【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 .............................................................................................................67 攻讀碩士學(xué)位期間公開(kāi)發(fā)表論文情況 .........................................................................71 致 謝 .............................................................................................................................72 研究生履歷 .....................................................................................................................73 船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真 1 第 1章 緒論 現(xiàn)代遠(yuǎn)洋船舶幾乎都采用了中央冷卻系統(tǒng)。這種冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是，利用舷外海水通過(guò)一個(gè) 低溫淡水 冷卻器對(duì)低溫淡水進(jìn)行冷卻，被冷卻的低溫淡水再去冷卻各種換熱器和船舶主柴油機(jī) 缸套水 冷卻器中的高溫淡水，主柴油機(jī)是由高溫冷卻水回路進(jìn)行冷卻 [1]。在這種冷卻系統(tǒng)中，舷外海水不再接觸各種換熱器和主柴油機(jī)。因此，避免了海水引起的腐蝕問(wèn)題，提高了設(shè)備和系統(tǒng)的安全可靠性及壽命。因此，對(duì)船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的研究仍然是一個(gè)重要的課題，這其中就包括主機(jī)冷卻水系統(tǒng)建模與仿真的研究。 選題背景與意義 主機(jī)冷卻水系統(tǒng)是保障主機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)，它通過(guò)冷卻水的循環(huán)帶走了主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中散發(fā)出來(lái)沒(méi)有轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的熱量，從而避免了因大量熱量的積累而造成的金屬疲勞脆化和潤(rùn)滑油的失效 [2]。主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與高溫燃 氣相接觸的零件強(qiáng)烈受熱，不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s會(huì)使其過(guò)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(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。但主機(jī)過(guò)冷時(shí)，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(huì)成倍增加 [3,4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶主柴油機(jī)缸套 90％以上的故障是缸套的非正常磨損以及缸套裂紋。主機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)對(duì)主柴油機(jī)缸套的合理冷卻有助于減輕主機(jī)缸套的磨損，精確的溫度控制會(huì)有效地控制柴油機(jī)缸套的低溫腐蝕和高溫腐蝕以及減小熱應(yīng)力 [5]。因此，船舶主機(jī)缸套冷卻水系 統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到船舶主機(jī)的工作性能，想要優(yōu)化和充分發(fā)揮船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的性能，就需要了解它在工作時(shí)的熱力水力動(dòng)態(tài)過(guò)程 [6]。 可是，如果我們對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，不僅花費(fèi)大，而且可供選擇的余地也小，因此，用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)研究系統(tǒng)的特性已成為科學(xué)發(fā)展的時(shí)尚 [7,8]。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，即人們根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，深入分析研究仿真對(duì)象 (現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) )的各要素性質(zhì)，相互關(guān)系和規(guī)律，通過(guò)抽象建立能夠描述該仿真對(duì)象的結(jié)構(gòu)和行為且具有一定邏輯關(guān)系和數(shù)學(xué)關(guān)系的理論模型，然后采用編程技術(shù)將這些模型編成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠識(shí)別的 程序，再由計(jì)算機(jī)演示該系統(tǒng)，用以分析和研究系第 1 章 緒論 2 統(tǒng)的性能，達(dá)到認(rèn)識(shí)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的目的 [9]。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的一套軟、硬件系統(tǒng)稱之為仿真系統(tǒng)。 