宇;陈亚奇;仪建华;孙美;解珍珍
2.KIVA程序在固体火箭发动机内流场数值模拟中的应用 [J], 孙小团;张平
3.固体火箭发动机尾流场数值模拟 [J], 乌岳;李卓
4.固体火箭发动机内型面重建技术研究 [J], 任立衡;金永
5.交付固体火箭发动机内弹道性能的预测技术 [J], 张步景;尹爱生
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并行燃烧数值模拟计算优化--面向自适应非结构网格的动态负载平衡方法
并行燃烧数值模拟计算优化--面向自适应非结构网格的动态负载平衡方法王姝;王小鸽;杨广文【摘要】燃烧数值模拟计算通常采用非结构网格模拟计算区域。
在非结构网格上进行并行模拟计算时，其自适应方式使得不同进程上的计算负载频繁变动，且差异巨大，导致并行计算效率低下。
为了提高并行计算的效率，一个有效的方法是采用动态负载平衡技术。
提出一种针对燃烧的化学反应状态的动态负载平衡方法，该方法采用不同策略对化学反应不同阶段各进程上的计算负载进行预测，根据预测结果平均进程间的计算任务，达到负载平衡。
实验分析表明，该方法能有效地降低进程间的负载不平衡程度，使得模拟计算的总体运行时间降低了10%。
%Combustion numerical simulations usually adopt unstructured meshes to simulate calculated area. In parallel simulation, the adaptive mode of unstructured meshes makes loads on different processors change fiercely and frequently which leads low parallel efficiency. In order to improve the efficiency of parallel computing, an effective way is the use of dynamic load balancing technology. An adaptive dynamic load balancing strategy related to the combustion chemical reaction state is proposed. The method uses different strategies to predict the load of the process at different stages of combustion chemical reaction. And the computing tasks are equally distributed between processors to achieve load balancing. The experimental analysis shows that this method can effectively reduce the load imbalance rate, and the overall simulation time is reduced by 10%.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2013(000)021【总页数】6页(P220-225)【关键词】动态负载平衡;并行模拟计算;自适应非结构网格【作者】王姝;王小鸽;杨广文【作者单位】清华大学计算机系，北京 100084;清华大学计算机系，北京100084;清华大学计算机系，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TP202+7随着燃烧数值模拟计算技术的发展，模拟的问题越来越复杂，模拟的精度要求越来越高，传统模拟方法采用结构网格，计算较为简单，但是受到其结构特性的限制，不能灵活地根据模拟情况改变网格的结构以适应新的计算需求，因此逐渐被非结构网格所替代。
一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型
一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型
孙华文;杨丽红;明平剑;张文平
【期刊名称】《车用发动机》
【年(卷),期】2016(000)004
【摘要】提出了一种基于非结构网格的动态层网格实现算法,结合滑移网格算法构建了基于分块滑移动态层的非结构化内燃机动网格模型,并基于TBD620柴油机建立了计算模型,所有算法都基于课题组自主研发的通用输运方程求解软件实现.流场计算采用适用于可压缩流场的有限体积法及SIMPLE算法.通过数值算例对所开发的滑移网格模型和动态层网格模型进行了验证,最后对内燃机缸内瞬态流场进行了仿真.计算结果表明,所发展的非结构化动网格模型可应用于内燃机瞬态流场的仿真.【总页数】7页(P7-13)
【作者】孙华文;杨丽红;明平剑;张文平
【作者单位】国家超级计算天津中心 ,天津 300457;国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 ,天津 300304;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 ,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 ,黑龙江哈尔滨 150001
【正文语种】中文
【中图分类】TK432
【相关文献】
1.内燃机排气歧管瞬态热流体-热应力耦合仿真的研究 [J], 董非;蔡忆昔;范秦寅;姜树李;郭晨海
2.仿真直动式溢流阀瞬态响应的键合图法 [J], 郑红梅
3.一种用于测量内燃机瞬态进气量的新型流量计 [J], 王子延;刘晓猛
4.基于COMSOL Multiphysics的路表瞬态动水压力数值仿真分析 [J], 申爱琴;宋攀;郭寅川;李鹏
5.一种应用于仿真培训系统的三维虚拟仿真方法 [J], 郭小燕;刘哲;李鹍;朱伯涛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种非结构结构多层混合网格方法及其应用
一种非结构结构多层混合网格方法及其应用
桑为民;李凤蔚
【期刊名称】《计算物理》
【年(卷),期】2004(21)4
【摘要】对于粘性绕流的数值模拟,在自适应直角网格基础上,结合三角形非结构网格和结构化网格,利用其各自的优势和特点,提出一种生成混合杂交网格的思路和方法.在物面附近生成适合粘性流计算的大长宽比结构化网格,在远场分布自适应直角
网格,快速离散计算空间.对于复杂的多体问题,采用三角形网格来连接各体网格,并运用网格合并的方法,保证各网格之间的光滑过渡与连接,提高网格质量.针对一些二维、三维外形的绕流问题,在上述网格基础上,采用B-L代数湍流模型和中心有限体积法,完成Navier Stokes和Euler方程数值模拟的对比计算,结果表明网格生成和流场
计算是正确的.
