CC BY
30
ТРАНСПОРТ
УДК 621.43
И.Е. Агуреев, д-р техн. наук, проф., 8-910-943-65-72, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), К.А. Авдеев, канд. техн. наук, доц., 8-920-276-70-71, kaavdeev@mail. т (Россия, Тула, ТулГУ), М.Ю. Богатырев, д-р техн.наук, проф., 8-920-755-24-79, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
СТРУКТУРА И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОРШНЕВЫХ ДВС
Рассмотрены вопросы, связанные с разработкой структуры и содержания программного комплекса для моделирования стационарных и переходных режимов работы поршневых ДВС. Представлена модульная структура комплекса, приведен пример использования программы.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, математическое моделирование, компьютерная программа.
Программный комплекс для моделирования энергоэффективных режимов работы двигателей внутреннего сгорания (ПК) предназначен для компьютерного моделирования динамических режимов работы двигателей внутреннего сгорания различных типов [1, 2].
Типичным динамическим режимом является режим разгона двигателя из состояния покоя в состояние движения с постоянной скоростью. Динамические режимы возникают также при изменении параметров работающих двигателей [2, 3].
Исследование влияния параметров двигателей на их работу является главной задачей моделирования. Решение данной задачи позволяет находить энергоэффективные режимы работы двигателей. Энергоэффектив-
251
ный режим может быть обусловлен оптимальным сочетанием нескольких параметров, обеспечивающих, например, максимальную мощность двигателя при минимальном расходе топлива.
Энергоэффективные режимы находятся путем решения задач параметрической оптимизации.
Структура программного комплекса. Программный комплекс создан в среде программирования Java и выполнен в парадигме объектно-ориентированного программирования. Комплекс представляет собой библиотеку классов, предназначенных для выполнения определенных функций. Из библиотеки классов формируются программные модули:
модуль управления;
модуль ввода данных;
модуль решения уравнений;
модуль сохранения данных;
модуль визуализации.
Для сохранения параметров моделей и результатов моделирования в базе данных применяется штатная СУБД, включающая сервер баз данных.
Модульная структура ПК позволяет наращивать функциональные возможности комплекса и развивать его интерфейсы.
Модуль управления предназначен для организации управления всеми модулями комплекса, реализации главного диалогового интерфейса комплекса.
Модуль ввода данных обеспечивает ввод данных как с клавиатуры, так и из внешнего файла. Данные представляют собой параметры модели двигателей и настройки сеанса моделирования: шаг квантования, время счета.
Модуль решения уравнений предназначен для решения алгебраических и дифференциальных уравнений модели. Алгебраические уравнения порядка не выше второго решаются аналитически. Обыкновенные дифференциальные уравнения решаются численно методом Рунге-Кутты. Особенность применяемого алгоритма решения дифференциальных уравнений состоит в учете изменений параметров модели на каждом шаге интегрирования.
Модуль сохранения данных предназначен для сохранения параметров модели и результатов моделирования в файлы и в базу данных свободно распространяемой СУБД MySQL.
Модуль визуализации применяется для отображения результатов моделирования в виде графиков. Кроме этого модуль позволяет отображать мнемосхемы отдельных частей двигателя - цилиндров и коллектора -с индикацией цветом их состояний: «нормальное», «перегрев», «аварийное».
Программный комплекс представляет собой открытую программную систему. Это позволяет развивать его, расширяя набор применяемых функций. Имеется возможность применения различных методов численного решения дифференциальных уравнений и других платформ СУБД.
Исследование двигателей с большим числом варьируемых параметров связано с большим объемом вычислений. Каждый вычислительный эксперимент порождает массивы данных, которые также могут быть использованы для организации дальнейших экспериментов. Поэтому в программном комплексе для каталогизации результатов вычислительных экспериментов применяется база данных и соответствующие средства управления, образующие систему управления базой данных (СУБД).
В базе данных планируется хранить следующие данные.
1. Исходные данные для экспериментов. Они представляют собой набор скалярных величин, передаваемых при эксперименте вычислительному ядру.
