曹永娣，杜明侠，李 辉，柏春良

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

FLUENT在发动机工作过程数值模拟中的应用

曹永娣，杜明侠，李 辉，柏春良

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

利用CFD技术可求解流体的流动、传热、燃烧、多相流及化学反应等控制方程，且信息量大、费用低、周期短、效率高.FLUENT是应用面最广、影响最大的CFD软件.将FLUENT用于发动机工作过程数值模拟中，阐述其处理过程和求解步骤，为研究发动机工作过程的研究提供了一种方法.

发动机;数值模拟;FLUENT

发动机性能的好坏是决定汽车行驶性能的最主要因素.影响发动机性能的因素包括发动机的全部工作过程:进气、压缩、燃烧、膨胀以及排气.实验台架和经验是传统的设计方法，其设计费用高、效率低、耗时长，难以满足市场需求［1］.CFD技术是借助计算机通过求解流体流动、传热、燃烧、化学反应及多相流等的守恒控制偏微分方程组，来进行数值预测.与实验相比较，运用CFD技术模拟发动机的工作过程，得到的信息量大，而且费用低、周期短、效率高，能够反应各运转参数及结构参数对发动机性能的影响程度.与传统方法相比，CFD技术是一种更简洁、更高效的研究发动机工作过程的重要方法.FLUENT是应用面最广、影响最大的CFD软件，可实现流场、喷雾、燃烧及排放的计算，对发动机进排气道内的气流运动、气缸内的喷雾燃烧等进行系统的分析.笔者主要介绍了FLUENT在发动机工作过程数值模拟分析的具体实现过程，为发动机工作过程分析提供了一种方法.

1 处理过程

FLUENT软件包含3个基本环节:前处理、求解和后处理，在发动机内流动数值模拟过程中，与之对应的模块为前处理器、求解器和后处理器.

1.1 前处理

前处理器主要用于完成前处理工作，FLUENT中自带的前处理器是Gambit.Gambit软件包含几何建模功能和功能强大的网格划分工具，可划分出包含边界层等有特殊要求的高质量的网格.

1.1.1 构造几何模型

在模拟发动机工作前，用Gambit建立气缸以及进排气道等的三维几何模型，对形状复杂、不能简化处理的发动机模拟也可以通过Pro/E，SolidWorks，CTIA，ANSYS等软件造型，将这些模型保存成Gambit可接收的格式并导入到Gambit中，这样就生成了几何模型.发动机的喷嘴、进排气道以及燃烧室等结构很复杂，可通过其他软件造型后导入Gambit.

1.1.2 网格划分

生成几何模型后，要进行网格划分.解决三维问题时，Gambit常用的网格单元有:Hex，Hex/Wedge和Tet/Hybrid;常用的网格类型有:结构网格、块结构网格、非结构网格和混合网格.如图1所示，由于发动机局部模型复杂，如气门部位往往直接采用混合网格TGrid，易于划分成功，提高模拟精度.

1.1.3 指定边界类型和区域类型

Gambit中需先选定求解器，然后指定各区域和边界的类型.发动机进排气和燃烧的模拟，涉及到多个区域，有混合气运动的流体区域，还有气门以及活塞、各管道壁面等的固体区域，在模拟前必须指定区域类型和边界类型，将各区域区分开来.如图2所示，将进气歧管中氢气－空气混合气的入口面定义类型为VELOCITY_INLET.

完成上述3个步骤即完成了发动机几何模型的网格生成，将文件保存并导出FLUENT可以接收的.mesh格式的文件.

1.2 求解过程

打开FLUENT界面，将上面的.mesh文件导入到FLUENT中，开始发动机模拟的核心过程——求解.求解器的核心是数值求解方案，包含有限差分法、有限体积法和有限元法等.上述各方法的流动变量近似方法和对应的离散化过程不同，FLUENT软件采用的是有限体积法.求解发动机的流动、传热、瞬态和稳态等问题，其过程可按以下步骤进行.

1.2.1 建立控制方程

求解任何问题前要建立控制方程，发动机工作过程涉及燃料的混合、燃烧和燃烧后各组分的浓度分析，实际中内燃机内流动包含层流和湍流等流动状态，因此其控制方程包含质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程外还应包含状态方程、组分质量守恒方程、湍流的Reynolds时均方程以及湍流模型方程(如图3所示)等.

