應(yīng)貴平　王海燕

摘要：隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多柴油機(jī)仿真技術(shù)的軟件。該文主要介紹的是matlab/simulink、AVL BOOST軟件、CFD軟件AVL-Fire軟件、simDiese軟件、Visual C++軟件。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī)；仿真技術(shù)；軟件

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）26-6246-03

Abract： With the development of computer technology， there have been many diesel engine simulation software. the paper mainly describes the matlab / simulink， AVL BOOST software， CFD software AVL-Fire software， simDiese software， Visual C + + software.

Key words： Marine diesel engine； simulation technology； software

電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了船舶柴油機(jī)仿真技術(shù)的仿真，仿真技術(shù)的如何更好地反應(yīng)我們所研究柴油機(jī)的工作特性是科研工作者一直所追求的目標(biāo)，根據(jù)船舶柴油機(jī)的性能、型號(hào)和所要求的不同，建立不同仿真模型，運(yùn)用各種不同的仿真軟件，從而達(dá)到我們的要求。下面是作者總結(jié)的幾種仿真軟件。

1 Matlab/simulink軟件

Matlab/simulink軟件是math公司推出的，它創(chuàng)建了各種不同功能的工作模塊，并且還能根據(jù)實(shí)際情況自創(chuàng)負(fù)荷自己需要的模塊，極大準(zhǔn)確的仿真了在柴油機(jī)工作過(guò)程。它通過(guò)容積法建模把柴油機(jī)的工作過(guò)程劃分為一系列的工作容積，包括汽缸、排氣管、渦輪增壓器、中冷器、掃氣箱，他們通過(guò)流動(dòng)和能量聯(lián)系在一起，概括了柴油機(jī)的基本工作過(guò)程[1]。它的仿真模型圖如下：

這仿真過(guò)程是通過(guò)能量守恒、質(zhì)量守恒、氣體狀態(tài)方程，再忽略它的邊界條件，建立起一系列的微分方程，再通過(guò)simulink模塊根據(jù)以上原理進(jìn)行串接起來(lái)，得到柴油機(jī)的仿真系統(tǒng)模型，然后對(duì)其進(jìn)行仿真，得出它的仿真曲線，通過(guò)與實(shí)際工作過(guò)程曲線進(jìn)行對(duì)比，找出誤差，然后再對(duì)其仿真模塊進(jìn)行改進(jìn)，得出精確的仿真曲線。這就是matlab/simulink仿真軟件運(yùn)用在船舶仿真技術(shù)的工作原理。由于simulink中包含了不同種類的模塊，包含了不同的作用，使我們根據(jù)一定的工作原理對(duì)其建模相對(duì)容易，而且模塊層次相對(duì)清晰，對(duì)柴油機(jī)建模方便快速，效率高，界面豐富，是現(xiàn)在對(duì)柴油機(jī)建模仿真用的比較多的軟件。

由于該軟件主要采用的是容積法建模，我們需對(duì)其進(jìn)行一列的假設(shè)，這樣才能使他的精確性相對(duì)較高，假設(shè)如下：氣缸的工質(zhì)混合均勻，氣缸的工質(zhì)為理想氣體，就是它的工質(zhì)符合理想氣體狀態(tài)方程，即工質(zhì)性質(zhì)只與溫度和缸內(nèi)的成分有關(guān)；氣體流入和流出缸內(nèi)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。用容積法建模，然后用matlab/simulink仿真的學(xué)者主要是大連海事大學(xué)的王海燕，張均東等。

2 AVL BOOST軟件

AVL BOOST軟件是為了建立一整臺(tái)柴油機(jī)的模型而開(kāi)發(fā)的一套軟件，主要是對(duì)柴油機(jī)熱力循環(huán)模擬計(jì)算的軟件，它能在柴油機(jī)的設(shè)計(jì)階段，就能預(yù)測(cè)它的穩(wěn)態(tài)性能，而且還能分析成型的柴油機(jī)熱力工作過(guò)程，還能對(duì)柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)、換氣過(guò)程等發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行模擬，為用戶建立一個(gè)包括各種附件（如空氣濾清器）的柴油機(jī)工作模型[2]。由于該軟件主要是對(duì)柴油機(jī)建模的熱力過(guò)程的分析，因此我們?cè)谟肁VL BOOST軟件進(jìn)行仿真建模時(shí)最主要的就是把它的數(shù)據(jù)參數(shù)主要設(shè)置為氣缸的燃燒過(guò)程。

