內(nèi)燃機仿真技術(shù)教學探討

劉杰 張昕 胡準慶

摘要：通過分析計算機仿真技術(shù)在內(nèi)燃機開發(fā)中的作用，結(jié)合校企人才培養(yǎng)的實際需求，對于內(nèi)燃機仿真技術(shù)的教學工作進行了探討，提出同過加強科學計算語言的講解、典型計算程序的介紹、實例教學以及理論和實踐相結(jié)合等手段，提高課堂教學效果和學生的軟件掌握能力。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機仿真;軟件開發(fā);教學討論

中圖分類號：U472-4;G712? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0221-02

0? 引言

建設(shè)交通強國是以習近平同志為核心的黨中央立足國情、著眼全局、面向未來做出的重大戰(zhàn)略決策。其中交通工具（汽車、火車、輪船和飛機等）的技術(shù)是體現(xiàn)交通實力重要標準之一。汽車及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值占到全部GDP的10%以上，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。然而我國在汽車領(lǐng)域幾乎沒有自己的設(shè)計與仿真軟件，嚴重的限制了我國在該領(lǐng)域的技術(shù)進步。雖然近些年我國發(fā)動機設(shè)計的水平在不斷進步，同時具備了一定的自主研發(fā)能力，然而，大部分型號的發(fā)動機依賴于國外汽車及發(fā)動機咨詢公司進行開發(fā)，我國的產(chǎn)品開發(fā)人員在零部件設(shè)計方面的水平并沒有實質(zhì)性的改善，同時對于發(fā)動機開發(fā)的核心技術(shù)也沒有掌握。雖然目前提出了彎道超車的概念，想通過開展新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提升我國汽車制造水平，從而避免進行發(fā)動機開發(fā)這一難題，但是目前越來越多的事實證明只有掌握發(fā)動機設(shè)計制造技術(shù)才能提升我國的汽車開發(fā)能力。因此在高校中開展車用內(nèi)燃機仿真技術(shù)課程不僅是我國內(nèi)燃機研發(fā)技術(shù)提升的需求，也是汽車企業(yè)的普遍需求。

1? 計算機在內(nèi)燃機領(lǐng)域中的應用

隨著計算機水平的不斷發(fā)展，越來越多的計算機仿真技術(shù)參與到了內(nèi)燃機領(lǐng)域中，包括開展內(nèi)燃機工作過程數(shù)值計算、缸內(nèi)燃燒過程計算、燃油噴射系統(tǒng)計算、排放污染物計算、剛體結(jié)構(gòu)強度計算、活塞及缸體溫度場計算、熱應力計算、配氣機構(gòu)計算等。計算機仿真計算在發(fā)動機開發(fā)過程中的地位非常重要，在前期發(fā)動機概念型開發(fā)階段就已經(jīng)開始進行模擬計算從而驗證設(shè)計參數(shù)的正確性，在發(fā)動機初步設(shè)計開發(fā)階段仍需要通過模擬計算進行部件的選型及優(yōu)化。同時在發(fā)動機開發(fā)過程中計算機仿真也會全程提供計算支持。此外在出現(xiàn)零部件失效等問題時，發(fā)動機仿真結(jié)果也能夠提供理論支持。

2? 內(nèi)燃機領(lǐng)域仿真軟件現(xiàn)狀

目前內(nèi)燃機燃燒仿真的多維模型計算程序有：英國帝國理工學院D.B. Spalding等人開發(fā)的PHOENIX，A.D. Gosman等人開發(fā)的Star-CD，H.G. Weller等人開發(fā)的OpenFOAM，美國Los Alamos 國家實驗室的KIVA以及美國威斯康辛麥迪遜大學開發(fā)的CONVERGE。可以看到歐美國家高校在很早之前就已經(jīng)開始了內(nèi)燃機仿真軟件的開發(fā)，并獲得了世界范圍內(nèi)的認可。目前這些軟件廣泛被大家使用，并且不斷有新的仿真技術(shù)出現(xiàn)。

除高校外世界三大發(fā)動機設(shè)計咨詢公司，奧地利的AVL李斯特，德國 FEV、英國Ricardo等也分別開發(fā)了自己的仿真軟件，包括AVL公司的FIRE、Boost，Ricardo的Wave等，德國FEV公司也在開發(fā)自己的軟件仿真平臺。這些軟件平臺在內(nèi)燃機設(shè)計開發(fā)過程中扮演著非常重要的角色，然而我國的內(nèi)燃機設(shè)計開發(fā)軟件相對非常匱乏，因此往往在內(nèi)燃機設(shè)計開發(fā)中受制于人。

