随着新能源的开发及日益严格的排放法规的执行,天然气以其在储量、燃烧和排放等方面的优势成为城市公交车发动机上广泛应用的燃料。在天然气发动机设计和开发过程中,深入了解缸内过程机理不可或缺,随着计算机水平的发展,借助计算流体力学(CFD)数值模拟技术对缸内流动及燃烧过程进行分析和研究必不可少。本文运用计算流体力学、燃烧学等专业基础知识对稀燃天然气发动机的缸内流动和燃烧过程进行了深入地研究,借助大涡模拟(LES)和火焰面概念对缸内的湍流预混燃烧过程进行模拟,通过试验数据对该模型进行深入地评估,基于评估结论提出了能够反映湍流燃烧速度随局部流场变化的动态系数模型,目的是建立精度更高、更适用于工程的缸内过程预测模型,最后将所发展的模型应用到天然气发动机的性能优化中。首先针对预混稀燃天然气发动机工作过程的特点,在综合前人对火焰面G方程燃烧模型研究成果的基础上,给出了LES的控制方程及亚网格模型,并对符合内燃机实际工况的火焰岛区以及薄反应区的G方程进行过滤,得到G方程大涡模拟的控制方程及亚网格模型,然后结合离散粒子点火火核模型和GRI-MECH2.11中的甲烷/空气燃烧的反应机理,建立了缸内工作过程的大涡模拟G方程数学模型。基于所建立的数学模型,用KIVA程序对一款单点喷射天然气发动机的缸内流动、燃烧过程进行了多维瞬态数值建模,并在典型的性能优化算例中对该模型进行了验证计算,发现该大涡模拟G方程模型对不同燃烧室燃烧发展期、快速燃烧期的预测结果在变化趋势上与实测值具有较高的一致性,但是具体数值与实验结果相差较大;在较高涡流比条件下,对不同进气涡流比下的燃烧循环变动的预测结果在变化趋势上也与实测值基本一致,同样存在具体数值与实验结果有明显差距的现象。根据预测误差借助于火焰面G方程燃烧模型中的瞬态火焰,推导了自动获取燃烧速度系数的动态系数模型,并将其取代静态系数应用到前述的气体机缸内过程多维数值计算模型中,结果表明:随燃烧的进行,动态系数波动较为明显,且平均值均小于静态系数;不同燃烧室采用动态系数计算燃烧期的误差明显小于采用静态系数的计算误差,与实测值比较,误差在7.5%以内;对于燃烧循环变动来说预测也有了明显的改善,除了涡流比1.5时计算误差比较大之外,其余各点的计算误差均在5%以内,这说明动态系数模拟在工程上具有实用价值。最后将动态系数的大涡模拟G方程模型应用于预混稀燃天然气发动机的性能优化中,对采用进气门在下止点前关闭的进气方式结合提高压缩比的米勒系统进行了仿真计算,根据计算结果选出最优方案进行试验研究,结果表明所选方案很好的实现了对原机的优化,因此所建立的动态系数大涡模拟G方程模型达到了提高预混稀燃天然气发动机的设计和开发效率,减少新产品的研发时间,节约研发成本的目的。