根據(jù)前人科研研究的成果，我們對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程（主要是燃燒）建模主要有對(duì)燃燒放熱率的計(jì)算，零維模型、準(zhǔn)維模型、多維模型，然后我們運(yùn)用AVL BOOST軟件根據(jù)我們所選的機(jī)型，選擇合適的模型進(jìn)行仿真[3]。由于用AVL BOOST軟件要根據(jù)每種機(jī)型的的不同來(lái)建立它的模型，但它的主要設(shè)計(jì)的計(jì)算模型基本上都是一樣，有如下：首選我們要選定所建模型的數(shù)據(jù)資料，其次我們將柴油機(jī)分成幾個(gè)比較容易處理的系統(tǒng)，根據(jù)AVL BOOST軟件提供的模塊進(jìn)行建模，最后我們將數(shù)據(jù)資料輸進(jìn)AVL BOOST軟件我們所建的模塊，進(jìn)行模擬計(jì)算。我們通過(guò)對(duì)其所建的模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證然后進(jìn)行改進(jìn)。

通過(guò)用AVL BOOST軟件柴油機(jī)熱力循環(huán)模擬的計(jì)算，分析它的模擬計(jì)算結(jié)果，以及它的仿真曲線，與實(shí)際所測(cè)的結(jié)果基本符合，我們可以得出用AVL BOOST軟件進(jìn)行建模仿真是可行的。該軟件為我們研究柴油機(jī)的燃燒過(guò)程提供了理論依據(jù)。利用AVL BOOST軟件不僅能對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程建模，還能對(duì)它的故障模擬進(jìn)行建模，不僅能對(duì)四沖程還能對(duì)二沖程柴油機(jī)。

3 CFD軟件AVL-Fire軟件

CFD軟件AVL-Fire軟件主要是對(duì)主要是對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、燃燒進(jìn)行模擬，該軟件所用的燃燒模型主要是多維模型，科研工作者主要是對(duì)柴油機(jī)的某種機(jī)型進(jìn)行分析模擬，然后推廣到其它類型的柴油機(jī)。它們把柴油機(jī)工作過(guò)程在不同時(shí)刻的氣體流動(dòng)、燃油噴霧霧化、壁面?zhèn)鳠帷㈩w粒的形成進(jìn)行分析。

我們運(yùn)用CFD軟件AVL-Fire軟件分析它的工作過(guò)程主要是建立它的數(shù)學(xué)模型，主要步驟如下：建立三維幾何模型、劃分計(jì)算網(wǎng)格、計(jì)算傳熱邊界條件、定義邊界條件、建立計(jì)算模型、模擬計(jì)算、后處理。這些數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確建立，有利于我們我們用CFD軟件AVL-Fire軟件分析燃燒過(guò)程的準(zhǔn)確性[4]。

我們應(yīng)用該軟件是對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程的模擬，能在較少的時(shí)間內(nèi)獲取大量的而準(zhǔn)確的工質(zhì)流動(dòng)、傳熱、噴霧、及燃燒信息。而且我們建立的燃燒模型采用是采用多維模型模擬，能使我們我們所計(jì)算的結(jié)果更能接近實(shí)際情況，得出的結(jié)論也更有參考價(jià)值。

