摘 要

湍流运动是缸内的一种不规则且复杂的气流运动，一定强度的湍流运动可以改善柴油机的燃油和空气的混合，促进CO和HC的氧化，进而改善燃烧和排放。因此，对湍流的研究就显得比较重要。湍流运动的、不确定性和随机性，使得对湍流的研究存在一定的困难。由于平均N-S方程的不封闭性，为了使其封闭，我们引入了湍流模型。随着计算机技术的不断发展，湍流模型也逐渐得到发展和完善，对湍流的模拟的准确性也在逐渐提高。

本次毕业设计通过选用k-ζ-f湍流模型、k-ε湍流模型、RSM湍流模型和AVL复合湍流模型等四种湍流模型，采用FIRE软件对发动机设计课程的内燃机的缸内温度、压力、放热率和排放特性进行数值模拟，对根据模拟结果对着火时刻和排放物生成位置进行预测，最后分析不同的湍流模型模拟存在的差异及原因。

在本次模拟计算中，k-ε湍流模型和k-ζ-f湍流模型的燃烧特性和排放特性基本一致；四种湍流模型燃烧的放热量基本相同，但k-ε湍流模型和k-ζ-f湍流模型最早开始燃烧，AVL复合湍流模型最晚燃烧；k-ζ-f湍流模型、k-ε湍流模型、RSM湍流模型的排放特性基本相似，AVL复合湍流模型在排放方面和其它湍流模型存在一定的差距。

关键词：湍流模型；FIRE；燃烧；排放；数值模拟

Abstract

Turbulence movement is an irregular and complex airflow movement in the cylinder. A certain intensity of turbulence movement can improve the mixing of diesel fuel and air, promote the oxidation of CO and HC, thus improve combustion and emissions.Therefore, the study of turbulence is very important. The uncertainty and randomness of turbulent motion make it difficult to understand turbulence. Due to the non-closure of the average N-S equation, a turbulence model is introduced to make it closed. With the development of computer technology, the turbulence model has been developed , and the accuracy of turbulence simulation has been improved a lot.

The graduation design through choosing k-ζ-f turbulence model, k-ε turbulence model, the RSM turbulence model and AVL compound turbulence model and so on four kind of turbulence model, using software FIRE engine design course in cylinder of internal combustion engine temperature, pressure, a numerical simulation of the heat release rate and discharge characteristics of according to the simulation results to forecast the ignition time and the emissions generated position, in the final analysis the different turbulence model to simulate the differences.

In this simulation, k-ε turbulence model and the k-ζ-f turbulent combustion hace a same emission characteristics; Four kinds of turbulence model combustion heat quantity basic same, but k-ε turbulence model and k-ζ-f turbulence model began to burn firstly, AVL composite turbulence model is the most late combustion; k-ζ-f turbulence model, k-ε characteristics of turbulence model, the RSM turbulence model basic similar, AVL compound turbulence model in terms of emissions and other turbulence model is different.

Keywords: Turbulence model；EIRE；combustion；emission；numerical simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景和意义 1

1.2湍流模型研究的现状 1

1.3内燃机CFD软件现状 2

1.4本文的主要研究工作 3

第2章 内燃机数值模拟技术基础 4

2.1流体动力学控制方程 4

2.2湍流模型的选择 4

2.2.1 S-A单方程模型 4

2.2.2 k-ε双方程模型 4

2.2.3 k-ζ-f四方程模型 5

2.2.4 RSM模型 6

2.2.5 LES模型和AVL复合湍流模型 7

2.3其他模型 7

2.4本章小结 7

第3章 不同湍流模型下柴油机总体燃烧特性 8

3.1柴油机燃烧模型的建立 8

3.2网格的生成 8

3.3计算参数的设置 9

3.4对缸内整体燃烧过程计算分析 9

3.4.1对缸内燃烧过程的瞬时放热率进行分析 9

3.4.2对缸内燃烧过程的平均压力进行分析 10

3.4.3对缸内燃烧过程平均温度进行分析 11

3.5本章小结 12

第4章 不同湍流模型下瞬时的燃烧特性 13

4.1燃烧室内温度场分布 13

4.1.1 k-ζ-f湍流模型在不同曲轴转角时刻的温度 13

4.1.2 k-ε湍流模型在不同曲轴转角下的温度 14

4.1.3 RSM湍流模型在不同曲轴转角下的温度 15

4.1.4 AVL复合湍流模型在不同曲轴转角下的温度 16

4.2不同湍流模型的湍动能 18

4.2.1 k-ζ-f湍流模型的湍动能 18

4.2.2 k-ε湍流模型的湍动能 19

4.2.3 RSM湍流模型的湍动能 20

4.2.4 AVL复合湍流模型下的湍动能 21

4.3 不同湍流模型NO生成 22

4.3.1 k-ζ-f湍流模型的NO生成 22

4.3.2 k-ε湍流模型的NO生成 22

4.3.3 RSM湍流模型的NO生成 23

4.3.4 AVL复合湍流模型的NO生成 24

4.4不同湍流模型的碳烟生成 25

4.4.1 k-ζ-f湍流模型的碳烟生成 25

4.4.2 k-ε湍流模型的碳烟生成 26

4.4.3 RSM湍流模型的碳烟生成 26

4.4.4AVL复合湍流模型的碳烟生成 27

4.5本章小结 28

第5章 全文总结与展望 29

5.1全文总结 29

5.2未来展望 29

致谢 30

参考文献 31

第1章 绪论

1.1研究的背景和意义

近年来，我国的乘用车的销量不断增加，目前已经连续十一年位居世界首位。据有关部门预测，我国汽车保有量可能在今年年底超过美国。汽车产销量的不断增加势必会加剧石油等燃料的消耗。为此，除了加快开发新能源汽车以外，改善内燃机的燃烧过程仍具有一定的现实意义。

为了改善内燃机的燃烧过程，对内燃机的工作过程的了解就显得尤为重要。湍流运动是一种无规律的随机的运动，对内燃机的燃烧速率和排放特性有着直接的影响。因此，准确模拟内燃机的缸内运动对改善内燃机的燃烧和排放有着重要意义^[1]。目前，随着计算机技术的发展和人们研究的不断深入，目前我们对湍流的研究主要通过平均N-S方程的求解、大涡模拟（LES)和直接数值模拟（DES）三种方法进行求解。但是由于大涡模拟和直接数值模拟成本比较高，还无法在工程中运用。目前，主流的方法是求解平均N-S方程来进行计算。但是，因为N-S方程本身是不封闭的，因此，引入了湍流模型使其封闭。这样一来，湍流运动的准确性就取决于湍流模型的好坏。因此，寻找合适的湍流模型对研究和改善内燃机缸内的燃烧和排放特性具有重要的指导意义。

1.2湍流模型研究的现状