【正文】 在一定程度上降低柴油機(jī)的推進(jìn)效率。反之，機(jī)艙內(nèi)低溫會(huì)使空氣的密度增大，最高燃燒壓力升高。因此將機(jī)艙的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常工作是非常必要的。此外，在船舶機(jī)艙中，自動(dòng)化設(shè)備要求的環(huán)境溫度是 :機(jī)艙及主控制站 0～ 55℃，安裝在有發(fā)熱部件的柜 (箱、臺(tái) )內(nèi)的電子設(shè)備，在工作過程中應(yīng)能承受最高 70℃的溫度不會(huì)失效。自動(dòng)化設(shè)備對(duì)濕度的要求是 :溫度達(dá)到 40℃時(shí)，相對(duì)濕度為 95～ 100%，溫度高于 40℃時(shí)，相對(duì)濕度為 70%。隨著溫度的變化，儀表的精度和靈敏度會(huì)不同，當(dāng)環(huán)境溫度超過儀表的有效溫度范圍時(shí)，有的儀表可能不能正常工作。另一方面，機(jī)艙也是輪機(jī)管理人員工作的場所，機(jī)艙中的溫度、濕度以及油氣等有害氣體的含量構(gòu)成了機(jī)艙的環(huán)境條件，空氣中的粉塵、有害氣體以及高溫高濕等都會(huì)損害人體的健康。在眾多因素中，機(jī)艙的溫度對(duì)工作人員的影響可以說是最大的。從醫(yī)學(xué)觀點(diǎn)看，平均在 1520℃之間最適宜人們的工作，而實(shí)際中由于主柴油機(jī)、發(fā)電用柴油機(jī)以及鍋爐等設(shè)備的持續(xù)散熱，機(jī) 艙中的溫度會(huì)不斷上升并對(duì)人體產(chǎn)生危害，這時(shí)候就要保證一定的通風(fēng)量來控制機(jī)艙內(nèi)適宜的溫度。綜上所述，船舶機(jī)艙通風(fēng)的主要目的就是用以建立并維持機(jī)艙內(nèi)適宜的環(huán)境條件 (溫度、濕度、空氣流速、清潔度和空氣成份等 )以保證柴油機(jī)、鍋爐燃燒所必須的空氣量，同時(shí)也是保證機(jī)艙內(nèi)部良好的工作環(huán)境，改善輪機(jī)人員的勞動(dòng)和衛(wèi)生條件。概括起來，機(jī)艙通風(fēng)設(shè)備應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1）為主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐等燃燒設(shè)備提供必需的燃燒用空氣量； （ 2）帶走設(shè)備的散熱量，保持機(jī)艙內(nèi)的適當(dāng)溫度。 （ 3）排出機(jī)艙內(nèi)可能的有害氣體，保持空氣清潔，為機(jī)艙內(nèi)工 作人員創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件。 （ 4）排除可燃?xì)怏w以防爆炸和火災(zāi)。 選題的目的 和意義 此次設(shè)計(jì)是基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真，是根據(jù)某實(shí)船上的通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)以及實(shí)際的通風(fēng)機(jī)的排量對(duì)船上各個(gè)艙室的氣壓變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬 。此次仿真設(shè)計(jì)是根據(jù)每個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的大小，計(jì)算出每單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入艙室的空氣量，以及根據(jù)實(shí)際需要，可以人為改變艙室進(jìn)風(fēng)開關(guān)的大小來進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，從而進(jìn)行系統(tǒng)控制，以達(dá)到所要控制的艙室維持在一個(gè)穩(wěn)定度的氣壓水平，進(jìn)而為艙室 內(nèi) 的人力資源、環(huán)境資源、物質(zhì)資源、管理資源提供一個(gè)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的 場所，進(jìn)而為航運(yùn)的高效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)輸提供一個(gè)舒適安全的環(huán)境。 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 3 課題研究 的 主要任務(wù) 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是根據(jù)艙內(nèi)設(shè)備的工況確定供風(fēng)量并根據(jù)設(shè)備的布置確定各個(gè)供風(fēng)口的大小、型式及布置。