图3 湍流模型选取

尽管上述诸多方程有不同的因变量，但它们均反映了单位时间内单位体积物理量的守恒，因此可用以下通用形式来表达，

式中各项分别为瞬态项、对流项、扩散项和源项.

1.2.2 确定初始条件和边界条件

初始条件和边界条件合称为定解条件，只有当它们确定后，流场才有唯一的确定解.

确定边界条件是FLUENT分析问题中至关重要的一部分，对所有问题都要指定边界条件.发动机工作过程模拟的流动边界条件较简单，而与燃烧相关的传热边界条件较复杂，其常用的边界条件有:流动进、出口边界，给定压力边界，对称边界，壁面边界和周期边界等［4］.初始条件相对简单，稳态问题不需给定初始条件，而瞬态问题，必须给定各计算点的变量初值.

1.2.3 划分计算网格

前处理的网格划分中已有简单介绍.发动机工作过程中，不同曲轴转角对应的气门和缸内活塞的运动位置不同，要想求得不同时间下流场的物性参数，就要先得到不同曲轴转角对应的网格节点坐标，然后生成气门和活塞运动时的动态网格.动态网格的划分质量是影响计算精度和效率的关键因素之一，FLUENT软件中的动网格变形方法有3种:弹簧压缩式(Smoothing)，动态铺层式(Layering)和局部网格重构式(Remeshing)［5］.如图 4 所示，在解决发动机气门和活塞运动问题时，一般采用3种网格变形方法的组合.

图4 活塞动网格变形方法设置

1.2.4 控制方程的求解

用数值方法求解控制方程前要建立离散化方程.FLUENT使用的离散化方程的方法是有限体积法，施加离散化的边界条件和初始条件后再给定求解控制参数就可以进行离散方程的求解了.

内燃机缸内流场计算的方法主要有2种:一种是Hirt C W等提出的任意拉格朗日－欧拉法(ALE)，另一种是解压力耦合方程的半隐式(SIMPLE)及其改进型［3］.FLUENT提供了分离解法和耦合解法，2种方法的求解方程一致，但求解过程和方法不同.

数值计算结果一般要经过多次迭代，迭代过程中要监视解的收敛性，达到设定精度后即结束迭代过程.

1.3 后处理

求得各计算节点的值后，需要将整个计算区域上模拟的速度场、温度场、浓度场等的分布情况用形象的图形或表格表示出来，以便分析发动机工作过程的影响因素.在FLUENT基础上，可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图和云图等方式表示上述结果［6］.

2 结语

论述了FLUENT在发动机工作过程数值模拟中的应用，分别介绍了前处理器Gambit的建模及网格生成功能，求解器的计算求解和分析过程以及后处理功能，可为相关研究参考.

［1］李向荣，付经伦，马维忍.内燃机内流动的研究［J］.车用发动机，2003(1):1－5.

［2］王锡斌，蒋德明，董学尧.内燃机工作过程数字模拟中的 CFD［J］.拖拉机与农用运输车，2002(4):32 －34.

［3］沈建平.内燃机缸内流场数值模拟研究现状及发展［J］.车用发动机，1997(1):7 －13.

［4］周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实例分析［M］.北京:中国水利水电出版，2010.

［5］江帆，黄鹏.FLUENT高级应用与实例分析［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［6］何志霞，王谦，袁建平.数值热物理过程［M］.镇江:江苏大学出版社，2009.

Application of FLUENT in Numerical Simulation of the Engine Working Process

CAO Yong-di，DU Ming-xia，LI Hui，BAI Chun-liang
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

CFD technology can solve the governing equations of the fluid including flow，heat transfer，combustion，multiphase flow and chemical reactions，and it features a large amount of information，low cost，short period and high efficiency.However，FLUENT is a kind of CFD software with the most widely application and the greatest influence.Thus，this paper mainly introduces the application of software FLUENT in numerical simulation of the engine working process and describes particularly the specific operation steps.Based on the profound study，the paper proposes a method to simulate the engine working process.

engine;numerical simulation;FLUENT

1002－5634(2012)02－0108－03

2012－01－27

曹永娣(1985—)，女，河北衡水人，硕士研究生，主要从事发动机燃烧及模拟方面的研究.

(责任编辑:杜明侠)