2. Результаты экспериментов. Они представляют собой набор графиков зависимости от времени нескольких физических величин, относящихся к двигателю (график скорости коленчатого вала, график угла поворота коленчатого вала, график плотности рабочего тела (РТ) в коллекторе, график удельной энергии РТ в коллекторе, график давления в коллекторе, график температуры в коллекторе), а также нескольких физических величин, относящихся к каждому из цилиндров (график плотности в цилиндре, график удельной энергии в цилиндре, график давления в цилиндре, график температуры в цилиндре).
Каждый из графиков хранится в виде строки символов, соответствующих внутреннему представлению объекта Graph в языке Mathematica.
Таким образом, можно выделить три сущности, подлежащие хранению в базе данных:
двигатель;
результаты эксперимента. кроме собственно результатов, в записи хранится время эксперимента, его длительность, размер шага дифференцирования и число шагов;
результаты эксперимента по одному цилиндру.
Между сущностями «двигатель» и «результат» эксперимента имеется связь «один ко многим» (одному двигателю соответствует множество результатов экспериментов над ним). Между сущностями «результат» и «результат по цилиндру» имеется связь «один ко многим».
Название двигателя теоретически может быть потенциальным ключом, однако был введён суррогатный ключ-идентификатор.
В таблице результатов экспериментов по цилиндрам в качестве ключа была использована совокупность полей «идентификатор результата» и «номер цилиндра». Суррогатные ключи не вводятся.
Так как связей «многие ко многим» в реляционной базе нет, вспо-
могательные сущности для создания этих связей не вводятся.
На рис. 1 представлена концептуальная модель базы данных.
Рис. 1. Концептуальная модель базы данных
База данных состоит из трех таблиц: таблицы двигателей (условий эксперимента), таблицы результатов эксперимента, таблицы результатов эксперимента по отдельным цилиндрам двигателя.
Таблица двигателей engines описана в табл. 1. Первичный ключ таб-
лицы — id.
Таблица 1
Структура таблицы engines
Название поля Тип Описание
Id int(11) auto_increment Идентификатор записи в базе
Ctime datetime Время создания записи
Name tinytext Название двигателя
Ncyl int( 11) Число цилиндров
R float Удельная газовая постоянная
Rc float Радиус кривошипа
M float Приведённая масса поршня
Ic float Момент инерции КШМ
Dc float Диаметр цилиндра
Mp float Коэффициент трения поршня о цилиндр
Mload float Собственный момент нагрузки кривошипа
wman float Объём коллектора
go float Проход топлива в сек.
em float Степень сжатия
nc float Показатель горения
tcw float Температура стенки цилиндра
xi float Показатель неполноты сгорания топлива
hn float Теплородная способность топлива
mmin float Масса цикловой подачи
asa float Угол опережения зажигания
delta float Продолжительность горения
mu float Коэффициент расхода через клапан
Окончание
Название поля Тип Описание
dvin float Диаметр тарелки впускного клапана
dvout float Диаметр тарелки выпускного клапана
cosin float Косинус угла заточки клапана впуска
cosout float Косинус угла заточки клапана выпуска
lin float Длина плеча коромысла впуска
lout float Длина плеча коромысла выпуска
fini float Фаза газораспределения впуска I
fin2 float Фаза газораспределения впуска II
fouti float Фаза газораспределения выпуска I
fout2 float Фаза газораспределения выпуска II
Penv float Давление окружающей среды
Henv float Энтальпия окружающей среды
Tenv float Температура окружающей среды
Таблица результатов results описана в табл.2. Первичный ключ таблицы — id.