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)系統(tǒng)不僅要滿足船舶建造規(guī)范對(duì)供風(fēng)量的要求，還要使艙內(nèi)氣流組織合理，艙內(nèi)溫度分布較均勻，避免出現(xiàn)空氣流動(dòng)死角使熱量堆積導(dǎo)致局部溫度超過規(guī)范規(guī)定的最高數(shù)值。對(duì)于己經(jīng)設(shè)計(jì)完成并安裝到實(shí)船的通風(fēng)系統(tǒng)，一般通過測量風(fēng)管風(fēng)壓和通風(fēng)口的風(fēng)速確定供風(fēng)量的分布是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。然而這種方法并不能得到整個(gè)機(jī)艙內(nèi) 的空氣的溫度場和速度場的分布，所以無法對(duì)一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的完善程度做出精確的判斷和評(píng)價(jià)。若能提前知道通風(fēng)的氣流組織和溫度的分布，無疑將為通風(fēng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理論依據(jù)，并據(jù)此來改進(jìn)通風(fēng)的不合理狀況，且贏得了和船體結(jié)構(gòu)之間協(xié)調(diào)的時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期。因此在機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)完成之后，再模擬出通風(fēng)效果的各相關(guān)參數(shù)，再對(duì)通風(fēng)設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，從而避免了復(fù)雜的調(diào)試過程，縮短了設(shè)計(jì)周期。這符合數(shù)字化造船的基本要求和核心思想。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容就是根據(jù) 某實(shí)船的通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)以及上海亨遠(yuǎn)船務(wù)有限公司制造的軸流風(fēng) 機(jī)的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行 MATLAB 界面 仿真與數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)際的參數(shù)建立以下 模型： (1)建立 通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)界面。 (2)建立 變?nèi)?送 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 (3)建立了定容排（送）風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 (4)利用 MATLAB 語言以及 GUI 編輯界面 實(shí)現(xiàn)實(shí)際的控制操作。 (5)建立密閉空間的數(shù)學(xué)模型，以達(dá)到 空間內(nèi)氣壓實(shí)時(shí)地變化 。 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 4 第 2 章 船舶通風(fēng)系統(tǒng)建模實(shí)現(xiàn) 船舶通風(fēng)系統(tǒng)管道網(wǎng)絡(luò) 圖 概述 本課題船舶通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)某實(shí)際的集裝箱船的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管道的布局建立的。 參照實(shí)船模型 ，以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，繪出通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)示意圖。 如圖。 該通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)圖是集裝箱船舶的縱向剖面圖，其把實(shí)船縱向分為五個(gè)獨(dú)立密閉的空間，其劃分 是依據(jù)實(shí)船甲板布局以及通風(fēng)管網(wǎng)絡(luò)形態(tài)設(shè)定的 。五個(gè) 獨(dú)體的密閉 空間從上到下依次被 6 層貨物甲板、 2 層貨物甲板、第二甲板、第三甲板以及最底層的底艙甲板分層 。 如圖 ， 這 五個(gè)密閉的獨(dú)立的空間 形成了船舶的環(huán)境系統(tǒng)，這其中分別包含了人力資源、物質(zhì)資源、管理資源等。這些資源的 高效 運(yùn)行以及合理 安排 是通過八個(gè)送（排）風(fēng)機(jī)為它們提供合理的通風(fēng)換氣的空氣來實(shí)現(xiàn)的 ， 這樣 為機(jī)器運(yùn)行、工作人員生 存， 為船舶運(yùn)輸安全 提供合理的保障，進(jìn)而使得船舶高效地運(yùn)行 。 