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1.2.2 CFD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 问题的求解过程见图1-1[5]
。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。网格划分得越细，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， 不可能把网格划分得太细。 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方法。
1.2.3 CFD技术在国内外的应用状况
湍流模型的完善、数学方法的发展、高速大容量计算机的引进等为 CFD 辅
助发动机的研究提供了较好的条件。 由于三文模拟对物理过程的描述及边界条件
的确定更接近实际，因而有更大的发展潜力。目前比较有代表性的内燃机多文数
值模拟计算程序有英国帝国理工学院的 PHOENICS、STAR- CD，奥地利 AVL
研究所的FIRE 以及美国Los Alamos国家实验室开发的 KIVA软件。近年来，这
些软件都得到了迅速发展，并已在世界各地得到了广泛的应用，取得了与实验结
果比较吻合的计算结果，显示了较强的预报能力，对内燃机的研制、开发、设计
及实验研究有很大的启示作用和参考价值。
各国科学工作者或是利用现有的 CFD 软件或是自行开发程序对发动机的工
作过程进行了大量的研究。1987 年，Gosman 和 Ahmed 对轴对称进气道-气门-
缸内稳态流动进行了实验和计算研究[6]
。他们采用热线风俗以测量了不同气门升
程时的流量系数、平均速度和湍流雷诺应力场，并用流动可视化研究做了补充。
1994年， J. C. Dent和A. Chen进行了弯曲进气道内稳态流动的实验和计算研究，
他们采用Star-CD程序预测了受可变气门升程和气道形状影响的流场结构，并验
证了模拟结果的可行性[7]
；2001年，Augusto C. M.Moraes，Jeffrey C. Buell等人
提出了基于有限元法解决缸内非稳定流的新的数值模拟策略[8] ； 2002年， I.Yavuz
和 I.Celik 用多区燃烧模型进行了敲缸预测，对发动机的爆震问题作出了贡献[9]；
2004 年，Ugur Kesgin 应用 AVL 的 Boost 和 Fire 软件对发动机进排气系统进行
模拟研究，并对其进行优化设计 [10]。
我国科学工作者应用 CFD 技术在发动机数值模拟方面也进行了大量的研究，
如李隆键等人应用 CFD 对具有两个进气道的 JL475 发动机气道内三文可压缩湍
流流动进行了数值模拟，得出了气阀在不同升程下的进气流量系数，并将计算结
果与试验结果进行了比较分析，得到了很好的一致性[11]
；韩义勇等人用 CFD 软
件对直喷柴油机螺旋进气道进行了三文数值模拟，通过气道稳流试验对模拟计算
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