3? 內(nèi)燃機仿真軟件的作用

內(nèi)燃機仿真軟件主要的功能包括：①能夠開展發(fā)動機性能仿真分析。由于發(fā)動機設(shè)計參數(shù)眾多，單靠發(fā)動機試驗不僅工作周期長、消耗費用大，同時很難確定關(guān)鍵參數(shù)。而通過仿真分析，能夠快速開展多因素的分析研究，找到主要因素，為發(fā)動機開發(fā)提供及時準確的結(jié)果。②能夠開展設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化。發(fā)動機設(shè)計時的主要參數(shù)包括噴射參數(shù)、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運行參數(shù)等，通過仿真軟件耦合優(yōu)化軟件能夠同時開展十幾種參數(shù)的優(yōu)化工作，而通過試驗方法則需要開展長時間的研究才能找到較好的參數(shù)匹配結(jié)果。因此與實驗方法的費時、費力相比，計算機仿真技術(shù)的應用能夠大幅度降低工作量。然而并不意味著內(nèi)燃機開發(fā)過程中不會采用實驗技術(shù)，實驗技術(shù)仍然是驗證結(jié)果的主要技術(shù)。

4? 仿真模型建立的步驟

在進行計算機仿真時，首先需要明確研究對象，然后將研究對象進行系統(tǒng)分割，將復雜的研究對象按照各部件的功能分割成相互聯(lián)系的子系統(tǒng)，接下來將不同的子系統(tǒng)按照各自的功能、運行條件以及邊界條件進行物理和化學上的抽象和簡化，根據(jù)工程熱力學、傳熱學和流體力學等方面的知識將子系統(tǒng)進行數(shù)學描述，建立各系統(tǒng)運行的偏微分及常微分方程表達式。最后，確定各方程的邊界條件及初始參數(shù)，對系統(tǒng)進行仿真分析。

5? 目前學生學習過程中存在的問題

目前教學過程中學生普遍存在以下問題，導致教學工作成果不突出。具體表現(xiàn)在：

5.1 學生英語水平普遍較差，導致仿真軟件接受程度及深入程度較低

從前文中可以看出目前的軟件開發(fā)大部分都是基于英語進行開發(fā)的，而學生英語水平較差將導致仿真軟件閱讀能力的下降，從而導致對軟件的理解能力較弱，使得學生不能完全理解軟件中不同模型及參數(shù)的具體含義。因此軟件的操作、使用及修改受到大幅度的限制，使得軟件的利用效率降低。

5.2 程序語言的知識欠缺

目前內(nèi)燃機設(shè)計等軟件大多是基于科學計算語言開發(fā)的，包括C語言、Fortran語言等，雖然這些計算機語言的開發(fā)年代普遍較早，但是在科學計算方面有著較大的優(yōu)勢，因此許多仿真程序的算法開發(fā)均是基于這些語言進行的。例如AVL fire和KIVA程序是基于Fortran語言開發(fā)的，OpenFOAM和Converge是基于C語言開發(fā)的。由于目前高校對這些科學計算語言的講授工作逐漸降低，使得學生接觸這些語言的機會越來越少，因此絕大部分學生對這些科學計算語言是陌生的。同時學生對于其他一些模塊化的程序較為感興趣，比如Matlabsimulink程序，而這些程序是由一些函數(shù)化的工具箱組成，使得他們對程序的具體實現(xiàn)過程了解較少。

5.3 專業(yè)知識較弱

由于內(nèi)燃機燃燒過程涉及的理論知識較多，包括流體力學、熱力學傳熱學、燃燒學、內(nèi)燃機學、機械原理、材料、電控等多方面的內(nèi)容。而目前高校學生普遍學習態(tài)度較差的現(xiàn)象導致對書本知識理解能力較弱。在內(nèi)燃機仿真過程中出現(xiàn)一些問題時，往往出現(xiàn)不知所措的現(xiàn)象。而錯誤的產(chǎn)生往往與出現(xiàn)某些專業(yè)知識的問題相關(guān)，因此，導致花費長時間的查找資料，反復修改的問題。

