船舶柴油机仿真技术的综述

应贵平　王海燕

摘要：随着电子计算机技术的发展，出现了许多柴油机仿真技术的软件。该文主要介绍的是matlab/simulink、AVL BOOST软件、CFD软件AVL-Fire软件、simDiese软件、Visual C++软件。

关键词：船舶柴油机；仿真技术；软件

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：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

电子计算机的发展促进了船舶柴油机仿真技术的仿真，仿真技术的如何更好地反应我们所研究柴油机的工作特性是科研工作者一直所追求的目标，根据船舶柴油机的性能、型号和所要求的不同，建立不同仿真模型，运用各种不同的仿真软件，从而达到我们的要求。下面是作者总结的几种仿真软件。

1 Matlab/simulink软件

Matlab/simulink软件是math公司推出的，它创建了各种不同功能的工作模块，并且还能根据实际情况自创负荷自己需要的模块，极大准确的仿真了在柴油机工作过程。它通过容积法建模把柴油机的工作过程划分为一系列的工作容积，包括汽缸、排气管、涡轮增压器、中冷器、扫气箱，他们通过流动和能量联系在一起，概括了柴油机的基本工作过程[1]。它的仿真模型图如下：

这仿真过程是通过能量守恒、质量守恒、气体状态方程，再忽略它的边界条件，建立起一系列的微分方程，再通过simulink模块根据以上原理进行串接起来，得到柴油机的仿真系统模型，然后对其进行仿真，得出它的仿真曲线，通过与实际工作过程曲线进行对比，找出误差，然后再对其仿真模块进行改进，得出精确的仿真曲线。这就是matlab/simulink仿真软件运用在船舶仿真技术的工作原理。由于simulink中包含了不同种类的模块，包含了不同的作用，使我们根据一定的工作原理对其建模相对容易，而且模块层次相对清晰，对柴油机建模方便快速，效率高，界面丰富，是现在对柴油机建模仿真用的比较多的软件。

由于该软件主要采用的是容积法建模，我们需对其进行一列的假设，这样才能使他的精确性相对较高，假设如下：气缸的工质混合均匀，气缸的工质为理想气体，就是它的工质符合理想气体状态方程，即工质性质只与温度和缸内的成分有关；气体流入和流出缸内是准稳态流动。用容积法建模，然后用matlab/simulink仿真的学者主要是大连海事大学的王海燕，张均东等。

2 AVL BOOST软件

AVL BOOST软件是为了建立一整台柴油机的模型而开发的一套软件，主要是对柴油机热力循环模拟计算的软件，它能在柴油机的设计阶段，就能预测它的稳态性能，而且还能分析成型的柴油机热力工作过程，还能对柴油机实际循环、换气过程等发动机的工作过程进行模拟，为用户建立一个包括各种附件（如空气滤清器）的柴油机工作模型[2]。由于该软件主要是对柴油机建模的热力过程的分析，因此我们在用AVL BOOST软件进行仿真建模时最主要的就是把它的数据参数主要设置为气缸的燃烧过程。

根据前人科研研究的成果，我们对柴油机工作过程（主要是燃烧）建模主要有对燃烧放热率的计算，零维模型、准维模型、多维模型，然后我们运用AVL BOOST软件根据我们所选的机型，选择合适的模型进行仿真[3]。由于用AVL BOOST软件要根据每种机型的的不同来建立它的模型，但它的主要设计的计算模型基本上都是一样，有如下：首选我们要选定所建模型的数据资料，其次我们将柴油机分成几个比较容易处理的系统，根据AVL BOOST软件提供的模块进行建模，最后我们将数据资料输进AVL BOOST软件我们所建的模块，进行模拟计算。我们通过对其所建的模型进行分析，验证然后进行改进。

通过用AVL BOOST软件柴油机热力循环模拟的计算，分析它的模拟计算结果，以及它的仿真曲线，与实际所测的结果基本符合，我们可以得出用AVL BOOST软件进行建模仿真是可行的。该软件为我们研究柴油机的燃烧过程提供了理论依据。利用AVL BOOST软件不仅能对柴油机的工作过程建模，还能对它的故障模拟进行建模，不仅能对四冲程还能对二冲程柴油机。

3 CFD软件AVL-Fire软件

CFD软件AVL-Fire软件主要是对主要是对柴油机的进气、压缩、燃烧进行模拟，该软件所用的燃烧模型主要是多维模型，科研工作者主要是对柴油机的某种机型进行分析模拟，然后推广到其它类型的柴油机。它们把柴油机工作过程在不同时刻的气体流动、燃油喷雾雾化、壁面传热、颗粒的形成进行分析。

