FIRE 典型应用的分析思路和结果评估方法舒 红 闫小俊 （AVL 中国先进模拟技术，上海）一． 前言 在长期与客户的技术交流和提供技术支持的过程中，我们认识到尽管我们提供了很多 FIRE 典型应用的算例，在培训中也介绍了相关理论背景和应用经验，但由于客户的背景参 差不齐，关注点和兴趣也各不相同，同时 CFD 在发动机领域的应用涉及到很多专业知识， 对用户的要求比较高，所以我们感到有必要结合我们了解到的用户在 FIRE 应用中遇到的各 种各样的问题和困难，把 FIRE 几种典型应用的模拟计算思路和对结果的分析评价方法做更 系统的总结，指出一些重点和要注意的方面，供用户尤其是新用户参考。

二． FIRE 几种典型应用 1. 进排气歧管 这是最常见的 FIRE 应用之一，这种计算可根据需要分三个层次来进行。

A） 如果简单地评估各歧管的通流能力，并找出流动损失较大的区域，可只进行稳态 计算。

以图 1-1 为例，计算四个 Case，分别是出口 1 定义为出口，其他出口定义 为壁面；仅出口 2 定义为出口；仅出口 3 定义为出口；仅出口 4 定义为出口的情 况。

这里入口条件可以是流量，出口条件给静压，由于考虑数值计算的收敛性， 当定义出口为静压时要求出口处没有回流，所以对有些模型（如模型出口面离拐 弯段很接近，明显会有回流）可能需要将出口段延长（可以在原模型的网格上利 用 FAME 的 MESH TOOLS 里的 Enlarge）Extrude 来延长出口管体网格） 。

对计算 结果的处理可以通过比较四个 Case 的进口和出口的总压差来评估各个歧管的通流 能力，以及沿管长方向总压变化的曲线（如图 1-2）找出压力损失最大的部位，结 合对三维流场的分析提出改进结构设计的建议。

出口 12 3 4入口图 1-1 进气歧管示意图图 1-2 某六缸机进气歧管两种设计方案－两种工况下 沿某一歧管长度方向总压变化曲线 B） 如需评估发动机实际运行时各缸的充气均匀性或 EGR 的分布均匀性，那么应该做 瞬态计算。

两种情况下的计算分析思路如下： 充气均匀性研究：计算模型仍以图 1-1 为例，现在四个出口面都要作为出口定 i. 义，并且进出口都要给瞬态边界条件，一般建议由一维工作过程计算软件如 BOOST 算出的相应位置的瞬态压力作为进出口边界条件。

计算结果一般取一 个循环的各歧管出口的平均流量来进行比较，评价各缸充气均匀性。

有研究表 明，按 A)中介绍的稳态计算得到的充气均匀性和按这里介绍的瞬态计算得到 的结果会有较大差别，图 1-3 所示的是某四缸发动机分别按稳态和瞬态方法计 算得到的各缸流量与平均值的差别，可见稳态计算的结果可能会产生误导，所 以研究充气均匀性还是要以瞬态计算为准。

ii.图 1-3 某四缸发动机充气均匀性研究结果 计算 EGR 进入进气歧管后的分布均匀性：图 1-4 所示的是一个带 EGR 的进气 歧管，这个计算需要定义两个入口，入口 1 为新鲜空气入口，而 2 为 EGR 入 口。

在 FIRE 的求解器里需激活 Species Transport 模型，该模型激活后，Inlet condition 定义的界面上除了通常的定义流量等的窗口，还会出现填 入 EGR mass fraction 和相应的 Equivalence ratio 的窗口，那么入口 1 的 EGR 率为 0， 而入口 2 的 EGR 率则应填入 1。

这里进出口条件都应为瞬态条件。

图 1-5 为 FIRE 计算出的四个出口在一个发动机循环中 EGR 率的变化曲线。

结合图 1-4也可以看出出口 1 和 2 的 EGR 率比较高，而出口 3 和 4 则因靠近总管和 EGR 管的转弯处，得到的 EGR 就相对较少。

因为刚进入的 EGR 气体还未来得及与 新鲜空气充分混合，在复杂的三维流动作用下，更多的 EGR 流向远处，从而 造成最远端的出口 EGR 率最高。

通过这样的计算和分析，我们就可以定量地 评价这样的 EGR 管的布置是否合理， 同时从提高 EGR 与新鲜空气充分混合的 角度提出改进方案。

1 1 2 3 42high图 1-4 某带 EGR 的进气歧管模型及 EGR 率分布low图 1-5 四个出口在一个发动机循环中 EGR 率的变化 C） 如想从 BOOST 获得更精确的瞬态边界条件来计算歧管内的三维流动，或更进一步 研究进气歧管结构形状的改进对发动机性能的影响，则可考虑 FIRE 与 BOOST 的 耦合计算。

这样在 BOOST 建立的整个发动机模型中进气歧管部分将由 FIRE 的三 维计算模型取代，一些具体的注意事项如下。

1. 与单独的管道计算相同，1D3D 联合计算中 3D 的求解域在边界的选取上也要尽 量避免产生回流区的地方,并且尽量保证边界面与求解域的垂直，并且这个垂直 的区域在流动方向是至少有一倍直径的长度。

如果无法做到上述要求，可以人 为的将边界处的求解域延长 5 至 10mm 的长度，如下图：图 1-6 3D 流动区域的选取原则和方法 2. 一维三维的联合计算在交界面上边界条件的选取对计算的收敛性和结果的精确 性有较大影响，有两种边界条件可以选取即压力和流量，由于在 boost 计算中要 对压力进行重新的修正，因此在靠近阀门的地方比如气门或节气门处，避免使 用压力边界条件，而采用流量边界条件，例如进气歧管的出口边界应采用流量， 需要注意的是流动的方向，流出为负，流入为正。