4 SimDiese軟件

simDiese軟件是大型渦輪增壓柴油機(jī)的模擬計(jì)算軟件，它將渦輪增壓柴油機(jī)簡(jiǎn)化分成三個(gè)原件表示：工質(zhì)的接受原件、流動(dòng)原件和軸表示。由于柴油機(jī)工作過(guò)程復(fù)雜，有很多不可預(yù)測(cè)性，所以我們將其簡(jiǎn)化時(shí)必須遵循能量守恒定律，質(zhì)量守恒定律，動(dòng)量守恒定律，根據(jù)這些守恒定律我們能得出一系列的等式，微分方程，然后依據(jù)simDiese軟件對(duì)其進(jìn)行建模，對(duì)該軟件的模型輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出仿真結(jié)果。運(yùn)用simDiese軟件對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程：首先建立柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后輸入我們已知的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用該軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得出結(jié)果，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析[5]。運(yùn)用simDiese軟件設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但非常有效。雖然所建的模型對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，但該模型卻能真實(shí)的反映實(shí)際工作過(guò)程的趨勢(shì)。

學(xué)者通過(guò)對(duì)D6114型渦輪增壓柴油機(jī)運(yùn)用該simDiese軟件計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際各性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，能夠很好的反映柴油機(jī)的性能參數(shù)，說(shuō)明該仿真軟件有較高的精確度，能夠很好地模擬低工況工作性能。

5 Visual C++軟件

我們可以對(duì)大型柴油機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和建模，然后可以用Visual C++軟件對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行編程，模擬柴油機(jī)的工作過(guò)程，得到缸內(nèi)工作過(guò)程的一組示功圖工作曲線，與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明用Visual C++軟件用該軟件進(jìn)行模擬的可行性，正確性和實(shí)用性。與各種軟件一樣，在仿真之前都要對(duì)其進(jìn)行建模，建模都需要缸內(nèi)工作過(guò)程其進(jìn)行假設(shè)如下：缸內(nèi)工作過(guò)程為零維模型、缸內(nèi)工質(zhì)為理想氣體、氣體的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng)，把缸內(nèi)燃燒向外放熱的過(guò)程看作是外界向系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)加熱的熱力過(guò)程等，然后根據(jù)能量守恒、質(zhì)量守恒和氣體狀態(tài)方程建立一系列等式和微分方程建立一系列柴油機(jī)的缸內(nèi)工作的數(shù)學(xué)模型，最后用Visual C++軟件進(jìn)行編程，它的計(jì)算框圖如圖2[7]：

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著電腦技術(shù)的飛躍發(fā)展，仿真軟件會(huì)得到飛躍的發(fā)展，在船舶領(lǐng)域也會(huì)運(yùn)用的更加成熟。仿真軟件主要是為了簡(jiǎn)化柴油機(jī)的研究過(guò)程，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)現(xiàn)已成為研究柴油機(jī)各種性能的主要手段，極大的縮短了研究柴油機(jī)時(shí)間，簡(jiǎn)化了研究成本，并且有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性。各仿真軟件在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行仿真過(guò)程有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有的主要是在專門(mén)用于仿真柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的工作過(guò)程，還有的只是專門(mén)針對(duì)各自的機(jī)型。

總之我們運(yùn)用各仿真軟件主要是為了更好地研究柴油機(jī)，簡(jiǎn)化柴油機(jī)的工作過(guò)程，使柴油機(jī)的工作過(guò)程越精確，使其更好的為人類服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王海燕.大型低速船用柴油機(jī)建模與系統(tǒng)仿真[D].大連：大連海事大學(xué)，2007.

[2] 王凱，周娜，蘇鐵熊.16V396TE54柴油機(jī)工作過(guò)程仿真研究[J].現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力，2012，147：27-29.

[3] 張雁鵬，安世杰.船用二級(jí)增壓柴油機(jī)工作過(guò)程計(jì)算模型簡(jiǎn)化研究[J].船舶工程，2013，42（3）：103-109.

[4] 施愛(ài)平，葉麗華，燕明德，丁仲毅.柴油機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（3）：40-50.

[5] 廖志義，葛富榮.淺談內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值計(jì)算[J].江蘇船舶，2009，26（2）：30-31.

[6] 羅玉君，陳輝，孫俊.柴油機(jī)工作過(guò)程模擬計(jì)算[J].船海工程，2006，170：15-18.

[7] 徐斌.船舶動(dòng)力裝置仿真中的仿真控制系統(tǒng)[J].交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2002，25（1）：34-39.