【总页数】7页(P345-351)
【关键词】自适应直角网格;混合网格技术;中心有限体积法;Navier-Stokes方
程;Euler方程;空气动力学
【作者】桑为民;李凤蔚
【作者单位】西北工业大学飞机系
【正文语种】中文
【中图分类】V211.3
【相关文献】
1.一种隐式时间算法在非结构混合网格粘性流动计算中的应用 [J], 王刚;赵俊波;叶正寅
2.非结构网格、混合网格下计算方法研究 [J], 杨永健;张来平;高树椿;张涵信
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非结构网格FVM在复杂几何结构的湍流反应流计算中的应用研究的开题报告
非结构网格FVM在复杂几何结构的湍流反应流计算中的应用研究的开题报告1. 研究背景湍流反应流的计算在工业领域有着广泛的应用，如石油化工、航空航天和汽车制造等。
然而，在复杂几何结构的流场计算中，常规的网格方法难以满足精度和效率要求。
非结构网格方法由于其灵活性和适用性，已经成为了一种重要的流场计算方法。
本课题旨在探究非结构网格方法在复杂几何结构的湍流反应流计算中的应用。
2. 研究内容本课题主要研究内容如下：1）针对复杂几何结构的流场特性，设计适用于非结构网格的有限体积法数值模型；2）开发非结构网格有限体积法数值模型的高效数值算法；3）针对湍流反应流，采用非结构网格有限体积法数值模型进行计算，并与实验和数值模拟结果进行对比和分析；4）验证和优化非结构网格有限体积法数值模型在复杂几何结构下湍流反应流计算的精度和效率。
3. 研究意义研究非结构网格方法在复杂几何结构的湍流反应流计算中的应用，对于提高工业领域湍流反应流计算的精度和效率具有重要意义。
此外，本研究还可以推动非结构网格方法在计算流体力学领域内的发展和应用。
4. 研究方法本研究将采用理论分析和数值模拟的方法，主要包括以下步骤：1）对复杂几何结构的流场特性进行理论分析，并设计适用于非结构网格的有限体积法数值模型；2）开发非结构网格有限体积法数值模型的高效数值算法；3）针对湍流反应流，采用非结构网格有限体积法数值模型进行计算，并与实验和数值模拟结果进行对比和分析；4）分析非结构网格有限体积法数值模型在复杂几何结构下湍流反应流计算的精度和效率；5）优化非结构网格有限体积法数值模型。
5. 预期成果本研究预期达到以下成果：1）设计出适用于非结构网格的有限体积法数值模型；2）开发高效的非结构网格有限体积法数值算法；3）分析非结构网格有限体积法数值模型在复杂几何结构下湍流反应流计算的精度和效率；4）推动非结构网格方法在计算流体力学领域内的发展和应用。
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１ 前处理
前处 理 部 分 采 用 了 折 中 的 方 法 ， 不直接生成网 格， 而是利用商用软件划分网格 ， 转化为标准 Ｃ ＧＮ Ｓ ） 格式文件 ， 然后通过 Ｃ 读 ＧＮ Ｓ中级库（ Ｃ ＧＮ Ｓ Ａ Ｐ Ｉ
９］ ， 取网 格 信 息 ［ 本研究采用一维结构体数组来存储
滑动 、 嵌入网格优化等具有相对运动的流场 ； 王海刚
） （ ７
ｎ
） 再将式 （ 及 Ｖｃ ＝ ５
