http://www.paper.edu.cn CFD 在发动机数值模拟中的应用 崔淑华1 胡亚楠2 东北林业大学交通运输学院，（150040） 摘 要：介绍了 CFD 的基本原理及其在发动机模拟过程中的发展，尤其介绍了应用 CFD 对 发动机所进行的研究。 关键词：CFD；数值模拟；发动机 1．引言 计算流体动力学（computational fluid dynamics，简称CFD）是在计算机上求解流体运动、 传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。CFD辅助发动机工程主要指基 于CAD/CFD技术的发动机内流系统（性能）的数值模拟技术[1]。发动机内气体流动特性对 发动机混合气的形成、燃烧、传热、污染物生成、火焰传播等有着很大的影响，因而研究发 动机内的气体流动，以便高效组织缸内燃烧，已成为发动机研究领域的热点问题。虽然依靠 先进的测试仪器也可以对缸内气体流动进行测量，但由于仪器本身的局限和发动机复杂结构 的限制，往往很难得到十分详尽的信息，而这正好是CFD的优点。应用CFD进行内流系统的 模拟计算，不仅能够提供试验研究不能提供的详尽信息，而且花费小、周期短、适用性强， 并能充分考虑结构参数几何形状的影响，有关参数的获取、分析与试验相比要来得简单迅速。 而且，现在许多大型商业化软件也已经较好地解决了精度问题，可以适应发动机研究的需要。 2．CFD 技术原理 流体是CFD 的研究对象，流体的性质及流动状态决定着CFD的计算模型及计算方法的 选择，决定着流场各物理量的最终分布结果。CFD问题的求解过程可用图 1 来描述[2]。其中 控制方程就是对支配流体流动的物理守恒定律的数学描述，即根据研究内容建立反映流动对 象连续变化的微分方程，主要包括质量守恒、动量守恒、能量守恒、组分守恒方程以及湍流 输运方程。选择合适的边界条件对准确地反映流动对象性质至关重要，只有给定了合理的边 界条件，才可能计算得出流场的解，因此，边界条件是使CFD问题有定解的必要条件。 对于在求解域内建立控制方程，理论上是有精确解的，但由于所处理问题的复杂性，一 般很难获得精确解。因此，通常要将控制方程在求解域内进行离散，把偏微分方程组离散为 代数方程组进行求解。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。网格划分的越细，计 算结果越接近实际解，但是，受计算速度和计算机容量的限制，不可能把网格划分的太细。 由于所选择的数学模型、离散方法、计算方法和初边值条件的不同，对于同一个物理模型的 计算结果可能不同，因此，必须根据所研究对象的特征及研究的内容选择恰当的模型和求解 1 

http://www.paper.edu.cn 方法。 由于编写CFD码需要精通流体动力学、 数值方法和计算机编程理论及相关知识，不 可能人人都能够编写。因此，为了避免应用 CFD时花费大量精力去考虑有关偏微分方 程的求解过程和计算机编程技巧，很多计算 机软件公司相继开发出了不少CFD码软件 包，用户只要定义好计算对象的范围，输入 对象的物理模型、求解方法、初始条件和边 界条件等，CFD码就可以通过不断迭代计算 求得结果[3]。目前常用的商业CFD软件有： Star-CD、FIRE、KIVA、CFX-5、FLUENT、 PHOENICS。 3．CFD 在发动机模拟中的发展 建立控制方程 确定初始条件及边界条件 划分计算网格、生成计算节点 建立离散方程 离散初始化条件和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 解收敛否 是 显示和输出计算结果 图 1 CFD 求解流程 否 传统的发动机设计过程，即基于宏观概念的经验外推、在台架上反复调试、对比以及各 种“集总”参数的半经验分析、试凑等方法，花费大、周期长、适用性小、效果不大明显， 而应用 CFD 技术对发动机的工作过程进行模拟计算，不仅提供的信息量大，而且花费小、 周期短、适用性强，能够在短时间内进行广泛的变参数研究，为开发新型发动机和旧发动机 性能的提高提供指导。 CFD 在发动机数值模拟中的研究，最早可追溯到 19 世纪 60 年代末 R.S.Benson 所开展 的工作，他利用一维模型计算气道中的气体流动，获得成功。随着人们对发动机研究的深入， 计算机技术及相关学科的发展，CFD 在发动机模拟方面也经历了一个由简单到复杂的发展 过程。 在研究初期，由于受相关学科的发展程度及计算机发展水平的限制，对常规的工作过 程计算进行了很大的简化，主要是采用零维模型。它以时间作为唯一变量，假定系统边界内 各点参量完全相同，用常微分方程对系统内的状态变化进行描述，可以预测某些参数变化对 发动机性能的影响。但是，零维模型忽略了燃烧过程中复杂的物理-化学反应过程的本质， 无法从本质上把握其规律性，因而不能预测排放物的生成。 准维模型是在零维模型的基础上建立的，与零维模型一样，它也是以时间为唯一变量。 但是为了预测内燃机的排放特性，发展了一些分区模型。在这些模型中把燃烧室分为几个区， 在不同区域内考虑性质不同的物理过程，而每个区域内的物理参数则是均匀的，与空间坐标 无关。准维模型在一定程度上能够反映有关参数随燃烧室空间位置的变化，对于特定的机型， 2 

