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先进的计算流体动力学
直喷发动机建模
R . D. R e it z，美国威斯康星大学，和
Y. S U n，通用汽车公司，美国
摘要：三维计算流体动力学（CFD）是一个有效的和可接受的发动机研究、设计与开发。本章的重点是对发动机的CFD模拟在缸现象。本章回顾了各种发动机的CFD模型和他们的直接注入（DI）的研究与开发应用引擎。这些模型包括湍流、喷雾、燃烧、排放等相关模型和子模型。
关键词：计算流体动力学（CFD），建模，直接注入（DI）发动机燃烧和排放，数值模拟。
18.1简介
随着计算机处理速度的迅速增加和发动机的数值模型和计算方法的不断改进，多维度的计算流体动力学（CFD）已经成为发动机研究公认的工具，自上世纪70年代末开始设计和开发。它是更多的在汽车行业和学术界的关注广泛。在这一章中，重点是对发动机的CFD模拟缸现象。发动机的CFD模型和他们的直接注入（DI）的研究与开发应用引擎综述。在该领域的当前状况和未来的发展趋势进行了讨论。
首先，基本的方法用于发动机CFD DI发动机建模综述。
他是由各种目前用于发动机的CFD模拟，模型包括对湍流、喷雾、燃烧、排放和其他相关模型。在每个类别中，并积极应用于发动机的CFD模拟子模型和它们的适用范围、优缺点进行了讨论和比较。而不是给每个模型的完整细节，基本思想概述和每个模型的相关参考文献。主要强调的是燃烧模型本章。在此之后，最流行的CFD代码用于发动机仿真及其特点进行了介绍和比较。最后，发动机的CFD模拟以前的应用程序，它的现状，以及一些所面临的挑战和未来的发展趋势进行了讨论。
18.2基本方法
CFD模拟在柴油机应用的流量可以分为基于相关标准的不同类别，包括两和三维流动，单和多组分流动，单、多相流、层流和湍流流动，可压缩与不可压缩流动、化学反应和非反应流、瞬态和稳态流动，和亚超音速流动。
例如，流动的水衣，进气歧管，进气端口，和EGR冷却器单相非反应流。建模这些流量是比较容易的。然而，流入发动机气缸，排气口，排气管，和后处理装置通常是多相反应流。建模这些流量需要更复杂的数学模型来描述相应的物理和化学过程。本章的重点是后者，特别是建模的物理和化学过程，在发动机气缸。
在内燃机气缸流动的多维、多相、多组分、湍流、可压缩、无功流动。基本控制方程，流体的连续性（质量守恒）、动量（Navier–斯托克斯方程），能源，和湍流（通常为K–E方程）方程和状态方程（理想气体定律）。假设包括理想气体定律的使用，Fick定律的扩散，和其他人，根据模型的细节。
虽然不是欧拉–欧拉和拉格朗日欧拉–（即离散液滴/颗粒）分别为气–流动的液体，方法，可以用来解决两相流问题，–欧拉拉格朗日方法已经应用在大多数发动机的CFD模拟。在欧拉–拉格朗日方法，气相处理为连续和欧拉公式是用来描述气相流动。液相作为离散颗粒组成和使用拉格朗日方法描述，其中液滴颗粒为代表的组合运用离散颗粒法（dukowicz，1980）。粒子的拉格朗日描述避免数值扩散，并允许个人属性，如颗粒大小、速度、位置等，有分配给每个粒子。质量、气相和液相之间的动量和热量传递是通过源项占。
的欧拉气相方程的偏微分方程（组）。各种数值方法，如有限体积有限差分和有限元方法，即可得到偏微分方程的数值解。有限体积法、有限差分和有限元方法采用有限差分网格或网格细分计算区域分成多个小细胞近似连续的问题域。
大多数CFD软件模拟采用IC发动机由于其固有的保守性质的有限体积法。不论通过各种近似引入的误差，离散方程严格履行全球环境保护法律。有限体积法将控制方程的积分形式，涉及表面积分（通量）和体积积分（源和汇）。而不是使用逐点逼近一个网格，有限体积法近似的平均积分值在控制体积。这种方法也比其他方法更容易理解，更具有数学上的参与，因为所有的条款都具有明确的物理意义（如流量、力、源、汇、等）。
有限差分近似方程进行数值模拟求解。方程在空间和时间上的离散化。通常情况下，隐式差分格式允许使用大数值的时间步长。时间差分是相对于离散时间序列进行。空间差分通常是通过整合不同的方程在控制量（即一个计算单元），这在很大程度上保留了微分方程的局部守恒性质。