硬件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，硬件設(shè)備的性能決定了仿真系統(tǒng)所允許的信息流通量、存貯空間、實(shí)時(shí)運(yùn)算速度等性能。硬件系統(tǒng)主要由圖形計(jì)算機(jī)及局域網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出接口、仿真控制臺(tái)盤(pán)和電源等幾部分組成。 軟件系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的核心，它決定了仿真技術(shù)的水平，主要由仿真支撐軟件和模型應(yīng)用軟件兩大部分組成。仿真支撐軟件是基于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的專門(mén)用于仿真系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的工具性軟件，是仿 真系統(tǒng)的專用平臺(tái)和開(kāi)發(fā)工具。模型應(yīng)用軟件則是仿真系統(tǒng)中的核心，是對(duì)仿真對(duì)象的高度概括，仿真模型軟件合理與否，決定了該仿真系統(tǒng)的效果。因此，對(duì)仿真對(duì)象的建模是建立仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵。 開(kāi)發(fā)仿真系統(tǒng)傳統(tǒng)的方法是一種逐步工作的過(guò)程，它包括確定仿真目標(biāo)、建立數(shù)學(xué)模型、建立能為計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)處理的仿真模型、調(diào)試仿真模型、仿真模型試驗(yàn)運(yùn)行、結(jié)果分析、反饋修改數(shù)學(xué)模型、修改仿真模型、再次仿真運(yùn)行等。 與航空、航天技術(shù)工業(yè)相比，船舶行業(yè)屬于相對(duì)傳統(tǒng)、古老的技術(shù)領(lǐng)域。然而現(xiàn)代仿真技術(shù)由于可以通過(guò)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)多次的試驗(yàn)運(yùn)行來(lái)取代 耗資巨大的物理模擬和實(shí)物試驗(yàn)，甚至可以進(jìn)行受各種原因和條件限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)和試航，具有投資少、效益高、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)、可重復(fù)、周期短等突出特點(diǎn)，被迅速推廣應(yīng)用到船舶領(lǐng)域的各個(gè)方面，使船舶技術(shù)得到較大的發(fā)展 [9]。國(guó)外對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于六十年代末，七十年代取得了重大的進(jìn)展，到八十年代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已作為一門(mén)十分成熟的技術(shù)，應(yīng)用到船舶領(lǐng)域的各個(gè)方面。 在計(jì) 算機(jī)上對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的模型進(jìn)行試驗(yàn)，為模型的建立和實(shí)驗(yàn)提供了巨大的靈活性和方便性。利用計(jì)算機(jī)，使得數(shù)學(xué)模型的求解變得更加方便、快捷和精確，適用于解 決規(guī)模大、難以解析化以及不確定的系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)得日漸成熟，圖形用戶界面越來(lái)越友好，使得計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的交換性更加增強(qiáng)。在仿真系統(tǒng)中，界面不僅用來(lái)顯示仿真系統(tǒng)得狀態(tài)，而且允許分析者與仿真系統(tǒng)對(duì)話，修改系統(tǒng)參數(shù)從而改變仿真得狀態(tài)。 用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)制成的生產(chǎn)過(guò)程仿真系統(tǒng)，可以在不影響過(guò)程運(yùn)行的情況下，研究、分析運(yùn)行參數(shù)對(duì)各工況的影響，從而使生產(chǎn)過(guò)程達(dá)到最佳狀態(tài)，還可以利用仿真系統(tǒng)人為的設(shè)定各種異常情況，研究和分析處理這些事故應(yīng)能采取的措施。 船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真 3 輪機(jī)仿真訓(xùn)練器 (Marine Engine Simulator)是計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在航海領(lǐng)域的典型應(yīng)用，它目前己成為為廣大船員培訓(xùn)、考核的重要手段 [10]。我國(guó)是一個(gè)航運(yùn)大國(guó)，每年有大量的高等院校的輪機(jī)學(xué)員走向航海崗位，需要崗前訓(xùn)練，還有大批社會(huì)上的在職船員要求技能提高培訓(xùn)，具有很大的船員培訓(xùn)市場(chǎng)。然而傳統(tǒng)的實(shí)船培訓(xùn)高級(jí)船員的方法不僅周期長(zhǎng)、耗資巨大，而且風(fēng)險(xiǎn)也很大?，F(xiàn)代船舶輪機(jī)仿真訓(xùn)練器可以在很大程度上替代實(shí)船設(shè)備，使被培訓(xùn)人員能在與實(shí)船很相似的場(chǎng)所下，進(jìn)行各項(xiàng)輪機(jī)管理、操作以及排除故障的訓(xùn)練。國(guó)際海事組織 IMO在 1995年 7月 7日全面修訂的《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值 班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約》中，明確規(guī)定：航海、輪機(jī)部門(mén)的人員必須經(jīng)過(guò)輪機(jī)仿真訓(xùn)練器的培訓(xùn)才能上崗。