基于LES和POD的GDI汽油機氣體湍流流動仿真

基于LES和POD的GDI汽油機氣體湍流流動仿真

采用汽油缸內直噴（GDI）技術能夠有效降低汽油機的燃油消耗和CO2排放，因而被廣泛應用在汽油機上，形成GDI汽油機。未來的排放法規將變得越來越嚴格，因而仍然需要對目前應用較為廣泛的GDI汽油機進行優化。對于GDI汽油機而言，燃燒室內氣體（汽油蒸氣和空氣）的形成流動過程直接影響其性能。若能對GDI汽油機燃燒室內氣體的流動過程進行建模，則可以通過仿真的方法對GDI汽油機進行優化，縮短開發成本和開發周期。

GDI汽油機缸內氣體的湍流流動十分復雜，因而對其進行模擬時，可將氣體的湍流運動分解成平均運動和脈動運動兩部分。由于脈動運動被視為完全不規則的隨機運動，因而過去對氣體湍流運動建模使用雷諾平均方法（RANS）只是對平均運動進行了建模，忽略了存在的脈動運動，針對此情況，采用了大渦模擬（LES）建模方法。建模時，先對燃燒室內形成的瞬態流場進行空間過濾，并對過濾出來的大尺寸渦團進行直接模擬，對過濾掉的小尺寸渦團進行亞網格模擬。對小尺寸渦團模擬的目的是用來表示小尺寸渦團對整個燃燒室內氣體湍流的影響。通過設置不同的過濾尺寸，則可以調整小尺寸渦團的影響；過濾尺寸越小，小尺寸渦團對整個燃燒室內氣體湍流的影響越小。根據計算能力和建模精度要求進行過濾尺寸的設置，則能夠得到理想精度的仿真結果。建模后，采用本征正交分解（POD）技術對燃燒室內氣體湍流運動特性進行分析，該技術能夠對燃燒室內氣體湍流運動產生的速度場、溫度場和濃度場等進行分析，并提供更多燃燒室內氣體湍流運動的非直觀信息。通過將LES建模方法和POD技術應用在30個GDI汽油機循環周期的試驗數據上進行仿真，并將結果與其它試驗結果進行對比，從而驗證了LES建模方法和POD技術的有效性和精度。

Nicholas J. Beavis et al. SAE2016-01-0598.

編譯：陳丁躍