http://www.paper.edu.cn 可以较准确的预测其燃烧过程的主要性能参数，还能在一定程度上预测排放性能，相对于多 维模型，计算成本非常低。但同零维模型一样，远不能从木质上去揭示有关燃烧现象的机理。 发动机的工作过程极其复杂，进气及压缩过程存在着非常复杂的动力学行为，是多种 复杂场的叠加，其特性严重影响油气混和过程及燃烧过程。多维模拟以时间和空间尺度为自 变量，通过计算能够提供内流系统空间任意位置、任意时刻的速度、压力、温度、组分浓度、 紊动能等的分布，进而进行燃烧、放热规律、火焰传播、污染物生成分析等，为改进现有发 动机结构、开发新型燃烧系统提供预见性指导。 总之，零维模型和准维模型都具有形式简单、便于计算的特点，适于一般性能预测及对 发动机的综合参数进行研究。多维模型可以向内燃机研究和设计人员提供有关燃烧过程的更 多的有用信息。随着人们对紊流混合、火焰形成及传播机理、传热及边界条件等方面的研究 的进一步深入以及计算机技术等相关学科的飞速发展，多维模拟将会更加完善，它代表了发 动机模拟的发展方向。 4．CFD 技术的国内外应用现状 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。目前比较有代表性的内燃机多维数值模拟计算程序有英国帝国理工学 院的 PHOENICS、STAR- CD，奥地利 AVL 研究所的 FIRE 以及美国 Los Alamos 国家实验室 开发的 KIVA 软件。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的应 用，取得了与实验结果比较吻合的计算结果，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。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[4]。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。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，他们采用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[5]；2001 年，Augusto C. M.Moraes，Jeffrey C. 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 [6] ；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[7]； 2004 年，Ugur Kesgin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 [8]。 我国科学工作者应用CFD技术在发动机数值模拟方面也进行了大量的研究，如李隆键 等人应用CFD对具有两个进气道的JL475 发动机气道内三维可压缩湍流流动进行了数值模 3 

http://www.paper.edu.cn 拟，得出了气阀在不同升程下的进气流量系数，并将计算结果与试验结果进行了比较分析， 得到了很好的一致性[9]；韩义勇等人用CFD软件对直喷柴油机螺旋进气道进行了三维数值模 拟，通过气道稳流试验对模拟计算得到的两项评价参数进行验证，得出两者发展趋势吻合良 好的结论[10]；项里程等人应用Boost软件建立电喷发动机加速工况的完整模型对发动机加速 工况进行模拟，并对模拟结果进行了试验验证，模拟结果具有较高的精度[11]；此外，我国 科学工作者对发动机内部工质流动特性、发动机的燃烧产物、着火稳定性等方面也进行了研 究，并根据模拟结果进行优化设计。 5．发展与展望 现代科学技术尤其是计算机技术的发展，为发动机中众多问题的研究和解决提供了有利 的手段。CFD 不是单纯的理论分析，而是更近于试验的研究，且极大地依靠一些较简单的、 线性化的、与原问题有关的严格数学分析，以及依靠边试边改的方法和试验所得的经验公式， 它来源于实践，是发动机现代设计所必需的有力工具之一。由于计算机硬件的发展和数值技 术的改进，CFD 已经成为一种极为有效的科学手段，具有巨大的发展潜力，在发动机的研 究中将发挥越来越大的作用。然而，CFD 模拟的精度再好，它毕竟不可能真正代表实验， 模拟和现实之间还是存在着差别，因此，CFD 的应用必须小心谨慎。 参考文献 [1] 蒋炎坤. CFD 辅助发动机工程的理论与研究. 科学出版社. 2004. [2] 王福军.计算流体动力学分析:CFD 软件原理与应用. 清华大学出版社.2004. [3] 王建平.计算流体动力学(CFD)及其在工程中的应用[J]. 机电设备,1994,(05). [4] Gosman A D, Ahmed A M Y. Measurement and Multidimensional Prediction in an axisysmmetic port,valve assembly. SAE 870592,1987. [5] 罗马吉,黄震,蒋炎坤,陈国华.内燃机进气过程多维数值模拟的研究.车用发动机,2003,(10). [6] Augusto C. M.Moraes，Jeffrey C. Buell，Robert M. Fefencz．In-cylinder cold flow simulation using a finit element method．Comput.Methods ppl.Mesh.Engrg．190(2001)3069-3080. [7] 王桂芝,赵长禄. 汽油机工作过程数值模拟的研究进展[J]. 车辆与动力技术,2004,(02). [8] Ugur Kesgin．Study on the design of inlet and exhaust system of a stationary internal combustion engine．Energy Conversion and Management 46 (2005) 2258–2287. [9] 李隆键,余涛,张小燕,汪正胜. 四气门发动机进气流动特性的数值建模[J]. 热科学与技术,2004,(03). [10] 韩义勇,罗廉,王晓艳,罗光缉. CFD 在柴油机螺旋进气道评价中的应用[J]. 装备制造技术,2005,(02). [11] 项里程,帅石金,王建昕. 电喷汽油机瞬态加速工作过程的数值模拟[J]. 车用发动机,2002,(04). 4 

http://www.paper.edu.cn The Application of CFD on Numerical Simulation of Engine Shuhua Cui ， Yanan Hu Northeast Forest University，harbin，PRC，150040 Abstract The functional theory of CFD and its development in the process of engine simulation are introduced, studies on engine with CFD is especially presented. Keywords：CFD；numerical simulation；engine 5