【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 )稱(chēng)為風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，也就是氣體進(jìn)入風(fēng)機(jī)后所升高的壓力，其單位為 Pa。 （ 3）功率 通風(fēng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)傳遞給氣體的能量稱(chēng)為風(fēng)機(jī)的有效功率 Ne， 通風(fēng)機(jī)的相似原理 （ 1）風(fēng)壓相似換算 () （ 2）風(fēng)量相似換算 () （ 3）功率相似換算 () 其中 n 為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， D 為風(fēng)機(jī)的葉輪半徑，ρ空氣的密度。 克拉伯龍方程式 克拉伯龍方 程式 : PV nRT? () 其中 P 表示 壓強(qiáng) 、 V 表示氣體體積、 n 表示 物質(zhì)的量 、 T 表示 絕對(duì)溫度 、 R表示氣體常數(shù)。所有氣體 R 值均相同。如果壓強(qiáng)、溫度和體積都采用國(guó)際單位（ SI）， R= 帕米 3/摩爾 K。如果壓強(qiáng)為大氣壓，體積為升，則 R=大氣壓升 /摩爾 K。 2212212121 ????????????????? nnDDPP ??2132121 nnDD ?????????3215212121 ????????????????? nnDDNN ??基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 11 風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)前幾節(jié)介紹的 軸流風(fēng)機(jī)的工作原理，性能參數(shù)以及相 似原理。再根據(jù)PV nRT? 方程式。 我們可以推 導(dǎo) 出風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值仿真。 本課題主要由兩種風(fēng)機(jī)構(gòu)成的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，一種是變?nèi)蒿L(fēng)機(jī)，一種是定容風(fēng)機(jī)。下面我們依次介紹兩種風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 首先，這里假設(shè)風(fēng)機(jī)的 內(nèi)部的 溫度與風(fēng)機(jī)周?chē)臏囟冉葡嗟?。即在 T 相等的情況下， 根據(jù) PV nRT? ，我們可以推到出 39。39。PV PV? () 即 在相同的溫度下，空氣的體積與空氣的壓強(qiáng)的乘積是一個(gè)固定的常數(shù)， 其中 P 為風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的氣體的壓強(qiáng)（ Pa）， V 為風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所排出的空氣的體積 ， 39。P 為外界的空氣壓強(qiáng)， 39。V 為相對(duì)于外界的空氣體積。 這樣我們就通過(guò)可以計(jì)算出 39。V 。 我們的目的是是要計(jì)算出空氣的質(zhì)量，進(jìn)而進(jìn)行壓強(qiáng)的計(jì)算。有了氣體的體積，我們就要找到當(dāng)前的空氣密度，進(jìn)而求出質(zhì)量。同樣，通過(guò) PV nRT? 我們可以推到出以下的公式： mPV RTM? () 其中 m 為空氣的質(zhì)量， M 空氣的摩爾質(zhì)量（ 通常為 29g/mol）。 通過(guò)公式（ ）我們可 以推到出 以下 公式： mMPV RT? () mV?ρ () 然后根據(jù)公式 ()公式 ()我們可以得到外界的空氣密度的計(jì)算公式 : pMTRρ= () 通過(guò)公式 ()，再根據(jù) 空氣一大氣壓下 25 攝氏度時(shí)空氣密度是 ，我們可以算出 空氣在不同溫度，不同壓強(qiáng)下的空氣密度，進(jìn)而算出了空氣的質(zhì)量 ?？諝獾馁|(zhì)量算出了，排風(fēng)機(jī)的基本數(shù)學(xué)模型也就準(zhǔn)備好了。 然后我們分別介紹定容和變?nèi)菖棚L(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 所謂定容排風(fēng)機(jī)就是在開(kāi)啟 風(fēng)機(jī)后，風(fēng)機(jī)的容量，風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)是固定不變的 ，所以 通過(guò)公式 ()我們可以算出定容風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)相對(duì) 于 外界的體積與壓強(qiáng)，進(jìn)而算出氣體的質(zhì)量，然后進(jìn)行數(shù)字仿真。 