船舶柴油機仿真技術(shù)的綜述

應(yīng)貴平　王海燕

摘要：隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多柴油機仿真技術(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；仿真技術(shù)；軟件

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

電子計算機的發(fā)展促進了船舶柴油機仿真技術(shù)的仿真，仿真技術(shù)的如何更好地反應(yīng)我們所研究柴油機的工作特性是科研工作者一直所追求的目標，根據(jù)船舶柴油機的性能、型號和所要求的不同，建立不同仿真模型，運用各種不同的仿真軟件，從而達到我們的要求。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)實際情況自創(chuàng)負荷自己需要的模塊，極大準確的仿真了在柴油機工作過程。它通過容積法建模把柴油機的工作過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，他們通過流動和能量聯(lián)系在一起，概括了柴油機的基本工作過程[1]。它的仿真模型圖如下：

這仿真過程是通過能量守恒、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simulink模塊根據(jù)以上原理進行串接起來，得到柴油機的仿真系統(tǒng)模型，然后對其進行仿真，得出它的仿真曲線，通過與實際工作過程曲線進行對比，找出誤差，然后再對其仿真模塊進行改進，得出精確的仿真曲線。這就是matlab/simulink仿真軟件運用在船舶仿真技術(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)一定的工作原理對其建模相對容易，而且模塊層次相對清晰，對柴油機建模方便快速，效率高，界面豐富，是現(xiàn)在對柴油機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，我們需對其進行一列的假設(shè)，這樣才能使他的精確性相對較高，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)是準穩(wěn)態(tài)流動。用容積法建模，然后用matlab/simulink仿真的學者主要是大連海事大學的王海燕，張均東等。

2 AVL BOOST軟件

AVL BOOST軟件是為了建立一整臺柴油機的模型而開發(fā)的一套軟件，主要是對柴油機熱力循環(huán)模擬計算的軟件，它能在柴油機的設(shè)計階段，就能預(yù)測它的穩(wěn)態(tài)性能，而且還能分析成型的柴油機熱力工作過程，還能對柴油機實際循環(huán)、換氣過程等發(fā)動機的工作過程進行模擬，為用戶建立一個包括各種附件（如空氣濾清器）的柴油機工作模型[2]。由于該軟件主要是對柴油機建模的熱力過程的分析，因此我們在用AVL BOOST軟件進行仿真建模時最主要的就是把它的數(shù)據(jù)參數(shù)主要設(shè)置為氣缸的燃燒過程。

根據(jù)前人科研研究的成果，我們對柴油機工作過程（主要是燃燒）建模主要有對燃燒放熱率的計算，零維模型、準維模型、多維模型，然后我們運用AVL BOOST軟件根據(jù)我們所選的機型，選擇合適的模型進行仿真[3]。由于用AVL BOOST軟件要根據(jù)每種機型的的不同來建立它的模型，但它的主要設(shè)計的計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，其次我們將柴油機分成幾個比較容易處理的系統(tǒng)，根據(jù)AVL BOOST軟件提供的模塊進行建模，最后我們將數(shù)據(jù)資料輸進AVL BOOST軟件我們所建的模塊，進行模擬計算。我們通過對其所建的模型進行分析，驗證然后進行改進。

通過用AVL BOOST軟件柴油機熱力循環(huán)模擬的計算，分析它的模擬計算結(jié)果，以及它的仿真曲線，與實際所測的結(jié)果基本符合，我們可以得出用AVL BOOST軟件進行建模仿真是可行的。該軟件為我們研究柴油機的燃燒過程提供了理論依據(jù)。利用AVL BOOST軟件不僅能對柴油機的工作過程建模，還能對它的故障模擬進行建模，不僅能對四沖程還能對二沖程柴油機。

