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        船舶柴油機(jī)仿真技術(shù)的綜述

        2014-10-17 21:44:25應(yīng)貴平王海燕
        電腦知識與技術(shù) 2014年26期
        關(guān)鍵詞:仿真技術(shù)軟件

        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:TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)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(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)工作過程。它通過容積法建模把柴油機(jī)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(dòng)和能量聯(lián)系在一起,概括了柴油機(jī)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(jìn)行串接起來,得到柴油機(jī)的仿真系統(tǒng)模型,然后對其進(jìn)行仿真,得出它的仿真曲線,通過與實(shí)際工作過程曲線進(jìn)行對比,找出誤差,然后再對其仿真模塊進(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)一定的工作原理對其建模相對容易,而且模塊層次相對清晰,對柴油機(jī)建模方便快速,效率高,界面豐富,是現(xiàn)在對柴油機(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,我們需對其進(jìn)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(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柴油機(jī)的模型而開發(fā)的一套軟件,主要是對柴油機(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)熱力工作過程,還能對柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)、換氣過程等發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(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柴油機(jī)建模的熱力過程的分析,因此我們在用AVL 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)置為氣缸的燃燒過程。

        根據(jù)前人科研研究的成果,我們對柴油機(jī)工作過程(主要是燃燒)建模主要有對燃燒放熱率的計(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。我們通過對其所建的模型進(jìn)行分析,驗(yàn)證然后進(jìn)行改進(jìn)。

        通過用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)的燃燒過程提供了理論依據(jù)。利用AVL BOOST軟件不僅能對柴油機(jī)的工作過程建模,還能對它的故障模擬進(jìn)行建模,不僅能對四沖程還能對二沖程柴油機(jī)。

        3 CFD軟件AVL-Fire軟件

        CFD軟件AVL-Fire軟件主要是對主要是對柴油機(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軟件分析燃燒過程的準(zhǔn)確性[4]。

        我們應(yīng)用該軟件是對柴油機(jī)的工作過程的模擬,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)工作過程復(fù)雜,有很多不可預(yù)測性,所以我們將其簡化時(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軟件對其進(jìn)行建模,對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軟件對柴油機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算需要經(jīng)過以下幾個(gè)過程: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)算比較簡單,但非常有效。雖然所建的模型對真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了簡化,但該模型卻能真實(shí)的反映實(shí)際工作過程的趨勢。

        學(xué)者通過對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)行對比,能夠很好的反映柴油機(jī)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(jī)的工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和建模,然后可以用Visual C++軟件對柴油機(jī)的工作過程進(jìn)行編程,模擬柴油機(jī)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(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比,說明用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,在仿真之前都要對其進(jìn)行建模,建模都需要缸內(nèi)工作過程其進(jìn)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(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng),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(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

        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(yùn)用的更加成熟。仿真軟件主要是為了簡化柴油機(jī)的研究過程,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。各仿真軟件在對柴油機(jī)進(jìn)行仿真過程有各自的優(yōu)缺點(diǎn),有的主要是在專門用于仿真柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒的工作過程,還有的只是專門針對各自的機(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),簡化柴油機(jī)的工作過程,使柴油機(jī)的工作過程越精確,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)工作過程仿真研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力,2012,147:27-29.

        [3] 張雁鵬,安世杰.船用二級增壓柴油機(jī)工作過程計(jì)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(jī)缸內(nèi)工作過程的數(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.

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