内燃机仿真技术教学探讨

刘杰 张昕 胡准庆

摘要：通过分析计算机仿真技术在内燃机开发中的作用，结合校企人才培养的实际需求，对于内燃机仿真技术的教学工作进行了探讨，提出同过加强科学计算语言的讲解、典型计算程序的介绍、实例教学以及理论和实践相结合等手段，提高课堂教学效果和学生的软件掌握能力。

关键词：内燃机仿真;软件开发;教学讨论

中图分类号：U472-4;G712                           文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）20-0221-02

0  引言

建设交通强国是以习近平同志为核心的党中央立足国情、着眼全局、面向未来做出的重大战略决策。其中交通工具（汽车、火车、轮船和飞机等）的技术是体现交通实力重要标准之一。汽车及其相关产业的生产总值占到全部GDP的10%以上，是国民经济的支柱产业。然而我国在汽车领域几乎没有自己的设计与仿真软件，严重的限制了我国在该领域的技术进步。虽然近些年我国发动机设计的水平在不断进步，同时具备了一定的自主研发能力，然而，大部分型号的发动机依赖于国外汽车及发动机咨询公司进行开发，我国的产品开发人员在零部件设计方面的水平并没有实质性的改善，同时对于发动机开发的核心技术也没有掌握。虽然目前提出了弯道超车的概念，想通过开展新能源汽车产业的发展提升我国汽车制造水平，从而避免进行发动机开发这一难题，但是目前越来越多的事实证明只有掌握发动机设计制造技术才能提升我国的汽车开发能力。因此在高校中开展车用内燃机仿真技术课程不仅是我国内燃机研发技术提升的需求，也是汽车企业的普遍需求。

1  计算机在内燃机领域中的应用

随着计算机水平的不断发展，越来越多的计算机仿真技术参与到了内燃机领域中，包括开展内燃机工作过程数值计算、缸内燃烧过程计算、燃油喷射系统计算、排放污染物计算、刚体结构强度计算、活塞及缸体温度场计算、热应力计算、配气机构计算等。计算机仿真计算在发动机开发过程中的地位非常重要，在前期发动机概念型开发阶段就已经开始进行模拟计算从而验证设计参数的正确性，在发动机初步设计开发阶段仍需要通过模拟计算进行部件的选型及优化。同时在发动机开发过程中计算机仿真也会全程提供计算支持。此外在出现零部件失效等问题时，发动机仿真结果也能够提供理论支持。

2  内燃机领域仿真软件现状

目前内燃机燃烧仿真的多维模型计算程序有：英国帝国理工学院D.B. Spalding等人开发的PHOENIX，A.D. Gosman等人开发的Star-CD，H.G. Weller等人开发的OpenFOAM，美国Los Alamos 国家实验室的KIVA以及美国威斯康辛麦迪逊大学开发的CONVERGE。可以看到欧美国家高校在很早之前就已经开始了内燃机仿真软件的开发，并获得了世界范围内的认可。目前这些软件广泛被大家使用，并且不断有新的仿真技术出现。

除高校外世界三大发动机设计咨询公司，奥地利的AVL李斯特，德国 FEV、英国Ricardo等也分别开发了自己的仿真软件，包括AVL公司的FIRE、Boost，Ricardo的Wave等，德国FEV公司也在开发自己的软件仿真平台。这些软件平台在内燃机设计开发过程中扮演着非常重要的角色，然而我国的内燃机设计开发软件相对非常匮乏，因此往往在内燃机设计开发中受制于人。

3  内燃机仿真软件的作用

内燃机仿真软件主要的功能包括：①能夠开展发动机性能仿真分析。由于发动机设计参数众多，单靠发动机试验不仅工作周期长、消耗费用大，同时很难确定关键参数。而通过仿真分析，能够快速开展多因素的分析研究，找到主要因素，为发动机开发提供及时准确的结果。②能够开展设计参数的优化。发动机设计时的主要参数包括喷射参数、燃烧室结构参数以及运行参数等，通过仿真软件耦合优化软件能够同时开展十几种参数的优化工作，而通过试验方法则需要开展长时间的研究才能找到较好的参数匹配结果。因此与实验方法的费时、费力相比，计算机仿真技术的应用能够大幅度降低工作量。然而并不意味着内燃机开发过程中不会采用实验技术，实验技术仍然是验证结果的主要技术。

4  仿真模型建立的步骤

在进行计算机仿真时，首先需要明确研究对象，然后将研究对象进行系统分割，将复杂的研究对象按照各部件的功能分割成相互联系的子系统，接下来将不同的子系统按照各自的功能、运行条件以及边界条件进行物理和化学上的抽象和简化，根据工程热力学、传热学和流体力学等方面的知识将子系统进行数学描述，建立各系统运行的偏微分及常微分方程表达式。最后，确定各方程的边界条件及初始参数，对系统进行仿真分析。

5  目前学生学习过程中存在的问题

目前教学过程中学生普遍存在以下问题，导致教学工作成果不突出。具体表现在：

5.1 学生英语水平普遍较差，导致仿真软件接受程度及深入程度较低

从前文中可以看出目前的软件开发大部分都是基于英语进行开发的，而学生英语水平较差将导致仿真软件阅读能力的下降，从而导致对软件的理解能力较弱，使得学生不能完全理解软件中不同模型及参数的具体含义。因此软件的操作、使用及修改受到大幅度的限制，使得软件的利用效率降低。