我们运用CFD软件AVL-Fire软件分析它的工作过程主要是建立它的数学模型，主要步骤如下：建立三维几何模型、划分计算网格、计算传热边界条件、定义边界条件、建立计算模型、模拟计算、后处理。这些数学模型的准确建立，有利于我们我们用CFD软件AVL-Fire软件分析燃烧过程的准确性[4]。

我们应用该软件是对柴油机的工作过程的模拟，能在较少的时间内获取大量的而准确的工质流动、传热、喷雾、及燃烧信息。而且我们建立的燃烧模型采用是采用多维模型模拟，能使我们我们所计算的结果更能接近实际情况，得出的结论也更有参考价值。

4 SimDiese软件

simDiese软件是大型涡轮增压柴油机的模拟计算软件，它将涡轮增压柴油机简化分成三个原件表示：工质的接受原件、流动原件和轴表示。由于柴油机工作过程复杂，有很多不可预测性，所以我们将其简化时必须遵循能量守恒定律，质量守恒定律，动量守恒定律，根据这些守恒定律我们能得出一系列的等式，微分方程，然后依据simDiese软件对其进行建模，对该软件的模型输入实验数据得出仿真结果。运用simDiese软件对柴油机进行模拟计算需要经过以下几个过程：首先建立柴油机的数学模型，然后输入我们已知的实验数据，用该软件进行模拟计算，得出结果，再对结果进行分析[5]。运用simDiese软件设计数学模型进行计算比较简单，但非常有效。虽然所建的模型对真实的实验过程进行了简化，但该模型却能真实的反映实际工作过程的趋势。

学者通过对D6114型涡轮增压柴油机运用该simDiese软件计算的结果与实际各性能参数进行对比，能够很好的反映柴油机的性能参数，说明该仿真软件有较高的精确度，能够很好地模拟低工况工作性能。

5 Visual C++软件

我们可以对大型柴油机的工作过程进行数学模拟和建模，然后可以用Visual C++软件对柴油机的工作过程进行编程，模拟柴油机的工作过程，得到缸内工作过程的一组示功图工作曲线，与实际结果进行对比，说明用Visual C++软件用该软件进行模拟的可行性，正确性和实用性。与各种软件一样，在仿真之前都要对其进行建模，建模都需要缸内工作过程其进行假设如下：缸内工作过程为零维模型、缸内工质为理想气体、气体的流动为稳定流动，把缸内燃烧向外放热的过程看作是外界向系统内工质加热的热力过程等，然后根据能量守恒、质量守恒和气体状态方程建立一系列等式和微分方程建立一系列柴油机的缸内工作的数学模型，最后用Visual C++软件进行编程，它的计算框图如图2[7]：

7 结束语

随着电脑技术的飞跃发展，仿真软件会得到飞跃的发展，在船舶领域也会运用的更加成熟。仿真软件主要是为了简化柴油机的研究过程，计算机仿真技术现已成为研究柴油机各种性能的主要手段，极大的缩短了研究柴油机时间，简化了研究成本，并且有相当高的准确性。各仿真软件在对柴油机进行仿真过程有各自的优缺点，有的主要是在专门用于仿真柴油机缸内燃烧的工作过程，还有的只是专门针对各自的机型。

总之我们运用各仿真软件主要是为了更好地研究柴油机，简化柴油机的工作过程，使柴油机的工作过程越精确，使其更好的为人类服务。

参考文献：

[1] 王海燕.大型低速船用柴油机建模与系统仿真[D].大连：大连海事大学，2007.

[2] 王凯，周娜，苏铁熊.16V396TE54柴油机工作过程仿真研究[J].现代车用动力，2012，147：27-29.

[3] 张雁鹏，安世杰.船用二级增压柴油机工作过程计算模型简化研究[J].船舶工程，2013，42（3）：103-109.

[4] 施爱平，叶丽华，燕明德，丁仲毅.柴油机缸内工作过程的数值模拟[J].农业机械学报，2009，40（3）：40-50.

[5] 廖志义，葛富荣.浅谈内燃机工作过程的数值计算[J].江苏船舶，2009，26（2）：30-31.

[6] 罗玉君，陈辉，孙俊.柴油机工作过程模拟计算[J].船海工程，2006，170：15-18.

[7] 徐斌.船舶动力装置仿真中的仿真控制系统[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，2002，25（1）：34-39.