Таблица 2
Структуры таблица results
Название поля Тип Описание
Id int( 11) auto_increment Идентификатор записи в базе
Eid int( 11) Идентификатор записи в таблице engines
Ctime datetime Время создания записи
Remark tinytext Пометки об эксперименте
duration int( 11) Длительность эксперимента (секунд)
dt float Размер шага дифференцирования
steps int( 11) Число шагов дифференцирования
crankshaft_speed blob Скорость поворота коленвала (в сериализованном виде)
crankshaft_ang le blob Угол поворота коленвала (в сериализованном виде)
Окончание
Название поля Тип Описание
manifold_density blob Плотность в коллекторе (в сериализованном виде)
manifo ld_edens ity blob Плотность энергии в коллекторе (в сериализованном виде)
manifo ld_pressure blob Давление в коллекторе (в сериализованном виде)
manifo ld_temperature blob Температура в коллекторе (в сериализованном виде)
Таблица результатов по цилиндрам results_cyl описана в табл.3. Первичный ключ таблицы сложный, состоящий из полей cylinder и rid.
Таблица 3 Структура таблица results_cyl
Название поля Тип Описание
cylinder int( 11) Номер цилиндра
rid int( 11) Идентификатор записи в таблице results
Density blob Плотность в в цилиндре
energydensity blob Плотность энергии в в цилиндре
pressure blob Давление в в цилиндре
temperature blob Температура в в цилиндре
Описание работы комплекса. Программный комплекс имеет графический пользовательский интерфейс и стандартный программный интерфейс на платформе Java.
На рис. 2 представлено изображение главного окна программного комплекса.
Главное окно приложения разбито на две части: область редактирования параметров двигателя и область просмотра результатов.
Область параметров двигателя содержит одно текстовое поле — название двигателя, и числовые поля — его параметры.
Область просмотра результатов предназначена для просмотра результатов экспериментов. Один эксперимент может иметь произвольное число наборов результатов, полученных в разное время. Каждый набор результатов состоит из результатов по двигателю (скорость поворота коленчатого вала, угол поворота коленчатого вала, плотность РТ в коллекторе,
удельная энергия РТ в коллекторе, давление РТ в коллекторе, температура РТ в коллекторе) и результатов по каждому цилиндру (плотность РТ в цилиндре, удельная энергия РТ в цилиндре, давление РТ в цилиндре, температура РТ в цилиндре).
а моделирования иычислшелькых экспериментов
В0®
Фойп Эютеримеит Спроско
(название) +1СЛ0 ИНЛИНД0ОВ131 /дегьмая глзсеян посгояи-яя 'адн^с крисоши-a "Ьшкдённэя иоэн» nocu»-w Сонгнг н-ерщш КШГ1 Диаметр unм)дро
СазффйЦ»*энг трен<я псриня о цилиндр Собствстьй нонеггг пагрузкп крисоидопэ :<5v£n коллектора "Ъокод гепл^ва в сек.
Стегииь сжатия
"Указатель г oconal
Геппературв стемси цигнндро
"йказагель негогноты сгсрашя гсглива Геплсроонеги споссбнгс-ть ronrveo лассз цикпоесй поааш
УГО Л ОПСРСХСНИЯ М*МГ<!ГИЯ Тзоаолч:ту1Ънсль гс^ен*! Созф<£*ттмг исхода чзрю клапан
Входные данные
—впускного кпагсна - выпускнзго коэпана 0.031
0.031
Koettiyc угя.ч эоточкх
— кгипача впуск о - кпзпана выпуска 0.7071
D.7071
Длимо плеча коромысла
Ре;ультать(0] ;
Цилиндр 1 Цид^ндр 2
Скорость вращения коленвала
i
; ! i
0,0
0,2.
0,3 0,4 t
03
0,7
Скорость вращения галенвапа поюрота колебала
Рис. 2. Главное окно комплекса
Приложение предлагает пользователю возможности сохранения проектов в файл и в базу данных. Под проектом понимается совокупность описания условий эксперимента (двигателя) и результатов данного эксперимента.
При первой попытке доступа к базе данных приложение запрашивает данные для доступа к базе данных (драйвер, адрес, имя пользователя и пароль). Окно запроса представлено на рис. 3.
Д Подключение Q
User name: Password: Database URL: Driver:
root
jdbc:mysql://localhost:3306/icedb
com mysql jdbc Driver
¡Connect]
Рис. 3. Окно запроса доступа к базе данных
Строка меню содержит следующие функции:
Файл —> Новый. Создаёт новый проект двигателя.