在先进的直喷式柴油机缸动力学涉及复杂的物理化学过程。基于上述基本方法，许多引擎的相关数值模型，描述湍流，注塑，喷涂，燃料/空气混合，点火，燃烧，发动机污染物的形成与传热过程，已经被开发并用于发动机模拟。这些模型是描述未来。
18.3 turbulence建模
缸内流动在IC发动机湍流可压缩流。不同复杂程度的许多湍流模型被提出，来模拟湍流流动
雷诺时均navier–stokes（全身）模型的湍流模型是最代表引擎的应用。特别是，k–e全身模型，模型和它的变体，已经用在发动机CFD模拟和应用到发动机是第一场。本案例中，K是E的湍流动能和耗散率是ITS。
最初，标准k–E模型用于发动机模拟源项 在方程（见表18.2）考虑到长度SCA。乐变化的速度扩张，-·U，和喷雾—诱导的源项（WS）在K和E方程。
在此之后，一种改进的K–E模型，它是基于归一化组（RNG）理论，首次提出了由Yakhot和Orszag（1986）。在RNG k方程版在标准版相同，但方程是基于一个更严格的数学推导，而不是使用经验常数。RNG k–E方程写为：
其中T为应力张量和M是动力粘度，和A和C的模型常数。
汉赖茨（1995）修正常数C3在RNG k–E模型要考虑压缩性影响。在修正的RNG k-ε–E模型
其中h是湍流比和平均流动时间尺度，m和n有关的气体的性质，和CM和CH是常数。
改进的RNG k-ε湍流模型–等细节均由汉、赖茨（1995），申请他们改进的RNG k–E型发动机模拟和结果与标准的K–E模型中观察到的改善。结果表明，该模型可以预测更现实的大型火焰结构与标准的K–E模型的比较。这些结构的缸内温度的预测和修正模型的影响，能够定量地提高单次喷射燃烧NOx排放预测案例（香港et al.，1995）
大涡模拟（LES）是模拟湍流流动的数值模拟技术引入科技（1963）。LES已经吸引了越来越多的关注和兴趣。Kolmogorov理论的自相似性意味着湍流大涡结构是依赖于设备的几何形状，而较小的涡旋是自相似的，具有普遍性。因此，LES的基本思想是解决大型涡旋（即那些可以解决计算网格）明确，模型更为普遍的小规模（亚网格尺度）通过一次网格尺度的使用在大网格涡（SGS）模型。相反，在所有的局部均值波动数值模拟。因此，LES已经超过预测的瞬时流量特性和解决的详细流场RANS的优势，如在内燃机循环周期的变化，以及平均流解决方案。捕捉到重要的动态特征，LES通常需要一个很细的网格因为大细胞如RANS模拟允许将抑制不稳定。因此，LES比RANS计算更昂贵。这是阻止了LES被广泛应用在此时发动机模拟的主要原因。然而，新的LES模型如动力相似模型（Hu et al.，2007）也已经提出，对粗网格的结果。
其他更复杂的模型，还可以用来模拟湍流发动机流动，如雷诺兹应力模型（RSM）（流槽et al.，1975）。然而，RSM不显示在发动机应用的精度和效率方面的明显优势，失败者。
当然，直接数值模拟（DNS）湍流是最令人满意的方式来解决湍流流动。在DNS中，纳维-斯托克斯方程的数值求解不诉诸任何湍流模型，这意味着对湍流的空间和时间尺度的范围必须在计算网格解决。因此，DNS需要更多的计算资源比LES也不会在可预见的未来，任何现实的发动机上的应用是可行的。
18.4喷雾建模
喷雾模型是发动机的CFD模拟非常重要，因为它们影响随后的混合、点火、燃烧和排放预测。喷雾模型包括描述流过喷嘴（喷嘴流动模型），燃料离开喷嘴后的连续液体雾化（初级破碎模型），所形成的液滴破碎（二次破碎模型），液相和气相之间的动量交换（即阻力，液滴的经验和液滴的变形），液滴和它的可能结果之间的碰撞（碰撞模型），喷雾剂和壁之间的相互作用（例如，墙–膜模型），对液体燃料的蒸发（蒸发模型）。喷雾模型是更详细的阿巴尼等人讨论。（2008）。
18.5点火建模
各种燃烧模型来模拟在火花各种燃烧现象点火（SI）和压缩点火（CI）引擎，包括点火和自动点火，层流和湍流燃烧，预混，非预混燃烧，混合控制燃烧动力学，和火焰传播燃烧。
SI发动机，燃烧模型的主要任务是描述火花点火，火核生长和火焰传播过程。CI发动机燃烧模型也必须解决两个步骤：低温化学导致自动点火，和下面的高温反应的贡献最大的热释放。描述的点火和燃烧过程模型在以下。
18.5.1点火模型
有两种类型的DI发动机点火过程中的兴趣：火花点火和自动点火。
火花点火
