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CFD在发动机数值模拟中的应用

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

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