基于LES和POD的GDI汽油机气体湍流流动仿真

基于LES和POD的GDI汽油机气体湍流流动仿真

采用汽油缸内直喷（GDI）技术能够有效降低汽油机的燃油消耗和CO2排放，因而被广泛应用在汽油机上，形成GDI汽油机。未来的排放法规将变得越来越严格，因而仍然需要对目前应用较为广泛的GDI汽油机进行优化。对于GDI汽油机而言，燃烧室内气体（汽油蒸气和空气）的形成流动过程直接影响其性能。若能对GDI汽油机燃烧室内气体的流动过程进行建模，则可以通过仿真的方法对GDI汽油机进行优化，缩短开发成本和开发周期。

GDI汽油机缸内气体的湍流流动十分复杂，因而对其进行模拟时，可将气体的湍流运动分解成平均运动和脉动运动两部分。由于脉动运动被视为完全不规则的随机运动，因而过去对气体湍流运动建模使用雷诺平均方法（RANS）只是对平均运动进行了建模，忽略了存在的脉动运动，针对此情况，采用了大涡模拟（LES）建模方法。建模时，先对燃烧室内形成的瞬态流场进行空间过滤，并对过滤出来的大尺寸涡团进行直接模拟，对过滤掉的小尺寸涡团进行亚网格模拟。对小尺寸涡团模拟的目的是用来表示小尺寸涡团对整个燃烧室内气体湍流的影响。通过设置不同的过滤尺寸，则可以调整小尺寸涡团的影响；过滤尺寸越小，小尺寸涡团对整个燃烧室内气体湍流的影响越小。根据计算能力和建模精度要求进行过滤尺寸的设置，则能够得到理想精度的仿真结果。建模后，采用本征正交分解（POD）技术对燃烧室内气体湍流运动特性进行分析，该技术能够对燃烧室内气体湍流运动产生的速度场、温度场和浓度场等进行分析，并提供更多燃烧室内气体湍流运动的非直观信息。通过将LES建模方法和POD技术应用在30个GDI汽油机循环周期的试验数据上进行仿真，并将结果与其它试验结果进行对比，从而验证了LES建模方法和POD技术的有效性和精度。

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

编译：陈丁跃