内燃机数值模拟与优化

数值模拟软件是卡脖子的关键技术。另一方面，掌握内燃机数值模拟的基本原理，创造性地实现模型构建，用好数值模拟软件，则是解决这一卡脖子技术的第一步。

内燃机数值模拟是计算流体力学在内燃机领域里的延伸，这一新技术正快速发展并成为现代内燃机研究与开发不可缺少的手段。《内燃机数值模拟与优化》一书介绍了内燃机数值模拟及优化的基本理论和*新进展。主要内容分三个部分：第一，内燃机燃烧过程的基本理论和数值模拟的基本数学描述；第二，内燃机中湍流、喷雾、燃烧和污染物生成等现象的物理化学模型；第三，数值模拟在内燃机燃烧系统开发和设计优化中的应用。《内燃机数值模拟与优化》在理论上反映了近年来在数值模型方面取得的主要研究成果，内容侧重体现模型的实用性；在应用方面，结合作者在此领域长期的研究成果和经验积累，给出了许多针对新型发动机关键设计问题的优化应用实例。本书结合理论与应用，可供动力机械与工程热物理、机械工程、能源动力等学科的本科生和研究生学习，也可供在汽车发动机、混合动力、内燃机动力装置等领域从事教学、科研、产品设计与开发等相关工作的科技人员和工程师参考借鉴。

本书作者在20世纪90年代初在美国威斯康星大学麦迪逊分校发动机研究中心（ERC）攻读博士学位，并开始进入内燃机数值模拟领域，在内燃机湍流、传热、喷雾破碎、喷雾碰壁等方面提出了一些原创性物理模型，并得到了较为广泛的应用。作者在美国福特汽车公司福特研究实验室（FRL）工作时，与团队一起开发了公司内部发动机多维模型MESIM的前期版本，建立了公司内部发动机燃烧CFD前置设计优化的方法，把数值模拟技术应用于直喷汽油机等新型燃烧技术的研究与开发中，并取得了很好的成果。回国后，作者在湖南大学、同济大学指导研究生，继续开展内燃机数值模拟方面的理论研究和企业应用推广工作。本书体现了作者在内燃机数值模拟领域里的研究成果和经验积累。本书作者的研究成果也连续多年使其位居爱思唯尔高被引科学家之列。

前言
主要缩写用词
主要符号定义
第1章绪论1
1.1汽车发动机的近期发展与未来展望2
1.2内燃机多维数值模拟的作用9
参考文献14
第2章内燃机燃烧的基本理论19
2.1热力过程分析19
2.2汽油机的混合气形成和燃烧26
2.3柴油机燃烧35
2.4优选的低温燃烧概念39
参考文献46
第3章喷雾化学反应流体的数学描述50
3.1控制方程和喷雾方程50
3.1.1气相控制方程50
3.1.2喷雾方程52
3.2数值计算方法54
3.3边界条件57
3.3.1一般性描述57
3.3.2速度对数壁函数59
3.3.3温度壁函数和壁面传热61
参考文献66
第4章内燃机缸内湍流69
4.1往复式内燃机的湍流特性69
4.1.1缸内流动69
4.1.2湍流尺度74
4.2雷诺平均（RANS）方法和经典k-ε模型79
4.2.1RANS方法79
4.2.2经典k-ε模型81
4.3重整化群（RNG）k-ε模型83
4.3.1RNG方法83
4.3.2变密度流体RNGk-ε模型85
4.3.3RNGk-ε模型的其它变形90
4.4大涡模拟（LES）91
4.4.1LES方法和亚网格模型91
4.4.2内燃机模拟示例96
参考文献104
第5章燃油喷雾110
5.1一般性描述110
5.1.1多维喷雾模拟110
5.1.2喷雾的结构参数113
5.2燃油破碎雾化116
5.2.1燃油喷射的数值处理116
5.2.2液柱射流的破碎雾化118
5.2.3液膜的破碎雾化122
5.3油滴动力学128
5.3.1二次破碎128
5.3.2碰撞和聚合131
5.3.3运动阻力?变形和湍流扩散134
5.4燃油蒸发135
5.4.1单组分蒸发模型135
5.4.2多组分蒸发模型139
5.5喷雾碰壁现象145
5.5.1喷雾碰壁的形态146
5.5.2碰壁结果的模型151
5.5.3壁面油膜动力学与传热160
参考文献170
第6章燃烧与污染物生成179
6.1概述179
6.2特征时间模型182
6.2.1模型构建182
6.2.2柴油机燃烧模拟184
6.3小火焰面方法188
6.3.1水平集G方程189
6.3.2火花点燃发动机燃烧模拟191
6.4亚网格直接化学反应方法194
6.4.1方法描述194
6.4.2均质压燃（HCCI）燃烧模拟198
6.5化学反应动力学机理及简化201
6.6点火和着火模型205
6.6.1火花点燃205
6.6.2压缩着火207
6.7氮氧化物和碳烟排放的生成模型208
参考文献214
第7章优化直喷汽油机燃烧222
7.1优选的燃烧开发方法222
7.1.1模拟引导的方法222
7.1.2优化算法概述228
7.2常用的内燃机计算流体力学程序和软件229
7.3直喷汽油机的喷雾刻画231
7.4壁面引导直喷系统的油气混合240
7.4.1均匀混合气的形成240
7.4.2分层混合气的形成248
7.5燃油湿壁与碳烟及碳氢排放254
7.6喷雾引导直喷系统和增压直喷系统的油气混合261
参考文献270
第8章优化柴油机和替代燃料发动机燃烧275
8.1直喷柴油机275
8.1.1降低排放的燃油多次喷射275
8.1.2螺旋气道和燃烧室形状284
8.1.3冷起动的排放288
8.2替代燃料发动机293
8.2.1火花点燃式天然气发动机295
8.2.2天然气-柴油双燃料RCCI燃烧301
8.2.3生物柴油的燃烧与NOx排放309
参考文献312