另外如果在边界上因为实际 结构的原因无法避免有强烈的流动分离和回流的现象，此时应该采用流量边界 条件保证结果的精确性。

3. 一维三维的联合计算在计算的流程上一方面要考虑计算的精确度，另一方面需 要尽量的节省计算时间，因此在 boost 建立模型的时候，对应的 3D 模拟的区域 也需要建立起一维模型，这样可以先单独的进行一维计算得到一维收敛条件下 的结果，然后以一维计算得到的结果作为 3D 的边界条件进行 3DFire 的单独计 算，其目的是对 3D 的流场进行初始化，最终才是 1D 和 3D 的联合计算，即在 每一个计算步长上 1D 和 3D 都进行边界条件的交换。

整个计算流程的控制都是 自动的，用户只需要输入 1D 单独计算，3D 单独计算和联合计算的循环数目即 可，如下图：图 1-7 计算流程的控制用户关心的是如何来设置这些计算的循环数值的大小，我们的推荐如下：boost 单独循环的数目可以在 boost 界面中开始计算， 即人为的只计算 boost 一维模型， 观察其达到收敛所需要的循环数目，以这个数目设置 boost－only 的循环数，Fire 的单独计算其目的是初始化，因此 1 个循环就可以。

Fire 和 boost 的联合计算一 般需要 2－3 个循环才能达到计算的收敛。

，计 4. 一维三维的联合计算具有建模过程复杂（分别需要建立一维和三维的模型） 算周期较长（需要 3－4 个循环的三维计算达到收敛标准）的特点，因此很多用 户关心其计算的必要性，我们的经验是当进气管路的布置越复杂，三维流动的 特征越明显，其对发动机性能的影响就越难以在一维模型中准确的反应出来， 此时一维三维联合计算的预测精度会越高，其必要性越大。

图 1-8 1D-3D 联合计算的必要性 上图是针对一个可变进气歧管进行 Fire 单独计算和 Fire 与 boost 联合计算得到的 结果比较，可变进行歧管由于要根据不同发动机工况的要求进行歧管和稳压腔 结构上的转化，因此其结构非常复杂。

左上图是 Fire 单独使用 Boost 计算所提 供的边界条件计算得到的一个 8 缸机每个气缸的流量分配，可以看出与其它气 缸相比，一缸的流量分配是最少的，右上图中橙黄色的曲线代表的是 Boost 和 Fire 联合计算得到的一缸的流量，其与 Fire 单独计算的结果有很大差别。

因此 对应复杂的进气歧管布置，我们推荐一定要进行 1D-3D 的联合计算。

2.进气道 进气道的设计对发动机性能的影响起着非常重要的作用，这一点是毋庸质疑的。

在 多年的气道设计开发中人们总结出两个定量描述进气道特性的参数，一个是流量系数， 一个是涡流/滚流比，这两个参数都随气门升程变化。

其中流量系数直接决定气缸的充 气量，而涡流/滚流比对缸内混合气的形成、发展，燃烧扩散的速度和稳定性等等都起 着重要的作用。

研究表明，提高流量系数会增加充气量，因而提高发动机功率，而增强 涡流/滚流有助于燃烧的发展并提高燃烧的稳定性，但是提高流量系数的同时涡流/滚流 比会降低，反之亦然，所以常常需要在这两者之间取得一个折衷。

在 FIRE 里，我们可 以在算出三维流场的基础上通过公式很方便地计算出这两个量， 但用户更关心的可能是 对这些结果如何评价，以及如何提出改进目标和具体改进方案。

我们知道内燃机主要分柴油机和汽油机两大类别， 由于传统的柴油机和汽油机的结 构、喷油形式和组织燃烧的方式都不同，所以进气道的设计有很大差别，柴油机采用的 是螺旋式气道， 通过在缸内形成强烈的涡流使缸内直喷的燃油和空气在短时间内充分混合，实现快速均匀稳定的燃烧；而汽油机主要通过在缸内形成滚流来组织快速燃烧或混 合气体分层稀燃，所以采用的是直气道或切向气道。

对于柴油机的螺旋气道来说，我们主要关心的是气道流量系数和涡流比的计算，改 进设计的目标往往是提高流量系数，当然要以牺牲部分涡流强度为代价，或优化的目标 是在达到一个目标涡流比的情况下取得最大的流量系数。

气道的 CFD 分析建立的计算 域几何模型与气道稳流实验台的布置应是一致的， 计算流量系数和涡流比的方法也应该 是一样的，这样才可能做直接的对比。

图 2-1 所示的是一典型柴油机双进气道的计算模 型，气道前端的空腔模拟的是气道试验台的稳压箱，气缸长度一般取 2.5 倍缸径，也与 实验台（如图 2-2 所示）的设置基本相同。

这样加长气缸有两个考虑：一是基本可以保 证出口处不会有回流，这对数值计算的收敛很重要（因出口处设静压边界条件要求不能 有回流） ；二是测涡流强度的叶轮（AVL 测试方法）是布置在距缸盖 1.75 倍缸径的位置， 该位置不能过于靠近出口，以免受到出口流动情况的影响。

Cylinder Head Paddle Wheel Manomoeter∆p BypassTankSharp Edge Orfice Blower图 2-1 某柴油机气道计算模型 图 2-2 典型的 AVL 气道稳流试验台布置图 流量系数的定义为实际流量与理论流量的比值，在 FIRE 里可在求解器界面的 Write 2D result file 里选择相应的公式来计算，这里实际流量是取的出口处的流量，这就 是为什么要选择 outlet 这个 selection。