ｓ 当ｓ－ｖ ｔ ＜α 时， ｎ ｓ ｖ ｔ （ ） ｈ上 ＝ － ； １ ｎ ｓ 当ｓ－ｖ ｔ ≥α 时， ｎ （ ２ ｓ－ｖ ｔ）。 （ ） ｈ上 ＝ ２ ｎ 式中 ： ｓ 为发动机行程 ； ｎ 为 气 缸 内 网 格 层 数； ｖ 为活
塞速度 ； ｔ 为时间 。 活塞向下拉伸时 ， 活塞上部网格采用分裂算法 ， 当网 格 层 间 高 度 小 于 （ 按照弹性平滑法调 １＋ ｈ α） ０， 否 则 就 将 每 层 网 格 分 裂 为 两 层。高 度 整网格间距 ，
效率高 、 周期短的优 由于数值模拟具有成本低 、 ， 点 并且能对试验无 法 测 定 的 发 动 机 工 作 过 程 进 行 预测 ， 因此在内 燃 机 优 化 设 计 中 得 到 广 泛 应 用 。 运 动网格技术在内燃 机 数 值 模 拟 中 占 有 重 要 的 地 位 ， 动网格方法主要有 弹 性 平 滑 法 、 动态层法和局部重
第 １期（ 总第 １ ９ ８期） ２ ０ １ ２年２月
车 用 发 动 机 Ｖ ＥＨ Ｉ Ｃ Ｌ Ｅ Ｅ ＮＧ Ｉ Ｎ Ｅ
（ ） Ｎ ｏ ． １ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎ ｏ ． １ ９ ８ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ２
· 设计计算 ·
非结构动网格方法在内燃机数值模拟中的应用
刘永丰 ，张文平 ，明平剑 ，倪大明
２ ·（ ｘ）＝（ ｘ ｘ －ｘ ｏ（ ｘ －ｘ （ ） ＋（ ｃ） ｃ） ｃ＋ ｃ） 。 （ ） ６
当单 元 分 裂 时 ， 截断高阶项即可得到单元中心 值 。 当单元合并时 ， 单元平均值可由对所有参与合
图 １ 向上压缩
） 并且将式 （ 代入可得 ： 并的单元体积分计算 ， ６
ｎ
ｘ Ｖｃ ＝ （ ｃ）
ｉ＝１
∑Ｖ
ｎ
ｉ
） 代入式 （ 可得 ： ７ （ ） ８
１ ｘ ｘ Ｖｉ 。 （ （ ＝ ｃ） ｉ） ∑ Ｖｃｉ ＝１
这种 插 值 方 法 与 网 格 单 元 形 状 无 关 ， 适用于任 意多面体之间的转 化 过 程 ， 由于采用的网格移动方 法是每层网格分裂 为 两 层 ， 每相邻两层网格合并为 一层 ， 并且由于气缸内网格体积相同 ， 因此本研究中 取 ｎ＝２， Ｖｋ ＝２ Ｖｉ。
， 。 男， 博士 ， 主要研究方向为内燃机工作过程数值模拟 ； １ ９ ８ ２—） ｌ ｉ ｕ ｏ ｎ ｆ ｅ ｎ ｒ ｂ ｅ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ 作者简介 ：刘永丰 （ ＠ｈ ｙ ｇ ｇ
·２· 车 用 发 动 机 ２ ０ １ ２ 年第 １ 期
５］ 等［ 采用瞬态咬合法模拟了内燃机进气道和缸内气
体的 三 维 运 动 ； 刘金武等
［ ６］
将网格划分为静态和动
态两种类型 ， 创建了 活 塞 和 气 门 的 三 维 动 态 网 格 生
７］ 成方 法 和 数 学 模 型 ； 刘 永 峰 等［ 将一种新的动网格
