郭衛(wèi)勇/武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于JFlow的船舶主機(jī)高溫淡水冷卻系統(tǒng)的仿真研究

郭衛(wèi)勇/武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院

本文以船舶主機(jī)高溫淡水冷卻水系統(tǒng)為對象建立了仿真模型，應(yīng)用JFlow平臺進(jìn)行了動態(tài)仿真，通過對主機(jī)變工況和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真分析，從而驗證了所建模型的準(zhǔn)確性，為船舶冷卻水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性研究提供了參考。

JFlow；冷卻水系統(tǒng)；仿真

1. 引言

船舶冷卻水系統(tǒng)是保證船舶動力裝置安全可靠運(yùn)行的動力系統(tǒng)之一，主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件強(qiáng)烈受熱，不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s會使其過熱，導(dǎo)致主機(jī)充量系數(shù)下降，機(jī)油變質(zhì)，零件的摩擦、磨損加劇，其結(jié)果是主機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。但主機(jī)過冷時，主機(jī)工作粗暴，CO和HC排放增加，熱損失和摩擦損失加大，尤其是氣缸的磨損會成倍增加。因此對主機(jī)高溫淡水冷卻的控制，尤其是主機(jī)變工況運(yùn)行時的研究就顯得尤為重要，本文將應(yīng)用JFlow平臺對主機(jī)變工況運(yùn)行時高溫淡水溫度的變化進(jìn)行分析，以驗證模型的準(zhǔn)確，為冷卻水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的研究提供參考。

2 .JFlow平臺介紹

JFlow是一個針對流體網(wǎng)絡(luò)的軟件工具，具有友好的用戶界面。它用于單相流分析和建立流體仿真模型。JFlow在建模時充分的考慮了流體系統(tǒng)中的質(zhì)量、能量、動量守恒定律，可用于計算流體的動態(tài)參數(shù)包括整個流體系統(tǒng)內(nèi)流量、壓力和溫度等。它的計算方法是將所有與流速和壓力相關(guān)的方程線性化構(gòu)成一個矩陣，通過快速稀疏矩陣解法求出流速和壓力。由此可實現(xiàn)高效、實時的流體網(wǎng)絡(luò)仿真。此外，JFlow工具在對模型編譯時，可自動生成C或Fortran語言，因此模型具有很好的可移植性。

3 .主機(jī)高溫冷卻水系統(tǒng)模型的建立

主機(jī)高溫冷卻水系統(tǒng)主要包括了兩臺主機(jī)高溫冷卻泵、一臺主機(jī)缸套預(yù)熱泵、主機(jī)、除氧器、造水機(jī)、高溫淡水膨脹水箱、各種閥件、溫度、壓力、流量顯示控件等。圖3.1中的管路控件比較形象的顯示了機(jī)艙中高溫淡水的運(yùn)行狀況，當(dāng)高溫淡水管路中的離心泵、閥運(yùn)行狀況發(fā)生改變時，相應(yīng)管路高溫淡水的運(yùn)行狀況就會發(fā)生改變。壓力顯示控件分別顯示了主機(jī)缸套高溫水入口壓力、主機(jī)缸套高溫水出口壓力、高溫水中冷器的入口及出口壓力。溫度顯示控件分別顯示了高溫淡水進(jìn)、出主機(jī)溫度，高溫淡水進(jìn)、出缸套水冷卻器的溫度。流量顯示控件分別顯示各管路的流量大小。

圖3.1 主機(jī)高溫淡水冷卻系統(tǒng)

4. 主機(jī)變工況運(yùn)行仿真分析

船舶運(yùn)行工況發(fā)生變化時，主機(jī)的負(fù)荷也隨著改變，高溫淡水出主機(jī)溫度和入主機(jī)溫度也相應(yīng)的改變，同時中央冷卻器低溫淡水溫度也相應(yīng)改變。為了更直觀的反應(yīng)冷卻水溫度隨主機(jī)負(fù)荷的變化而變化，在JFlow平臺下，通過改變主機(jī)的功率，得到了冷卻水溫度變化的曲線，如下圖所示：