五個(gè)獨(dú)立的密閉空間包含了不同 的機(jī)器成分和人員安排，所以不同的空間所需要的空氣量不同，安排的排、 送風(fēng)機(jī)的型號(hào)也有差異。 其中被 2 層貨物甲板與第二甲板層分隔的空間里有機(jī)艙工作間和集控室。 由于 這里 是輪機(jī)管理人員的工作場所，機(jī)艙中的溫度必須保持在最適宜的工作溫度，機(jī)艙中的有害氣體必須及時(shí)的排出。所以此空間 分別由兩臺(tái)定容的供風(fēng)機(jī)提供生產(chǎn)生活所需要的空氣。其中工作間有單獨(dú)的排風(fēng)機(jī)， 以達(dá)到 為其中的工作人員及時(shí)有效的提供生活必須的空氣以及保持室內(nèi)的氣壓 、溫度 提供有 力支持。 同時(shí)此層有兩個(gè)集控室， 集控室 是船舶中自動(dòng)化設(shè)備的主要集中艙室。自動(dòng)化設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度要求比較高，同時(shí)自動(dòng)化設(shè)備在運(yùn)行時(shí)也有不同程度的發(fā)熱，根據(jù)運(yùn)行程度的不同，發(fā)熱的程度也不同。為了讓自動(dòng)化設(shè)備達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)，要安排合理的通風(fēng)散熱設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)換氣，進(jìn)而維持艙室內(nèi)溫度，壓強(qiáng)，含氧量的穩(wěn)定。 由第二層甲板和第三層甲板組成的密閉空間主要是發(fā)動(dòng)機(jī)和主機(jī)增壓器組成的。 對(duì)船用柴油機(jī)來說，其運(yùn)行環(huán)境需要運(yùn)行現(xiàn)場的大氣壓、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和中冷器冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度等因素維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。只有這些溫度維持在一 個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，柴油機(jī)才能更加穩(wěn)定的運(yùn)行，進(jìn)而為船舶的穩(wěn)定長期高效的運(yùn)行提供合理的條件。 因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)行需要合理的氧氣量、空氣壓力、介質(zhì)溫度等，這些條件為 燃油提供合適的 氧氣量 和燃燒條件， 所以 此空間安排了基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 5 兩臺(tái)變?nèi)莸乃惋L(fēng)機(jī) 為燃油燃燒提供通風(fēng)換氣的支持，同時(shí)也為此空間的良好運(yùn)行在一個(gè) 相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境 提供保障 。 第三層甲板與底層甲板組成的空間主要存在 有 分油機(jī)間， 分油機(jī)是一種離心式沉淀設(shè)備，作用是將待分離油中的雜質(zhì)顆粒和水分分離，基本原理是利用分離盤之間的微小間隙和分油機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的離心力將雜質(zhì)顆粒和水分等密度較大的成分 分離出去。 它為凈化燃油提供一個(gè)循環(huán)利用的平臺(tái)。它的高效運(yùn)行也是船舶運(yùn)行一個(gè)必不可少的條件。 同時(shí)底艙 底 要保持合適的正壓以保證尾軸洞不會(huì)因?yàn)樨?fù)壓差而進(jìn)水 ，為船舶的安全提供保障 。同時(shí)尾軸有軸強(qiáng)制風(fēng)機(jī)為此層空間的安全提供 的更進(jìn)一步的雙保險(xiǎn)，也為空間 內(nèi) 維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)提供了合理的氣壓、溫度支持 。 集 控 室6 層 貨 物 甲 板2 層 貨 物 甲 板2 層 貨 甲 板3 層 甲 板底 層 甲 板集 控 室工 作 間主 機(jī) 艙 上 層 通 風(fēng)主 機(jī) 艙 底 層 通 風(fēng)定 容 供 風(fēng) 機(jī)機(jī) 艙 排 風(fēng) 機(jī)排 風(fēng) 機(jī) 排 風(fēng) 機(jī)變 容 供 風(fēng) 機(jī) 1通 艙 底1 , 2 , 3號(hào) 主 機(jī)增 壓 器變 容 供 風(fēng) 機(jī) 2 定 容 供 風(fēng) 機(jī)主 機(jī) 艙 底 層 通 風(fēng)船 舶 機(jī) 艙 通 風(fēng) 網(wǎng) 絡(luò) 示 意 圖3 , 4 號(hào)發(fā) 電 機(jī)1 , 2 號(hào)發(fā) 電 機(jī)分 油 機(jī) 間分 油 機(jī) 間 排風(fēng) 機(jī)主 機(jī) 艙 底 層 通 風(fēng)左舷右舷通 艙 底圖 船舶通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)圖 風(fēng)機(jī)型號(hào) 本課題選用的風(fēng)機(jī)是上海亨遠(yuǎn)船務(wù)有限公司生產(chǎn)的船用的軸流風(fēng)機(jī)。 