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的日益發(fā)展，為輪機(jī)仿真器的開(kāi)發(fā)提供了更有力的手段。目前的輪機(jī)仿真訓(xùn)練器主要采用一種面向過(guò)程的集中式封閉系統(tǒng)的建模方法，該種結(jié)構(gòu)要求系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員對(duì)整套系統(tǒng) (至少某個(gè)子系統(tǒng) )很熟悉，開(kāi)發(fā)難度大，周期長(zhǎng)，并且日后的系統(tǒng)維護(hù)和功能增加也不容易進(jìn)行。隨著建模技術(shù)的發(fā)展，利用面向?qū)ο蟮慕７椒▽⒋蟠蠼档徒９ぷ鞯碾y度，不用每個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員掌握系統(tǒng)全局，只要求他們對(duì)某個(gè)局部對(duì)象的理解，這樣可將建模工作分開(kāi)給許多人員并行的進(jìn)行，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。系統(tǒng)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)者就像將己經(jīng)成品的縱多零件 (系統(tǒng)對(duì)象 )組裝為一臺(tái)汽車(chē) (系統(tǒng) )一樣，將各個(gè)子對(duì)象進(jìn)行連接。顯然，利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行建模的系統(tǒng)，其日后的維護(hù)和功能添加也很容易實(shí)現(xiàn)。 在船舶輪機(jī)仿真訓(xùn)練器中，主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真是一個(gè)很重要的工作。船舶主機(jī)系統(tǒng)是一條船舶的核心系統(tǒng)，它是船舶的動(dòng)力之源。而主機(jī)冷卻水系統(tǒng)則是保證主機(jī)安全工作的重要組成部分。為了滿足不斷增長(zhǎng)的用戶培訓(xùn)要求，需要進(jìn)一步完善和增添現(xiàn)有主機(jī)冷卻水系統(tǒng)仿真訓(xùn)練器的功能。本文就對(duì)這一課題做了比較詳細(xì)的研究。 國(guó) 內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 建模與仿真的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài) 建模就是針對(duì)研究事物的某種需要，抽取相關(guān)的某些特殊信息，并使之映射于特定信息空間的某種抽象集合的形式化描述。而仿真是研究者利用事物的模型，創(chuàng)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，以及在此環(huán)境下研究事物的操作方式，使研究者在 “人一模第 1 章 緒論 4 型 ”交互過(guò)程中，去感受、了解、或者控制事物變化機(jī)理和規(guī)律。建模是仿真的基礎(chǔ)，仿真是建模的目的 近年來(lái)由于信息技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)建模與仿真己經(jīng)在定性的科學(xué)與研究、輔助設(shè)計(jì)和選型、教育和培訓(xùn)、游戲娛樂(lè)等方面有了更廣泛的應(yīng)用。 (1) 國(guó) 外建模與仿真的動(dòng)態(tài) 伴隨著第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)的誕生和以相對(duì)論為基礎(chǔ)的模擬技術(shù)的應(yīng)用，建模與仿真作為一種研究新產(chǎn)品、新技術(shù)的科技手段，在國(guó)外從 20世紀(jì) 30年代以來(lái)，在航天、造船、兵器等各行各業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)。 1930年左右，美國(guó)陸、海、空隊(duì)就使用林克式儀表飛行模擬訓(xùn)練器，當(dāng)時(shí)其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)于每年節(jié)省 ，而且少犧牲 524名飛行員。 50年代，澳大利亞武器研究機(jī)構(gòu)和英國(guó)皇家航空研究所聯(lián)合研制的警犬 (BLOOD HOUND)導(dǎo)彈，利用仿真實(shí)驗(yàn)輔助發(fā)射，與同期的德國(guó)、美國(guó)、蘇聯(lián)直接通過(guò)導(dǎo)彈發(fā)射相比，發(fā)射次數(shù)僅為 后者的十分之一，大大減少了耗資。建模與仿真不僅用在武器方面，而且在 “虛擬制造 ”方面也一鳴驚人。計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng) CIMS、虛擬制造、分布式虛擬制造等相繼而生。 (2) 國(guó)內(nèi)建模與仿真的動(dòng)態(tài) 我國(guó)建模與仿真相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)，起步稍晚，至今己有 40多年的歷史，并取得了飛速發(fā)展。 20世紀(jì) 50年代初，建模與仿真技術(shù)最早應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域，飛機(jī)、導(dǎo)彈的飛行控制、制導(dǎo)系統(tǒng)采用數(shù)字仿真和半實(shí)物仿真進(jìn)行分析試驗(yàn)，采用的是模擬計(jì)算和面向方程的建模方法。 60年代，建模與仿真的應(yīng)用不僅僅在連續(xù)系統(tǒng)和工程領(lǐng)域，而且擴(kuò)展到離散事件系統(tǒng)和社會(huì) 經(jīng)濟(jì)等非工程領(lǐng)域，如交通管理、企業(yè)管理、人口動(dòng)力學(xué)等等。 