如单元 ： 非结构网格信息 ， ＿ Ｔ Ｙ Ｐ Ｅ ｃ ｅ ｌ ｌ ｄ ａ ｔ ａ ）： ： Ｅ Ａ Ｌ（ ｒ ｅ ｃ ｘ， ｚ， ｖ ｏ ｌ Ｒ ｐ ｙ， ： ， Ｉ ＮＴ Ｅ Ｇ Ｅ Ｒ： ｎ ａ ｃ ｅ ｓ ｎ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ｆ ： ）： ： ＮＴ Ｅ Ｇ Ｅ Ｒ，Ｐ Ｏ Ｉ ＮＴ Ｅ Ｒ，Ｄ Ｉ ＭＥ Ｎ Ｓ Ｉ ＯＮ（ Ｉ ， ａ ｃ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ ｎ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ ｆ ＿ Ｅ Ｎ Ｄ Ｔ Ｙ Ｐ Ｅ ｃ ｅ ｌ ｌ ｄ ａ ｔ ａ 其中 ： ｒ ｅ ｃ 是自定义的精度参数 ； ｘ， ｚ， ｖ ｏ ｌ 分别表 ｐ ｙ， 示 单 元 中 心 坐 标 分 量 和 该 网 格 体 积； ｎ ａ ｃ ｅ ｓ和 ｆ
ｈ下 可通过下式计算 ： ｓ 当ｓ－ｖ ｔ ＜α 时， ｎ ｓ ｖ ｔ ｈ下 ＝ － ； ｎ ｓ 当ｓ－ｖ ｔ ≥α 时， ｎ ｓ ｖ ｔ ｈ下 ＝ － 。 ２ ｎ
（ ） ３
图 ３ 单元合并与分裂过程
３ 数值算法
对于具有运动边界的通用输运方程积分形式的 守恒方程为
（ ） ４
·３· ２ ０ １ ２ 年 ２ 月 刘永丰 ，等 ：非结构动网格方法在内燃机数值模拟中的应用
ｎ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ 分别为单元界面和节点的编号列表 。
２． ２ 插值 图３ 示出了单元合并与分裂的过程， 连接单元 中心和单元面中心及各顶点即可获得 ｎ 个四面体单 元， 对于任 意 多 面 体 单 元 ， 单元中心可以通过下式 计算 ：
ｎ
２ 动网格方法
２． １ 网格运动 为了避免在拉伸或压缩的过程中形成的网格过 首先定义一 个 理 想 高 度 ｈ 稀或过密 ， ０。 当 活 塞 向 上 压缩 ， 且网格层间高度小于α 缸内活塞运动方 ｈ ０ 时， 向网格层数不变 ， 气缸内网格节点坐标都向上按线 性变化 ， 按照弹性平滑法调整网格间距 ， 可以保证每 ； 见 图 １） 否则就将相邻两层网格 层网格高度一 致 （ ） 。 然后继续压缩 （ 见图 ２ 合并 ，
［ １ ０］
方法 ：
Ｄ ＊ ＊ 槇ｆ 槇 － ｐ）。（ ） （ ） ｕ １ １ ｐ ＝ｕ ｆ ＋（ Ａｐ － ∑Ａ ｉ
＊ 式中 ： ｕ ｆ 是单元界面速度 。
扩散项转化为面积分后分裂为网格中心线上的 差分和一个梯度表示的交叉项 ， 而把后者归为源项 ：
∮
Ａ
ｄ Ａ＝ Г ·ｎ
→
→
∮
Г
Ａ
→ １ ｄ ） ｄ Ａ ＋ Г ｎ－ → → ） ｄ Ａ 。（ １ ２ （ → → ｄ ·ｎ ｄ·ｎ ｄ Ａ
机瞬态模拟的动网格方法主要采用动态层法或动态 层法与其他方法组 合 的 方 法 ， 且主要以结构化网格
］ ２ ３ － 罗 马 吉 等［ 采用 Ｓ 为主 。 蒋 炎 坤 、 ＮＡ Ｐ Ｐ Ｅ Ｒ 技术
研究了带气口发动 机 的 瞬 态 流 动 计 算 处 理 方 法 ； 吴
４］ 利用移动网格技术有效地处理了流场内部 状文等 ［
方法应用于 Ｋ 减少了内燃机三维网格生成 Ｉ ＶＡ ３ Ｖ， － 张登攀等 时间 ；
［ ８］
应用多块结构化网格的划分思想
建立了 基 于 Ｋ Ｉ ＶＡ ３ Ｖ 程序的柴油机瞬态仿真模 － 型， 拓展了程序的使用范围 。 目前 ， 动态层法的主要 思想是根据运动边界位移的大小来判断是将与运动 边界相邻的那层网 格 分 割 还 是 将 其 与 相 邻 层 合 并 ， 每次增加或删除一层网格 。 本研究提出了一种动态层和弹性平滑结合的动 网格方法 ， 运动过程每层网格保持高度均匀 ， 当运动