5.4 自學能力不強

目前學生軟件自學能力普遍不高。主要表現(xiàn)在軟件學習的積極性不高，雖然大部分軟件均提供了一些詳細的計算實例，然而由于閱讀理論介紹及實例的計算方法所消耗的時間較長，學生們往往會出現(xiàn)逃避計算實例的學習過程。大都采用直接上手開展計算的策略。因此導致計算過程中出現(xiàn)較多的問題，然而并不了解為何出現(xiàn)問題，以及如何解決問題。另外，在出現(xiàn)問題后，往往出現(xiàn)逃避、無視的情緒，等待其他人幫忙解決，自己的主動學習性并未提高。

5.5 數(shù)學水平不高

內(nèi)燃機仿真軟件的實質(zhì)是N-S方程及其他偏微分方程組的求解過程，本質(zhì)是數(shù)學理論的應用。因此數(shù)學水平的高低往往能夠決定軟件使用及開發(fā)水平所能達到的程度。以威斯康辛大學發(fā)動機研究中心的Rolf D. Reitz為例，他畢業(yè)于美國普林斯頓大學，而普林斯頓大學的數(shù)學水平是全世界數(shù)一數(shù)二的，因此Reitz教授對于仿真軟件KIVA的理解能力遠遠高于其他研究人員，而在他的指導下開發(fā)的Converge也受到了全世界汽車公司的普遍歡迎。然而由于Reitz教授目前已經(jīng)退休，使得后面難以找到一個學術(shù)能力與之匹敵的繼任者?？梢姅?shù)學水平往往決定軟件的學習水平。

6? 教學內(nèi)容及方法的探討

6.1 加強科學計算語言的教學

建議在高校教學中重視某些科學計算語言的教學，例如C語言、Fortran等，雖然這些程序語言開發(fā)的時間較早，但在某些特定領(lǐng)域仍然具備各自的優(yōu)勢，因此加強這些語言的教學不僅能夠提高學生學習軟件的能力，而且能夠提高學生軟件編程的能力。有利于提高學生對于專業(yè)仿真軟件的接受程度。

6.2 加強程序算法的教學

在專業(yè)軟件的仿真過程中會出現(xiàn)大量的仿真算法的應用，比如排序方法，最大值和最小值的搜索算法，邊界搜索算法等典型程序算法。通過對典型程序算法進行深入的講解能夠提高學生的軟件理解能力和程序修改能力。同時以典型程序算法為基礎(chǔ)，通過對原始程序的改進能夠提高程序的計算能力。

6.3 實例教學法

由于計算機語言的枯燥特性，如何提升學生的學習興趣是首要解決的問題。因此探索開展實例教學方法，通過采用內(nèi)燃機燃燒開發(fā)中實際碰到的問題，以實例為基礎(chǔ)，詳細講解邊界條件的確定、子模型的選取、模型參數(shù)的標定、仿真計算結(jié)果的驗證、計算結(jié)果的分析等一系列的操作方法，從而提升學生學習的積極性。此外采用先進的計算結(jié)果后處理軟件，獲得詳細的三維計算云圖及流場信息，以具體的計算結(jié)果吸引學生的注意力，也可以達到提高學生積極性的目的。

6.4 教學實踐相結(jié)合的方法

在軟件學習的過程中，親自上手操作軟件進行仿真計算是必不可少的環(huán)節(jié)。理論知識學習再多，沒有經(jīng)過親身的實踐，是不能提高自身的仿真水平的。因此，需要大力開展學生的上機實際操作過程，使得學生能夠親身感受仿真計算過程的魅力，提高自己利用仿真軟件解決問題的能力，同時增加學生對于仿真計算的興趣。興趣是最好的老師，只有學生真正對仿真軟件感興趣，他才會花費時間來學習軟件和使用軟件，才能提高自身的計算水平。

7? 結(jié)論

隨著計算機水平的不斷提高，計算機模擬仿真在內(nèi)燃機開發(fā)過程中應用的場景越來越多，仿真的作用也越來越重要。因此提高高校學生的計算機模擬仿真的能力的需求也越來越多。如何提升內(nèi)燃機仿真技術(shù)的教學水平也受到越來越多的關(guān)注。從科學計算語言的學習，到專業(yè)知識水平、英語水平等其他知識的掌握程度決定著學生對仿真軟件的掌握程度。同時如何提升學生的軟件學習興趣也是在教學過程中首要考慮的問題。只有通過大家的不斷努力才能提升我國內(nèi)燃機仿真技術(shù)水平，從而掌握內(nèi)燃機開發(fā)的核心技術(shù)。

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