所謂變?nèi)菖棚L(fēng)機(jī)就是風(fēng)機(jī)的容量大小是可以根據(jù)實(shí)際的情況調(diào)節(jié)的，所以它單位時(shí)間內(nèi)輸出的氣體體積是不定的，同時(shí)它的氣體壓強(qiáng)，也是不定的。所以，基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 12 我們只能通過(guò)排風(fēng)機(jī)的相似原理對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而算出變?nèi)菖棚L(fēng)機(jī)的單位時(shí)間內(nèi)所排出的氣體體積。通過(guò)公式 ()公式 ()我們可以推到出變?nèi)蒿L(fēng)機(jī)容量與氣壓的關(guān)系 ，（由于進(jìn)行對(duì)比的是同一個(gè)風(fēng)機(jī)， 環(huán)境溫度相同，所以氣體的密度，葉輪的半徑都是相同的）推到公式如下： 21122()PQ? () 通過(guò)公式 ()我們就可以得到變?nèi)菖棚L(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的壓強(qiáng)與氣體量，進(jìn)而通過(guò)公式就可以得到單位時(shí)間內(nèi)的氣體質(zhì)量，從而得出變?nèi)菖棚L(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 各個(gè)密閉工作空間的數(shù)學(xué)建模 各個(gè) 密閉空間的建模是根據(jù)圖 所繪制的原理進(jìn)行仿真建模的。 自 然 排 風(fēng)排 出 的 氣體氣 體 質(zhì) 量 的 變 化進(jìn) 入 的氣 體 圖 密閉空 間仿真原理圖 由于從第一章我們可知，密閉空間排風(fēng)分為自然排風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)，所以影響空間氣壓的原因就由這兩方面組成。可是，由于自然排風(fēng)的不可控性，本課題沒(méi)有對(duì)自然排風(fēng)進(jìn)行仿真研究，在建立模型時(shí)對(duì)自然排風(fēng)只是給定了一個(gè)初始排風(fēng)值。本課題主要是對(duì)機(jī)械排風(fēng)進(jìn)行仿真 。有原理圖可知，密閉空間的氣壓變化是由于空間內(nèi)氣體質(zhì)量的變化所引起（在溫度恒定的情況下）。所以，仿真的目的是計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)密閉空間氣體變化量，進(jìn)而通過(guò) PV=m/M RT 這個(gè)氣體方程變形式來(lái)計(jì)算出密閉空間的氣壓變化。 不同的密閉空間，數(shù)學(xué)模型不太一樣。有排風(fēng) 機(jī)的密閉空間氣壓 主要 由送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)的氣體質(zhì)量差決定。無(wú)排風(fēng)機(jī)的密閉空間氣壓由 送風(fēng)機(jī)送入的空氣質(zhì)量決定（自然排風(fēng)影響小，本課題設(shè)置初始值影響，不過(guò)影響不大）。 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 13 第 3 章 船舶通風(fēng)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)與 仿真實(shí)現(xiàn) 仿真軟件介紹 MATLAB 由一系列工具組成。這些工具方便用戶(hù)使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶(hù)界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶(hù)瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。 MATLAB 是一個(gè)高級(jí)的 矩陣 /陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶(hù)可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（ M 文件）后再一起運(yùn)行。 MATLAB 是一個(gè)包含大量計(jì)算 算法 的集合。其擁有 600 多個(gè)工程中要用到的 數(shù)學(xué) 運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。 