70年代，訓(xùn)練仿真器獲得突破性進(jìn)展，各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用訓(xùn)練仿真器對(duì)駕駛員、操作人員、指揮人員、管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，飛行模擬器、電站訓(xùn)練仿真器、鐵路機(jī)車(chē)仿真器、化工過(guò)程仿真器、汽車(chē)駕駛模擬器等相繼研制成功。 80年代，我國(guó)建成了一大批具有先進(jìn)水平的仿真實(shí)驗(yàn)室和仿真工程，應(yīng)用于型號(hào)研制。在仿真算法和仿真軟件方面，包括微分方程、線性方程和離散事件的串行 /離散算法及優(yōu)化取得很大成就，開(kāi)發(fā)出多種通用連續(xù)系統(tǒng)仿真語(yǔ)言、連續(xù) /離散混合仿真語(yǔ)言，可在工作站或微機(jī)運(yùn)行。在此期間， 我國(guó)還成功研制出專用的數(shù)字仿真計(jì)算機(jī)，并向通用、分布、并行、智能化的新一代仿真計(jì)算機(jī)發(fā)展。船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真 5 90年代，我國(guó)對(duì)新的先進(jìn)仿真技術(shù)開(kāi)展了研究，包括聯(lián)網(wǎng)仿真、分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、基于仿真的設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)、定量和定性相結(jié)合的仿真、建模與仿真的重用和互操作性以及分布虛擬環(huán)境等。 主機(jī)冷卻水系統(tǒng)建模 與仿真 的國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 目前，國(guó)內(nèi)外有許多公司、高校和科研機(jī)構(gòu)都在對(duì)主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模和仿真進(jìn)行研究。通過(guò)多方面查閱資料，作者對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主機(jī)冷卻水系統(tǒng)建模與仿真的現(xiàn)狀有了一個(gè)初步的了解。 (1) 國(guó)外主機(jī)冷卻水系統(tǒng)建模與仿真 的發(fā)展動(dòng)態(tài) 。 圖 NORControl RTAIII輪機(jī)模擬器 淡水系統(tǒng) 界面 Fig. Display of fresh water system of NORControl RTAIII engine room simulator 第 1 章 緒論 6 圖 船商模擬器普通貨船淡水冷卻 系統(tǒng) 界面 Display of fresh water cooling system of TRANSAS general cargo engine room simulator 主機(jī)冷卻水系統(tǒng)模擬器是 輪機(jī)模擬器的一部分 ， 本世紀(jì)七十年代以來(lái) ， 挪威的挪控公司 (NORControl) 、英國(guó)船商公司 (TRANSAS) 、德國(guó)西門(mén)子公司(SIEMENS)、波蘭 Golynia 航海學(xué)院、日本三菱公司 (MITSUBISHI)、美國(guó) Avator技術(shù)公司等大公司和院校均開(kāi)始研制和生產(chǎn)輪機(jī)仿真模擬器。其中以 NORControl公司最為著名，產(chǎn)品居世界領(lǐng)先水平，已有近 500 部模擬仿真器交付全世界的商船公司、海軍及航海院校、研究所和職業(yè)培訓(xùn)中心使用，約占整個(gè)市場(chǎng)份額的 80%。下面介紹一下 NORControl 公司的產(chǎn)品 RTAIII 輪機(jī)模擬器。 RTAIII 輪機(jī)模擬器由海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等組成。其特點(diǎn)是被仿真的輪機(jī)對(duì)象齊全，幾乎無(wú)所不包，逼真度高，計(jì)算速度快。但人機(jī)界面不太友好。如圖 所示。圖 則是船商模擬器中的一個(gè)界面，它的人機(jī)界面較挪控公司的友好。 船舶主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真 7 (2) 國(guó)內(nèi)主機(jī)冷卻水系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展動(dòng)態(tài) 。 在主機(jī)冷卻水系統(tǒng)建模方面，國(guó)內(nèi)也有很多高校的學(xué)者對(duì)主機(jī)冷卻水系統(tǒng)的建模進(jìn)行了比較深入的研究。上海海事大學(xué)的許曉彥老師在對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行建模時(shí) ,采用的方法是首先針對(duì)系統(tǒng)管路中的各個(gè)器件分別建立穩(wěn)態(tài)熱傳遞數(shù)學(xué)模型 ,然后根 據(jù)實(shí)情分別設(shè)置各自的時(shí)間常數(shù) ,最后 列出各個(gè)器件的動(dòng)態(tài)模型。以中央冷卻器的動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ)的整個(gè)系統(tǒng)的模型也隨之可獲得。而大連海事大學(xué)的吳桂濤老師則通過(guò)傳熱學(xué)的有關(guān)理論，分析了各換熱器冷熱兩側(cè)的蓄熱量的變化，得到了船舶主柴油機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)熱力數(shù)學(xué)模型。 在仿真方面， 我國(guó)的研究工作起步較晚，總體技術(shù)水平落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。在上世紀(jì) 70 年代末，大連海運(yùn)學(xué)院率先從 Norcontrol 公司引進(jìn)了輪機(jī)模擬器。上世紀(jì) 80 年代中期，青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院也從該公司進(jìn)口了同類產(chǎn)品。這些產(chǎn)品目前已顯得陳舊落后。 1994 年武漢交通