数值模拟技术在本科毕业设计的应用

摘要毕业设计是高校人才培养的重要环节，对提高学生所学知识的综合运用能力、创新实践能力等方面具有其他教学环节无法替代的作用。本文论述了将发动机性能数值模拟技术应用于毕业设计环节对学生知识运用、独立思考和创新能力培养等方面的有益作用，并探讨了应用过程中存在的问题以及解决措施。

关键词毕业设计；发动机；数值模拟；教学方法

1引言

毕业设计（论文）是本科教学的重要环节，通过毕业设计环节可以培养学生综合运用所学知识解决实际问题和进行知识创新的能力。在毕业设计过程中，学生可以了解科学研究的基本过程；学会利用网络检索查阅中英文文献，通过搜集与整理文献资料学会对所掌握的材料进行逻辑分析，完成初步科研探索；学会调查与设计实验，学会提出问题、分析问题和解决问题的基本方法，培养学生的研究创新思维[1,2]。对于汽车维修工程教育专业的学生，需要通过毕业设计对汽车领域相关知识做到融会贯通、综合运用，包括发动机原理、发动机构造和电控技术等，并能够独立思考，并充分调动学生积极性和主动性，激发学生的创新能力。但是达到上述目的并不容易，以本学院为例,本科生人数众多，通过实验方法使学生得到实践锻炼的机会十分困难，无论从设备成本和人员成本上都无法满足，制约了本科教学质量的提升。而发动机数值模拟软件的应用可以较好地解决上述问题，通过虚拟仿真可以大大缩减对硬件成本的要求。通过具体课题驱动，激发学生的学习兴趣；通过软件的学习运用，培养学生面对问题，综合运用工具和所学知识解决问题的能力。

2发动机数值模拟技术及软件

发动机数值模拟领域最为著名的是GT-SUITE系列软件中的GT-Power。GT-SUITE系列软件是由美国GammaTechnology公司开发的一款完整的、自成体系的开发平台，涵盖了发动机本体、驱动系统、热管理系统、燃油供给系统、曲柄连杆机构、配气机构、空调系统等车辆各个子系统。GT-POWER作为发动机性能分析模块，能有效模拟计算各种类型发动机的功率、扭矩、比油耗等参数并可以对排放性能进行初步预测，为发动机的性能优化或改型提供方向，节省大量的试验工作。目前已经广泛应用于发动机的设计与研发阶段[3]。

2.1GT-Power的工作原理

GT-POWER是基于一维气体动力学原理，在管路和其相关模块中以流动和传热理论为基础，在特殊模块中应用液体流动和传热能力分析理论。流动模型同时包括连续性方程、动量方程和能量方程,以及气体状态方程等[4]。作为一维算法，设定所有的流体质量是均匀流动的。主要的变量参数是质量流量、密度和内能总和。系统被离散为多段网格，通过边界相连接。位于网格中心的标量在计算中被视为定值，主要标量为密度和内能总和；辅助标量为压力、温度、焓值和组分浓度。

2.2GT-Power的组成

此软件拥有极其丰富的模板库，包括：流体（flow）模型、机械结构（Mechanic）模型、热计算（Thermal）模型、电磁（Electrical）模型、控制系统（Control）模型、数据分析（Analy-sis）模型、通用（General）模型。其中每一类大的模块又分为三类小的模块：component（基本模块）、connection（连接模块）、reference（参考模块）[5]。GT-POWER软件的界面是基于面向对象的交互式界面，各模块直观形象。图1给出的是针对某四缸直喷汽油机搭建的模型。从图中可以清晰地看到发动机各组成部分，包括机体、气缸、配气机构、进排气系统等。

2.3GT-Power建模流程利用

GT-POWER软件发动机性能数值模拟的流程是[5]：首先针对要模拟的实际发动机进行参数的收集和测量，如发动机缸径、冲程、气门升程、配气相位、进排气系统管路的几何模型等；然后按照发动机的结构，建立相应的GT-POWER模型，在模型的建立过程中需要对模型的结构参数进行设置，结构参数设置完成后此模型基本搭建完成；接着对运行条件进行设置，所用步骤完成后，最后进行仿真计算。计算完成后打开后处理平台GT-POST获得数据及相应的曲线，若计算的结果符合要求，则计算结束。若计算的结果不满足要求，则需要对搭建的GT-POWER模型重新进行参数设置及运行条件设置，然后再次进行仿真计算。GT-Power软件自带了丰富的发动机模型，在建模阶段可以参考这些模型，大大降低建模的难度。