3 CFD軟件AVL-Fire軟件

CFD軟件AVL-Fire軟件主要是對主要是對柴油機的進氣、壓縮、燃燒進行模擬，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柴油機的某種機型進行分析模擬，然后推廣到其它類型的柴油機。它們把柴油機工作過程在不同時刻的氣體流動、燃油噴霧霧化、壁面?zhèn)鳠?、顆粒的形成進行分析。

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

我們應(yīng)用該軟件是對柴油機的工作過程的模擬，能在較少的時間內(nèi)獲取大量的而準確的工質(zhì)流動、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，能使我們我們所計算的結(jié)果更能接近實際情況，得出的結(jié)論也更有參考價值。

4 SimDiese軟件

simDiese軟件是大型渦輪增壓柴油機的模擬計算軟件，它將渦輪增壓柴油機簡化分成三個原件表示：工質(zhì)的接受原件、流動原件和軸表示。由于柴油機工作過程復(fù)雜，有很多不可預(yù)測性，所以我們將其簡化時必須遵循能量守恒定律，質(zhì)量守恒定律，動量守恒定律，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軟件對其進行建模，對該軟件的模型輸入實驗數(shù)據(jù)得出仿真結(jié)果。運用simDiese軟件對柴油機進行模擬計算需要經(jīng)過以下幾個過程：首先建立柴油機的數(shù)學模型，然后輸入我們已知的實驗數(shù)據(jù)，用該軟件進行模擬計算，得出結(jié)果，再對結(jié)果進行分析[5]。運用simDiese軟件設(shè)計數(shù)學模型進行計算比較簡單，但非常有效。雖然所建的模型對真實的實驗過程進行了簡化，但該模型卻能真實的反映實際工作過程的趨勢。

學者通過對D6114型渦輪增壓柴油機運用該simDiese軟件計算的結(jié)果與實際各性能參數(shù)進行對比，能夠很好的反映柴油機的性能參數(shù)，說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

我們可以對大型柴油機的工作過程進行數(shù)學模擬和建模，然后可以用Visual C++軟件對柴油機的工作過程進行編程，模擬柴油機的工作過程，得到缸內(nèi)工作過程的一組示功圖工作曲線，與實際結(jié)果進行對比，說明用Visual C++軟件用該軟件進行模擬的可行性，正確性和實用性。與各種軟件一樣，在仿真之前都要對其進行建模，建模都需要缸內(nèi)工作過程其進行假設(shè)如下：缸內(nèi)工作過程為零維模型、缸內(nèi)工質(zhì)為理想氣體、氣體的流動為穩(wěn)定流動，把缸內(nèi)燃燒向外放熱的過程看作是外界向系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)加熱的熱力過程等，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的缸內(nèi)工作的數(shù)學模型，最后用Visual C++軟件進行編程，它的計算框圖如圖2[7]：

7 結(jié)束語

隨著電腦技術(shù)的飛躍發(fā)展，仿真軟件會得到飛躍的發(fā)展，在船舶領(lǐng)域也會運用的更加成熟。仿真軟件主要是為了簡化柴油機的研究過程，計算機仿真技術(shù)現(xiàn)已成為研究柴油機各種性能的主要手段，極大的縮短了研究柴油機時間，簡化了研究成本，并且有相當高的準確性。各仿真軟件在對柴油機進行仿真過程有各自的優(yōu)缺點，有的主要是在專門用于仿真柴油機缸內(nèi)燃燒的工作過程，還有的只是專門針對各自的機型。

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

參考文獻：

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

[2] 王凱，周娜，蘇鐵熊.16V396TE54柴油機工作過程仿真研究[J].現(xiàn)代車用動力，2012，147：27-29.

[3] 張雁鵬，安世杰.船用二級增壓柴油機工作過程計算模型簡化研究[J].船舶工程，2013，42（3）：103-109.

[4] 施愛平，葉麗華，燕明德，丁仲毅.柴油機缸內(nèi)工作過程的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（3）：40-50.

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

[6] 羅玉君，陳輝，孫俊.柴油機工作過程模擬計算[J].船海工程，2006，170：15-18.

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