本課題 運(yùn) 用到的仿真軟件是 MATLAB 中的 GUI 圖形用戶(hù)設(shè)計(jì)界面。在MATLAB 強(qiáng)大的函數(shù)、矩陣運(yùn)算支持下進(jìn)行方針設(shè)計(jì)可以更加接近實(shí)際的情況。 此次仿真用到了 GUI 界面下的控件有 Push Button、 Static Text、 Slider、Toggle Button、 Edit Text 等控件。 Push Button 控件是按鍵控件，是按下就彈起的按鍵； Static Text 是靜態(tài)的文本框，用來(lái)顯示不需要更改的數(shù)據(jù)仿真結(jié)果。相對(duì)的 Edit Text 控件是用來(lái)顯示可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改的仿真數(shù)據(jù)。Toggle Button 控件是按下 后 不彈起的按鍵，此次仿真用 作為 的開(kāi)關(guān)按鍵。 仿真界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)界面設(shè)計(jì) 根據(jù) 第一章介紹的 某實(shí)船 的通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)管道布置， 本課題 運(yùn)用 MATLAB GUI 中所提供的 的 控件進(jìn)行模擬仿真。 （ 1） Push Button 控件進(jìn)行風(fēng)機(jī)的仿真 ，按下按鍵表示風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，再按一次表示風(fēng)機(jī)關(guān)閉，同時(shí)運(yùn)用 Static Text 控件配合顯示風(fēng)機(jī)的狀態(tài)。 （ 2）運(yùn)用不同顏色的 Static Text 控件進(jìn)行通風(fēng)管道的布置，顏色區(qū)分管道是進(jìn)風(fēng)還是出風(fēng)。 （ 3）各個(gè)密閉空間運(yùn)用 Push Button 仿真，其目的是為了按下按鍵后可 調(diào)出該空間的相關(guān)參數(shù)以及空間內(nèi)氣壓的變化。 （ 4） 運(yùn)用 Slider 控件進(jìn)行進(jìn)風(fēng)量，出風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)，即開(kāi)關(guān)的仿真。 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 14 （ 5） 用 Toggle Button 控件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)，該仿真界面的所有運(yùn)行程序都是在總開(kāi)關(guān)的控制下進(jìn)行的。 （ 6） Edit Text 控件是設(shè)計(jì)溫度，壓強(qiáng)參數(shù)，目的是為了與實(shí)際的溫度壓強(qiáng)保持一致， 進(jìn)行更精確的仿真提供參數(shù)量。 （ 7）運(yùn)用 Static Text 控件設(shè)置在甲板密閉空間以顯示空間的壓強(qiáng)變化。 通過(guò)以上各個(gè)控件的介紹以及每個(gè)控件所要模擬的單元， 再 通過(guò)第一章所給出的船舶通風(fēng)系統(tǒng)的管道網(wǎng)絡(luò)圖，我們可以布置控件進(jìn)行界面的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的界面如圖 。 各個(gè)控件初始化狀態(tài)以運(yùn)行時(shí)的界面狀態(tài)為準(zhǔn)。 圖 船舶通風(fēng)管道網(wǎng)絡(luò)仿真界面 密閉空間界面設(shè)計(jì) 在 MATLAB GUI 中運(yùn)用參數(shù)傳遞 的實(shí)現(xiàn)形式 ，把系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、每秒 鐘進(jìn)入室內(nèi)的氣體體積、室內(nèi)溫度、室內(nèi)壓強(qiáng)、相對(duì)于外界的氣壓、進(jìn)入室內(nèi)的氣體的總質(zhì)量、每秒鐘進(jìn)入室 內(nèi)的 氣體質(zhì)量、原機(jī)房氣體質(zhì)量、外界氣體密度這些參數(shù)顯示在密閉空間界面下，使得此界面能充分的體現(xiàn)出密閉空間的室內(nèi)情況。同時(shí)，運(yùn)用 ActiveX Control 控件設(shè)計(jì)一個(gè)壓力表，進(jìn)行顯示當(dāng)前室內(nèi)的相對(duì)氣壓，進(jìn)而可以直觀的展現(xiàn)室內(nèi)氣壓狀況，為控制氣壓提供依據(jù)。 