基于LES和POD的GDI汽油機(jī)氣體湍流流動(dòng)仿真

采用汽油缸內(nèi)直噴（GDI）技術(shù)能夠有效降低汽油機(jī)的燃油消耗和CO2排放，因而被廣泛應(yīng)用在汽油機(jī)上，形成GDI汽油機(jī)。未來的排放法規(guī)將變得越來越嚴(yán)格，因而仍然需要對(duì)目前應(yīng)用較為廣泛的GDI汽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于GDI汽油機(jī)而言，燃燒室內(nèi)氣體（汽油蒸氣和空氣）的形成流動(dòng)過程直接影響其性能。若能對(duì)GDI汽油機(jī)燃燒室內(nèi)氣體的流動(dòng)過程進(jìn)行建模，則可以通過仿真的方法對(duì)GDI汽油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，縮短開發(fā)成本和開發(fā)周期。

GDI汽油機(jī)缸內(nèi)氣體的湍流流動(dòng)十分復(fù)雜，因而對(duì)其進(jìn)行模擬時(shí)，可將氣體的湍流運(yùn)動(dòng)分解成平均運(yùn)動(dòng)和脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩部分。由于脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)被視為完全不規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因而過去對(duì)氣體湍流運(yùn)動(dòng)建模使用雷諾平均方法（RANS）只是對(duì)平均運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了建模，忽略了存在的脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，針對(duì)此情況，采用了大渦模擬（LES）建模方法。建模時(shí)，先對(duì)燃燒室內(nèi)形成的瞬態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行空間過濾，并對(duì)過濾出來的大尺寸渦團(tuán)進(jìn)行直接模擬，對(duì)過濾掉的小尺寸渦團(tuán)進(jìn)行亞網(wǎng)格模擬。對(duì)小尺寸渦團(tuán)模擬的目的是用來表示小尺寸渦團(tuán)對(duì)整個(gè)燃燒室內(nèi)氣體湍流的影響。通過設(shè)置不同的過濾尺寸，則可以調(diào)整小尺寸渦團(tuán)的影響；過濾尺寸越小，小尺寸渦團(tuán)對(duì)整個(gè)燃燒室內(nèi)氣體湍流的影響越小。根據(jù)計(jì)算能力和建模精度要求進(jìn)行過濾尺寸的設(shè)置，則能夠得到理想精度的仿真結(jié)果。建模后，采用本征正交分解（POD）技術(shù)對(duì)燃燒室內(nèi)氣體湍流運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，該技術(shù)能夠?qū)θ紵覂?nèi)氣體湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)等進(jìn)行分析，并提供更多燃燒室內(nèi)氣體湍流運(yùn)動(dòng)的非直觀信息。通過將LES建模方法和POD技術(shù)應(yīng)用在30個(gè)GDI汽油機(jī)循環(huán)周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上進(jìn)行仿真，并將結(jié)果與其它試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證了LES建模方法和POD技術(shù)的有效性和精度。

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

編譯：陳丁躍