在SI发动机，火焰是由火花塞放电引发。由于发动机的CFD模型的典型长度和时间尺度通常比发展中国家更大的火焰核的点火过程，解决发动机CFD计算点火的细节和现象学的描述往往是用于发动机模拟完全是不可行的。
火花点火可以简单地通过增加能量经验的火花持续时间的点火单元模拟。对于不同层次的物理模型的会计也可以使用，如离散粒子点火内核（dpik）模型由风扇等人开发。（1999）后来又提高了谭和赖茨（2003）。在dpik模型、火焰内核假定火花时期是球形，悬浮在计算领域的许多粒子标记。这允许精确跟踪点火内核的生长不需要火花塞附近一个很细的网格。
自动点火
自动点火的燃料和氧化剂的化学性质敏感，以不同的形式存在，如敲在Si（如汽油）在CI发动机和压燃式（例如，常规柴油）发动机。自动点火过程可以通过一个简单的模型，或通过使用详细的化学反应动力学机制，这将在后面讨论。
多步壳点火模型（Halstead等人，1977）建立了预测烃类燃料使用的简化反应机理的自动点火。壳模型的前提是，退化分支在确定冷焰和二级点火现象是碳氢燃料自动点火过程中观察到，起着重要的作用。它是第一个实现在KIVA CFD代码和应用在发动机模拟港和赖茨（1993）。它已被广泛用于在CI发动机自燃预测。
壳模型包括五个物种和八的一般反应，代表起始、扩展、分支和终止步骤。五物种包括燃料（RH），氧气（O2）、基（R）、支化剂（B）和中间物种（Q）。的反应和物种
参与点火模型如下：
其中P代表氧化产物包括CO、CO2和H2O。最初的反应速率常数是由Halstead等人给出的。（1977）。但是，它已经表明，点火延迟时间主要由反应18.4控制（D），其速率常数往往是“微调”匹配的实验数据（例如，hamosfakidis和赖茨，2003）。
点火模型只用于低温化学。点火后（即，当气体的温度高于1000 K ~），下面描述的燃烧模型模拟接管和随后的第二阶段的高温燃烧。
18.5.2燃烧模型
由于在直喷式柴油机燃烧是本节的重点是湍流，湍流燃烧模型。不同复杂程度的许多湍流燃烧模型被提出，用于发动机的应用，包括基于RANS和LES湍流模型。然而，由于RANS模型，特别是K–E模型和它的变种，是最常用的湍流模型，目前，这一部分强调基于K–E模型，燃烧模型。
总的来说，有两个方式来描述燃烧过程引擎缸。一个是使用子模型来描述燃烧的燃烧特性（即，工作委员会和火焰传播的反应，等）的燃烧过程。燃烧模型，如混合燃烧火焰面模型、控制模型和模型的概率密度函数（PDF）属于这一类。其他的方式是使用一个详细的反应机制，在复杂的反应途径和反应进行的化学反应的重要成员参与在燃烧过程和解决率的变化为每个物种的机制。下面是两个方法了。
在所描述的模型，这是使用双变量模型是本文介绍。第一部分是第一和第二（z）的反应进度变量是（C）。混合物组分的质量分数quantifies当地材料，起源从reactant燃料。它主要用于在分析和建模系统（扩散燃烧反应。为premixed燃烧系统的反应进度变量，是用来。《进步者从零变到unburned reactants在Unity中燃烧的产品。在计算的进度变量的质量可以与任何特定的物种（燃烧的部分产品）或温度。
阿伦尼乌斯模型
最简单的阿伦尼乌斯模型假设对反应物转化为产品的一次全球反应。这意味着化学反应的速率，以阿伦尼乌斯的形式。由于该模型忽略了复杂的反应路径和湍流对化学反应速率的影响，这是不奇怪的模式只能用在一个狭窄的范围的操作条件下，模型参数的校准与实验。
湍流混合控制模型
湍流混合控制燃烧模型的基本前提是，混合气的燃烧速率是由湍流混合速率所决定，而不是由化学反应速度。在一些发动机上的应用，如在传统的柴油发动机扩散燃烧，湍流混合发生化学反应（相对缓慢相比，高ouml;Damk hler数）。在这种情况下，它是合理的预期，物种和焓湍流输运将控制因素。
对湍流预混燃烧，涡破碎（EBU）由斯伯丁建议的模型（1971）是第一个模型，在这个群体中，在燃烧和未燃烧的气体被认为是位于不同的漩涡，和化学转化率是由涡耗散率和波动的燃料质量分数或过程变量。在EBU模型，反应速率可表示为
在YF 2的燃料质量分数和宿务的波动模型常数。当K–ε湍流模型或其变体的使用，涡破裂时间TTmicro;K / E.
非预混湍流燃烧，马格努森和Hjertager（1976）修正EBU模型并
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