同時(shí)設(shè)計(jì)了退出按鍵，為方便的退出界面提供快捷方式。 界面設(shè)計(jì)如圖 。 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 15 圖 船舶密閉空間仿真界面 定容排風(fēng)機(jī) 系統(tǒng)模塊的仿真實(shí)現(xiàn) 雖然每個(gè)風(fēng) 機(jī)系統(tǒng)模塊是不同的 ，但是大體軟件設(shè)計(jì)是相通的，所以，本文就針對(duì)兩個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路的介紹。 首先先針對(duì)一個(gè)定容的排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。這里用了 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模塊 1，進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)介紹。系統(tǒng)模塊圖如圖 。 仿真界面如圖 。 圖 系統(tǒng)模塊 1 仿真界面 基于 MATLAB 的船舶通風(fēng)系統(tǒng)仿真 16 根據(jù)仿真圖，實(shí)現(xiàn) 定容 排風(fēng)機(jī)的仿真。仿真代碼如下： if(kC==0) if (get(,39。value39。)amp。anjian1C==1) if(anjian1C==1) set(,39。string39。,39。350039。)。%設(shè)置定容排風(fēng)機(jī)的容量 totalC1=str2double(r3C)dC*str2double(r3C)。%集控室剩余 空氣量 cC1 = dC*str2double(r3C)。%集控室的空氣量 totalC2=totalC1totalC1*bC。%工作間剩余 空氣量 cC3=totalC1*bC。%工作間的空氣量 totalC3=totalC2totalC2*dCShang。 cC2=totalC2*dCShang。%主機(jī)艙上層的空氣量 totalC4=totalC3totalC3*dCDi。 cC4=totalC3*dCDi。%通艙底的空氣量 totalC5=str2double(r3C)dC*str2double(r3C)totalC1*bCtotalC2*dCShangtotalC3*dCDi。 %主機(jī)艙底層的空氣量 set(,39。string39。,num2str(totalC5))。 set(,39。string39。,num2str(cC2))。 set(,39。string39。,num2str(cC4))。 %分別顯示出各個(gè)數(shù)值 Rv=str2double(r3C)*str2double(rC)。 r11C=Rv/(str2double(r4)*str2double(r2))。%每秒鐘的進(jìn)氣量時(shí)間 r16=str2double(t5)*str2double(t6)。 r17=str2double(T0)+str2double(t5)。 r18=r16/r17。 R1=num2str(r18)。%得到外界密度（可以不變） R2C=r11C*r18。%每秒鐘的總質(zhì)量 此代碼是依據(jù) 排風(fēng)機(jī)的型號(hào)，我們先設(shè)置排風(fēng)機(jī)的容量為‘ 3500’，并在e4 控件中顯示，同時(shí)設(shè)置 r3C 變量為風(fēng)機(jī)的總?cè)萘浚?dC 為集控室開(kāi)關(guān)的開(kāi)度 ，從而得到 cC1，即空氣的通 氣量。同理可以分別得到工作 間、主機(jī)艙上層、通艙底以及主機(jī)艙底層的空氣量并用 text 控件分別顯示出來(lái)。然后進(jìn)行固定數(shù)值的計(jì)算，如每秒鐘的進(jìn)氣量以及外界的溫度等。 需要注意的是，這里涉及到了 供風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)操作的功能設(shè)計(jì)，為了能使風(fēng)機(jī)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)全局變量 global anjian1C，此變量與按鍵 TB7 共同 管理此 供風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)操作。 下面介紹此風(fēng)機(jī)模塊的兩個(gè)密閉的工作空間，集控室與工作間的功能實(shí)現(xiàn)。集控室的代碼實(shí)現(xiàn)如下： if(k5C==1) %判斷排風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān) 是否開(kāi)啟 r20C=str2double(T1C)+str2double(t5)。%室內(nèi)