（1）當(dāng)t=2:20時，主機(jī)功率突然增加12％，其溫度變化如圖4.1，圖4.2，圖4.3。

圖4.1 高溫淡水出主機(jī)溫度

圖4.2 高溫淡水入主機(jī)溫度（主機(jī)負(fù)荷增加）

圖4.3 主機(jī)高溫淡水系統(tǒng)三通閥開度變化

圖4.1，圖4.2，圖4.3顯示了冷卻淡水系統(tǒng)的主要的幾個溫度變化曲線圖。在t=2:20時，由于主機(jī)功率突然增加，故高溫淡水出主機(jī)溫度和高溫淡水入主機(jī)溫度均有一個增加的趨勢，這其中，高溫淡水出主機(jī)溫度的增加幅度最為明顯，因為它直接受到主機(jī)功率的影響，其次是高溫淡水入主機(jī)溫度。在t=2:50時，它們均有一個下降的趨勢，因為高溫淡水系統(tǒng)的三通閥的開度減小，流經(jīng)高溫淡水冷卻器的高溫淡水流量隨之增加，因而溫度有所下降，但最終穩(wěn)定在某一值。

當(dāng)主機(jī)功率從正常航行狀態(tài)突然減少時此時正好與上面所述情況相反。

從圖中可得知，系統(tǒng)能夠正確的模擬主機(jī)在變工況運(yùn)行時主機(jī)高溫冷卻水溫度的變化，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷增加時，高溫淡水出主機(jī)溫度和入口溫度也隨之增加，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷減少時，高溫淡水出主機(jī)溫度和入口溫度也隨之減少，但是隨著高溫淡水出主機(jī)溫度的不斷變化，高溫淡水帶走主機(jī)的熱量也隨著變化，最終與實際的熱負(fù)荷相等，因此，其溫度最終穩(wěn)定在某一溫度上。

5. 穩(wěn)態(tài)仿真分析

在JFlow平臺下進(jìn)行了仿真，從開始運(yùn)行到系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)其過程如下圖所示：

圖5.1 中央冷卻器（海水側(cè)）

圖5.2 中央冷卻器（低溫淡水側(cè)）

圖5.3 主機(jī)冷卻水入口溫度

圖5.4 主機(jī)冷卻水出口溫度變化

從上圖可得知，系統(tǒng)從開始運(yùn)行大約3分鐘后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，高溫淡水冷卻各參數(shù)如圖3.1。

6 .總結(jié)

本文簡單介紹了JFlow平臺，并在該平臺上建立了船舶主機(jī)高溫淡水冷卻系統(tǒng)模型，對主機(jī)變工況和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行了仿真，實驗結(jié)果表明：基于JFlow的主機(jī)高溫淡水冷卻系統(tǒng)模型仿真速度快，在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時與實際船舶運(yùn)行參數(shù)以及輪機(jī)模擬器仿真參數(shù)相比，參數(shù)精度高，符合輪機(jī)模擬器培訓(xùn)要求。

[1]馬量．船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真，（碩士論文）大連海事大學(xué)，2007.3．

[2]潘偉昌．船舶中央冷卻系統(tǒng)的分析與初步研究，（碩士論文）哈爾濱工程大學(xué)．2001.12．

[3]鄭銳沖．船舶冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，（碩士論文）武漢理工大學(xué)，2000. 3．

[4]賈小?。袄鋮s水系統(tǒng)建模的分析與研究，（碩士論文）武漢理工大學(xué)，2003. 5．

[5]孫培廷等．船舶中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，大連海事大學(xué)學(xué)報，1998 24卷第三期．

郭衛(wèi)勇，男，講師，主要從事船舶柴油機(jī)及輪機(jī)管理方向的教學(xué)和研究。