Файл —► Открыть —> Из файла... Предлагает пользователю диалог
для загрузки проекта из файла.
Файл ^ Открыть ^ Из базы данных... Предлагает пользователю диалог для загрузки проекта из базы данных.
Файл ^ Сохранить ^ В файл... Предоставляет пользователю диалог для сохранения проекта в файл.
Файл ^ Сохранить ^ В базу данных... Предоставляет пользователю диалог для сохранения проекта в базу данных. Пользователь может сохранить проект, обновив существующую запись, или же создать новую.
Файл ^ Сохранить ^ Сохранить Предоставляет пользователю возможность сохранить проект туда, куда он был сохранён в последний раз, окно доступа к базе или в файл не появится.
Файл ^ Выход. Закрытие программы.
Эксперимент ^ Провести... Открывает диалог для проведения эксперимента. В нём пользователь может указать путь к ядру Wolfram Mathematica (например, «/usr/local/Wolfram/Mathematica/7.0/Executables/
MathKernel»), продолжительность работы двигателя, шаг дифференцирования, пометку для результатов экспериментов. Окно параметров эксперимента отображено на рис. 4.
Рис. 4. Окно параметров эксперимента
Справка ^ О программе. Открывает диалог, в котором указаны авторы программы.
Выводы
Разработанное программное обеспечение содержит модуль управления, предназначенный для организации управления всеми модулями комплекса, реализации главного диалогового интерфейса комплекса.
Функции других моделей заключаются в следующем:
Модуль ввода данных обеспечивает ввод данных как с клавиатуры, так и из внешнего файла. Данные представляют собой параметры модели двигателей и настройки сеанса моделирования: шаг квантования, время счета.
Модуль решения уравнений предназначен для решения алгебраических и дифференциальных уравнений модели. Алгебраические уравнения порядка не выше второго решаются аналитически. Обыкновенные диффе-
259
ренциальные уравнения решаются численно методом Рунге-Кутты. Особенность применяемого алгоритма решения дифференциальных уравнений состоит в учете изменений параметров модели на каждом шаге интегрирования.
Модуль сохранения данных предназначен для сохранения параметров модели и результатов моделирования в файлы и в базу данных свободно распространяемой СУБД MySQL.
Модуль визуализации применяется для отображения результатов моделирования в виде графиков. Кроме этого модуль позволяет отображать мнемосхемы отдельных частей двигателя - цилиндров и коллектора -с индикацией цветом их состояний: «нормальное», «перегрев», «аварийное».
Программный комплекс представляет собой открытую программную систему. Это позволяет развивать его, расширяя набор применяемых функций. Имеется возможность применения различных методов численного решения дифференциальных уравнений и других платформ СУБД.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 год, государственный контракт № П615 от 18.05.2010 г.
Список литературы
1. Агуреев И. Е., Власов М. Ю., Волков А. И. Применение нелинейных динамических моделей двигателей внутреннего сгорания для построения скоростных и нагрузочных характеристик // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып. 3. С.492-502.
2. Агуреев И. Е. Нелинейные динамические модели поршневых двигателей внутреннего сгорания: Синергетический подход к построению и анализу: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2001. 224 с.
3. Агуреев И. Е., Малиованов М. В. Динамика и синергетика поршневых двигателей внутреннего сгорания // Двигателестроение, № 2. 2001. С. 36-39.
I. E. Agureev, K.A.Avdeev, M. Yu. Bogatyrjev
THE COMPOSITION AND USAGE OF THE COMPUTER PROGRAM COMPLEX FOR THE MODELING OF ENERGY EFFECTIVE REGIMES OF RECIPROCATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES
The questions connected with developing of the composition and content of the computer program complex for the modeling stationary and non-stationary regimes of reciprocating internal combustion engines are considered. The module composition of program complex and the sample of calculation are presented.
Key words: internal combustion engines, mathematical modeling, computer program
Получено 24.08.2012