此公司生產(chǎn)的 FA 系列船用軸流通風(fēng)機(jī)可輸送含有 鹽霧的海洋空氣和含有油霧等微腐蝕性空氣。通風(fēng)機(jī)適用于軍船和民船上的各種艙室通風(fēng)換氣，也適用于局部冷卻和降溫，還適用于陸上各相關(guān)的適當(dāng)場所。 FA 系列船用軸流通風(fēng)機(jī)可匹配 500HZ，380V 或 440V 船用三相的異步電動(dòng)機(jī)。 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 6 其風(fēng)機(jī)型號(hào)如 下 表 風(fēng)機(jī)的型號(hào) 表 風(fēng)機(jī)的型號(hào) 風(fēng)機(jī)系統(tǒng) 分類 通過風(fēng)機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可知，其風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可大致分為四個(gè)部分 。 分別是如下： （ 1）左側(cè)定容供風(fēng)機(jī)及其所屬管道所連通的集控室 、工作間、主機(jī)艙上層，主機(jī)艙底層和通艙底以及其附屬的機(jī)艙工作間排風(fēng)機(jī)、軸強(qiáng)制風(fēng)機(jī) 。該系統(tǒng)主要由 兩個(gè)風(fēng)機(jī)組成，一個(gè)定容供風(fēng)機(jī)和一個(gè)機(jī)艙排風(fēng)機(jī)。定容供風(fēng)機(jī)為四層甲板艙提供空氣量，同時(shí)也為集控室、工作間提供需求風(fēng)量。同時(shí)，為了保證工作間的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，單獨(dú)配置了一個(gè)機(jī)艙排風(fēng)機(jī)來進(jìn)行精確的風(fēng)量控制。系統(tǒng)模塊如圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 1； （ 2）變?nèi)莨╋L(fēng)機(jī) 1 及其所屬管道所連通的 3,4 號(hào)發(fā)電機(jī)和主機(jī)艙底層 。該系統(tǒng)主要由一個(gè)變?nèi)莸墓╋L(fēng)機(jī)配合每個(gè)密封艙的自然排風(fēng)組成。主要是通過可調(diào)風(fēng)量大小的供風(fēng)機(jī)為 1,2 號(hào)發(fā)電機(jī)以及主機(jī)艙底層提 供合適的風(fēng)量，進(jìn)而為發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供條件。系統(tǒng)模塊如圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 2； （ 3）變?nèi)莨╋L(fēng)機(jī) 2 及其所屬管道所連通的 1,2 號(hào)發(fā)電機(jī)和分油機(jī)間以及附屬的分油機(jī)區(qū)排風(fēng)機(jī) 。該系統(tǒng)主要是由兩個(gè)風(fēng)機(jī)組成，一個(gè)變?nèi)莸墓╋L(fēng)機(jī)和一個(gè)風(fēng)機(jī) 編號(hào) 類型 個(gè)數(shù) 額定功率 (m179。/min*pa) 型號(hào) 1,2 號(hào)機(jī)艙送風(fēng)機(jī) 2 3500/2330 500/220 FAB1851 3 號(hào)機(jī)艙送風(fēng)機(jī) 1 3500 500 FAB1851 4 號(hào)機(jī)場送風(fēng)機(jī) 1 3500 500 FAB1408 機(jī)艙排風(fēng)機(jī) 2 1800 150 FAB1851 分油機(jī)區(qū)送風(fēng)機(jī) 1 500 600 FA905 軸強(qiáng)制風(fēng)機(jī) 1 500 120 FA852 機(jī)艙工作間排風(fēng)機(jī) 1 20 500 FA352 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 7 定容的排風(fēng)機(jī) 。其主要是為 1,2 號(hào)發(fā)電機(jī)以及分油機(jī)工作間提供生產(chǎn)生活所必須的空氣，同時(shí)為了分油機(jī)間的精確的空氣排量，特別安置了一個(gè)分油機(jī)間排風(fēng)機(jī)以提供保障。如圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 3； （ 4）右側(cè)定容供風(fēng)機(jī)及其所屬管道所連通的集控室、 1,2,3 號(hào)主機(jī)增壓器、主機(jī)艙底層和通艙底； 主要是為主機(jī)增壓 器以及集控室提供必備的空氣量。 為通風(fēng)換氣提供保障。如圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 4 圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 1 圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 2 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 8 圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 3 圖 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 4 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 9 各個(gè)工作間 模塊 分類 由通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)可以看出，各個(gè)密閉的工作間可以分為 四 類。 分別為： （ 1） 帶有工作間排風(fēng)機(jī)的，進(jìn)風(fēng)量可調(diào)的密閉的工作間模塊； （ 2） 無工作間排風(fēng)機(jī)的，進(jìn)風(fēng)量可調(diào)的密閉的工作間模塊； （ 3） 有工作間排風(fēng)機(jī)的，進(jìn)風(fēng)量不可主動(dòng)調(diào)節(jié)的工作間的模塊； （ 4） 整個(gè)甲板艙的密閉工作間模塊； 各個(gè)風(fēng) 機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 因?yàn)榇蔑L(fēng)機(jī)都是軸流式風(fēng)機(jī)，我們先介紹一下軸流風(fēng)機(jī)的工作原理。 軸流式風(fēng)機(jī)的工作原理 空氣沿軸向流動(dòng)的通風(fēng)機(jī)稱為軸流式通風(fēng)機(jī)。一般通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 所示，主要由集風(fēng)器、葉輪、導(dǎo)葉和擴(kuò)散器等組成。葉輪安裝在圓筒形機(jī)殼中，電動(dòng)機(jī)與葉輪直接聯(lián)接。 圖 軸流通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 １－集風(fēng)器，２－葉輪，３－導(dǎo)葉， 4－擴(kuò)散 由于風(fēng)機(jī)葉輪的葉片具有一定的斜面形狀，當(dāng)葉輪在機(jī)殼中高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使葉輪周圍氣體一面隨葉輪旋轉(zhuǎn)；一面沿軸向推進(jìn) ，氣體在通過葉輪時(shí)獲得能量，壓力升高，進(jìn)入擴(kuò)散管后一部分軸向氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以一定的壓力從擴(kuò)散管流出。 軸流風(fēng)機(jī)的特性 軸流式通風(fēng)機(jī)一般采用電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)的傳動(dòng)方式， 有些大型的軸流式通風(fēng)機(jī)也可將電動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)殼的外面， 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 10 采取皮帶輪或聯(lián)軸器傳動(dòng)的方式，且其葉輪的排風(fēng)側(cè)有的設(shè)有固定導(dǎo)葉，可將一部分偏轉(zhuǎn)氣流轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，有助于氣流的擴(kuò)散。 軸流式通風(fēng)機(jī)的葉片有各種各樣型式，有板型、機(jī)翼型等等。 葉片從根部到葉稍常采用扭曲形的。 有些葉輪的葉片安裝角是可以調(diào)整的， 通過調(diào)整葉片安裝角可以改變 風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)。 軸流風(fēng)機(jī)的 性能 參數(shù) 風(fēng)量 Q、風(fēng)壓 P、轉(zhuǎn)速 n、功率 N 及效率η是表示通風(fēng)機(jī)性能的主要參數(shù)。 （ 1）風(fēng)量 通風(fēng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所輸送的氣體體積稱為風(fēng)量，又稱流量。通常指的是工作狀態(tài)下的氣體量 (m3/h 或 m3/s)，而在風(fēng)機(jī)銘牌上有時(shí)標(biāo)出的是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)量 (Nm3/h 或 Nm3/s)。 （ 2）風(fēng)壓 通風(fēng)機(jī)出口氣體全壓與進(jìn)口氣體全壓之差 (或進(jìn)、出口全壓絕對(duì)值之和