· ｄ ｕ－ｕ ｎ ｄ Ａ＝ Ω＋ ρ （ ｇ） ρ ｔ Ａ Ω
∫ ∫ ｎ ｄ Ａ＋ Ｓ ｄ Г · ∫ ∫ Ω。
４ 算例验证
（ ） ９ 建立了 Ｔ 发动机参数 Ｂ Ｄ ６ ２ ０柴 油 机 网 格 模 型， 见表 １。 燃烧 室 内 采 用 四 面 体 网 格 ， 气缸内采用三 棱柱 网 格 ， 模 型 见 图 ５。 计 算 从 上 止 点 前 １ 到上 ８ ０ ° ， ／ 对发动机在１ 止点 后 １ ８ ０ ° ８ ０ ０ｒ ｍ ｉ ｎ时纯空气循 环过程进行了瞬态 模 拟 ， 模拟计算中定义固定温度 边界 ， 湍流模型采用 Ｒ ＮＧ κ － ε模型 。
Ａ
Ω
式中 ： ｕ ｇ 是网格面移动速度 。 采用基于单元中心的 Ｆ 对于对流项采用迎 ＶＭ， 风格式 ：
∫
Ａ ｊ
· ｕ－ｕ ｎ ｄ Ａ＝ （ ｇ） ρ
ｊ
ｃ
（ ） （ ） ａ ｘ Ｆ， ０ ｉ ｎ Ｆ， ０ － ∑ｍ 。 ∑ｍ
ｊ ｉ ｊ
（ ） １ ０
发动机型号 缸径／ ｍｍ 连杆长度／ ｍｍ
ｎ
ｃ
ｉ＝１
ｘ） Ｖ ∑（
ｉ
－ｘ ） Ｖ （ ）］ ＋（ ∑［
ｉ ｎ ｎ ｎ
ｉ
＝
图 ２ 网格合并
·（ ｘ Ｖｉ －ｘ （ ） ｃ） ｉ ｃ ｃ 。 ∑Ｖｉ ＋ ［ ∑ｘ ∑Ｖｉ ］
ｉ＝１ ｉ＝１ ｉ＝１
高 度 ｈ上 可 通 过 下 式 由于每层网 格 高 度 一 致 ， 计算 ：
（ ） 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 ，黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ 在网格运动方向进行网格合并和分裂。由于 摘要 ：提出了一种动态层和弹性平滑结合的非结构动网 格 方 法 ， 动态层方法可视为网格重构方法的特例 ， 提出了一种内燃机缸内过程处理的二 阶 精 度 的 插 值 计 算 方 法 。 当 网 格 运 将多组网格层同时合并或分裂 ， 减少了网格合并和分裂次 数 ， 提高了计算效率。对于流场计算 动达到一定条件时 ， 部分 ， 采用有限体积法离散流场控制方程 ， 运用 Ｓ 开发了内燃机三维 Ｃ Ｉ ＭＰ Ｌ Ｅ Ｃ 算法求解 Ｎ Ｓ 方程 ， Ｆ Ｄ 数值模拟程 计算实例表明计算结果与试验值吻合较好 。 序， 关键词 ：内燃机 ；非结构动网格 ；数值模拟 ；动态层法 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｋ ４ ２ ２ 文献标志码 ： Ｂ 文章编号 ： １ ０ ０ １ ２ ２ ２ ２ ２ ０ １ ２ ０ １ ０ ０ ０ １ ０ ４ － － －
表 １ 发动机基本参数
Ｔ Ｂ Ｄ ６ ２ ０ １ ７ ０ ３ ５ ０ 气缸数 行程／ ｍｍ 压缩比 １ ６ １ ９ ５ １ ３． ５∶１
式中 ： 通过界面速度 Ｆ ｊ 为通 过 单 元 界 面ｊ 的 流 量 ， 界面速度 由 界 面 两 侧 单 元 中 心 速 度 插 值 计算得到 ， 为 了 解 决 压 力—速 度 失 耦 问 题， 程序采用了 得到 ， Ｒ ｈ ｉ ｅ Ｃ ｈ ｏ ｗ 插值 －