3发动机数值模拟技术在毕业设计环节的应用

3.1GT-Power在毕业设计环节应用的步骤

3.1.1知识储备在该阶段需要毕业设计指导老师对所拟课题有较为深入的了解，并对软件相应模块进行熟悉。在此基础上才能对学生进行有针对性的指导。对于学生，则要求其对发动机原理和汽车构造相关知识有较好的掌握。3.1.2开题阶段指导老师将毕业设计题目告知学生，并给学生讲解采用GT-Power进行发动机数值模拟的流程。要求学生搜集发动机建模所需参数，最好能针对实验室现有发动机进行建模，可以要求学生亲自动手对发动机相关参数进行测量，锻炼学生的动手能力。3.1.3发动机建模阶段GT-Power为英文操作界面，确实给学生对软件的学习造成一定的困难。因此要求指导老师在开始阶段需要为学生进行基本的演示，之后可以让学生自行操作，锻炼学生的自我学习能力。学生自建模型的成功运行，可以很大程度上增强学生的自信心和完成课题的积极性。3.1.4结果分析阶段指导学生对模拟计算产生的纷繁的数据进行梳理和对比分析，这个过程中需要注意多采用启发式指导，让学生学会用所学知识和文献资料中的理论来对数据、曲线的变化趋势进行思考和解释，这也是毕业设计中对学生提高最大的环节。

3.2基于GT-Power发动机配气相位优化的毕业设计实例

本实例以配气相位对发动机性能的影响为出发点，旨在考查学生对发动机进气系统相关知识的理解并培养学生解决问题的能力。以实验室现有大众1.4TSI发动机作为建模对象，让学生通过亲自测绘和互联网查收，搜集该发动机的结构参数，如表2.1所示。对于某些确实无法获得的参数，如精确的喷油规律，可基于GT-Power自带模型进行适当调整得到。所完成模型如图3所示，对于配气相位的调整方式是学生建模和模拟的难点，需要学生以所学发动机原理相关知识为基础，设计配气相位的调整方案，这是培养学生独立解决问题的关键。通过对比不同工况下不同配气相位算例的计算结果，分析充气效率、功率、扭矩曲线变化的规律，并解释曲线变化趋势的原因，得到最优的配气相位。这个过程是培养学生分析问题和解决问题能力的关键，需要注重培养学生发现问题和独立思考的能力。通过以上对GT-Power的应用，完成了发动机配气相位的优化。在这个过程中使学生深化了对理论知识的理解，并培养了学生遇到问题、分析问题、独立解决问题的能力。学生初步建立了科学研究的基本思路和严谨的态度。

4结论

发动机数值模拟技术不仅可以应用于工程实际，还可以应用于本科教学。利用GT-Power发动机性能模拟软件可以直观地实现发动机性能仿真，在毕业设计过程中，基于此可以使学生对所学理论知识有更深入的理解，有效培养学生独立思考和学习的能力，加强学生运用工具和解决问题的能力，进一步培养学生的创新意识和科研能力。

参考文献

[1]陈希有,牟宪民,刘凤春,等.关于多样化毕业设计教学方法的思考[J].中国大学教学,2012(8):59-60.

[2]薛彩霞.本科毕业设计(论文)存在问题及质量控制措施[J].高教论坛,2011(11):56-58.

[3]甄旭东.计算机仿真技术在发动机原理教学中的应用与探讨[J].科技文汇,2016(9a):65-67.

[4]GammaTechnologies.GT-SUITEFlowTheoryManual.2012.

[5]GammaTechnologies.GT-SUITEEnginePerformanceApplicationManual.2012.

作者：刘大明 李雅琦 单位：天津职业技术师范大学汽车与交通学院 天津铁道职业技术学院