在各种湍流运动形式中,内燃机缸内湍流流动可以说是最为复杂的一种运动之一当发动机工作时,其缸内气体充量始终在进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动。该运动不仅具有单循环高度的不定常性,同时又具有多循环变化的高度随机性,是内燃机工作和燃烧过程中各个物理化学子过程的一个共同的基础,强烈地影响到内燃机的燃油经济性和排放水平。大涡模拟方法的兴起突破了传统内燃机数值模拟的局限性,可以客观合理的再现流场瞬态细节,成为人们正确的认识内燃机缸内湍流现象的强有力工具。本文使用大涡模拟方法对内燃机缸内湍流特性及循环变动展开数值计算,研究了缸内湍流场演变特性,包括瞬态湍流脉动、拟序结构以及流场循环变动,以期对内燃机缸内湍流这种特殊现象的规律和特点获得比较深入的了解。本文主要完成的工作如下：首先对缸内湍流场的湍流脉动展开研究。(1)在大型发动机模拟程序KIVA-3V中添加了动态Smagorinsky模型,扩充了程序的大涡模拟计算模块。然后通过一台简化的气缸模型冷流试验对多个大涡模拟亚网格模型进行了实例验证,并与使用雷诺平均RNG模型计算得到的结果进行了比对。同时分析了网格密度、数值差分格式对缸内湍流场大涡模拟效果的影响。计算发现使用大涡模拟方法对缸内湍流场的模拟结果明显好于使用传统雷诺平均方法。无论是缸内湍流场的整体宏观流动,还是流场局部小尺度涡团的随机脉动,均可以被有效描述。在选用的亚网格模型中,动态Smagorinsky模型和亚网格单方程模型对于模拟缸内流场均有较好的表现。另外选用高精度的差分格式以及高密度的网格更有利于发挥大涡模拟的优势。本研究中使用的大涡模拟亚网格模型和计算网格体系可以有效地捕捉到流场90%以上的流场动能,从而保证了对实际发动机模拟的有效性。(2)对一台实际发动机的进气和压缩过程进行了大涡模拟计算,对流场整体空间分布、局部脉动细节、动能演变以及宏观流动参数等多方面进行了考察,并与试验测量结果进行了直接比对,发现进气射流是产生缸内强湍流场的主要原因,其次是缸体壁面以及活塞对工质流动的摩擦作用。随着进气射流强度的下降,湍流脉动逐渐削弱,流场的各向异性程度下降。另外发动机转速对缸内湍流场影响很大,湍动能、动能耗散率以及湍流涡粘系数均与活塞平均运行速度接近于正比关系。其次对缸内湍流场拟序结构展开研究。(3)采用大涡模拟结合涡结构识别的数学方法Q准则判别法对内燃机缸内湍流场的大尺度拟序结构特性展开研究。计算发现相比使用传统雷诺平均方法,使用大涡模拟方法可以更真实地反映的内燃机工作过程中缸内气体流动的细节和规律,它既能描绘缸内湍流流场中大尺度拟序结构的演变,又能够捕捉到小尺度湍涡的瞬态随机运动。同时还发现缸内流场拟序结构在进气冲程和压缩冲程阶段会经历：形成、生长、拉伸与破裂等一系列的变化,且其演化过程与缸内总动能及湍动能的变化规律有明显的相关性。这表明,拟序结构的存在与演化对于缸内湍能的产生及湍流的维持具有关键的作用。最后对缸内湍流场循环变动展开研究。(4)对实际发动机缸内冷态流场进行了多周期大涡模拟计算研究,完成了连续100个完整工作循环的模拟计算,并与试验结果进行直接比对,系统地研究了缸内湍流场循环变动特性。计算发现利用大涡模拟方法可以有效地识别并区分单一循环内的湍流脉动和各循环周期间的循环变动。发现二者均与进气射流强度有着明显的正相关性,且循环变动在强度上明显大于单循环内的湍流脉动。在进气前期缸内流场呈现出强湍流脉动和强循环变动,两者强度相当,但在随后的过程中,流场呈现强循环变动和弱湍流脉动的特点,湍流脉动和循环变动的相对强度保持在15%以内。多周期的运算结果还显示一些流场宏观流动参数,如涡流比、滚流比等都具有强烈的循环变动特点,同时还发现流场循环变动强度与发动机转数成正比,并直接受到气门最大升程的影响,减小最大气门升程,循环变动强度将显著增加。另外,通过相平均统计运算可以确定在研究发动机缸内流场循环变动时,若要实现相平均瞬时流场收敛,至少需要25个周期的数据采样；若要实现相平均脉动流场收敛则至少需要50个周期的数据采样。(5)应用本征正交分解(POD)方法对多周期大涡模拟湍流场数据库以及PIV实验数据库进行深度处理；提出POD四分解方法,将原始瞬态流场分解成平均流场、拟序流场、过渡流场和湍流流场。然后分别对各分流场的基本规律、演变特点和循环变动特性进行了详细的研究。发现各分流场的演变不仅有着各自独特的特点,同时相互之间还有着紧密的联系。在四部分分流场中,拟序流场的循环变动对整个流场循环变动起到决定性的作用,而湍流流场对整个流场循环变动的影响可近似忽略。