5.2 程序语言的知识欠缺

目前内燃机设计等软件大多是基于科学计算语言开发的，包括C语言、Fortran语言等，虽然这些计算机语言的开发年代普遍较早，但是在科学计算方面有着较大的优势，因此许多仿真程序的算法开发均是基于这些语言进行的。例如AVL fire和KIVA程序是基于Fortran语言开发的，OpenFOAM和Converge是基于C语言开发的。由于目前高校对这些科学计算语言的讲授工作逐渐降低，使得学生接触这些语言的机会越来越少，因此绝大部分学生对这些科学计算语言是陌生的。同时学生对于其他一些模块化的程序较为感兴趣，比如Matlabsimulink程序，而这些程序是由一些函数化的工具箱组成，使得他们对程序的具体实现过程了解较少。

5.3 专业知识较弱

由于内燃机燃烧过程涉及的理论知识较多，包括流体力学、热力学传热学、燃烧学、内燃机学、机械原理、材料、电控等多方面的内容。而目前高校学生普遍学习态度较差的现象导致对书本知识理解能力较弱。在内燃机仿真过程中出现一些问题时，往往出现不知所措的现象。而错误的产生往往与出现某些专业知识的问题相关，因此，导致花费长时间的查找资料，反复修改的问题。

5.4 自学能力不强

目前学生软件自学能力普遍不高。主要表现在软件学习的积极性不高，虽然大部分软件均提供了一些详细的计算实例，然而由于阅读理论介绍及实例的计算方法所消耗的时间较长，学生们往往会出现逃避计算实例的学习过程。大都采用直接上手开展计算的策略。因此导致计算过程中出现较多的问题，然而并不了解为何出现问题，以及如何解决问题。另外，在出现问题后，往往出现逃避、无视的情绪，等待其他人帮忙解决，自己的主动学习性并未提高。

5.5 数学水平不高

内燃机仿真软件的实质是N-S方程及其他偏微分方程组的求解过程，本质是数学理论的应用。因此数学水平的高低往往能够决定软件使用及开发水平所能达到的程度。以威斯康辛大学发动机研究中心的Rolf D. Reitz为例，他毕业于美国普林斯顿大学，而普林斯顿大学的数学水平是全世界数一数二的，因此Reitz教授对于仿真软件KIVA的理解能力远远高于其他研究人员，而在他的指导下开发的Converge也受到了全世界汽车公司的普遍欢迎。然而由于Reitz教授目前已经退休，使得后面难以找到一个学术能力与之匹敌的继任者。可见数学水平往往决定软件的学习水平。

6  教学内容及方法的探讨

6.1 加强科学计算语言的教学

建议在高校教学中重视某些科学计算语言的教学，例如C语言、Fortran等，虽然这些程序语言开发的时间较早，但在某些特定领域仍然具备各自的优势，因此加强这些语言的教学不仅能够提高学生学习软件的能力，而且能够提高学生软件编程的能力。有利于提高學生对于专业仿真软件的接受程度。

6.2 加强程序算法的教学

在专业软件的仿真过程中会出现大量的仿真算法的应用，比如排序方法，最大值和最小值的搜索算法，边界搜索算法等典型程序算法。通过对典型程序算法进行深入的讲解能够提高学生的软件理解能力和程序修改能力。同时以典型程序算法为基础，通过对原始程序的改进能够提高程序的计算能力。

6.3 实例教学法

由于计算机语言的枯燥特性，如何提升学生的学习兴趣是首要解决的问题。因此探索开展实例教学方法，通过采用内燃机燃烧开发中实际碰到的问题，以实例为基础，详细讲解边界条件的确定、子模型的选取、模型参数的标定、仿真计算结果的验证、计算结果的分析等一系列的操作方法，从而提升学生学习的积极性。此外采用先进的计算结果后处理软件，获得详细的三维计算云图及流场信息，以具体的计算结果吸引学生的注意力，也可以达到提高学生积极性的目的。

6.4 教学实践相结合的方法

在软件学习的过程中，亲自上手操作软件进行仿真计算是必不可少的环节。理论知识学习再多，没有经过亲身的实践，是不能提高自身的仿真水平的。因此，需要大力开展学生的上机实际操作过程，使得学生能够亲身感受仿真计算过程的魅力，提高自己利用仿真软件解决问题的能力，同时增加学生对于仿真计算的兴趣。兴趣是最好的老师，只有学生真正对仿真软件感兴趣，他才会花费时间来学习软件和使用软件，才能提高自身的计算水平。

7  结论

随着计算机水平的不断提高，计算机模拟仿真在内燃机开发过程中应用的场景越来越多，仿真的作用也越来越重要。因此提高高校学生的计算机模拟仿真的能力的需求也越来越多。如何提升内燃机仿真技术的教学水平也受到越来越多的关注。从科学计算语言的学习，到专业知识水平、英语水平等其他知识的掌握程度决定着学生对仿真软件的掌握程度。同时如何提升学生的软件学习兴趣也是在教学过程中首要考虑的问题。只有通过大家的不断努力才能提升我国内燃机仿真技术水平，从而掌握内燃机开发的核心技术。

参考文献：

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