【正文】 船舶冷卻系統(tǒng)簡介 7 船舶主機冷卻水系統(tǒng)的發(fā)展 7 船舶冷卻系統(tǒng)的基本形式 7 船舶冷卻系統(tǒng)的組成 7 高溫淡水冷卻系統(tǒng) 7 低溫淡水冷卻系統(tǒng) 7 海水冷卻系統(tǒng) 7第三章 本文設(shè)計方法探討 7 優(yōu)化設(shè)計方法研究 7 優(yōu)化設(shè)計的概念及特點 7 優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展及其應(yīng)用 7 7 7 7 7 7 7 7第四章 船舶冷卻水系統(tǒng)仿真 7 7 JFlow工具 7 仿真執(zhí)行工具SimExec 7 7 主要仿真界面實現(xiàn) 9 海水冷卻系統(tǒng)仿真界面 9 主機中央冷卻水系統(tǒng)的組成 9 低溫淡水冷卻系統(tǒng)仿真界面 9 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果 12 系統(tǒng)優(yōu)化與創(chuàng)新點分析 12第5章 結(jié)論與展望 17 研究結(jié)論 17 工作展望 18參考文獻(xiàn) 67攻讀碩士學(xué)位期間公開發(fā)表論文情況 71致 謝 72研究生履歷 73船舶冷卻水系統(tǒng)研究與設(shè)計第1章 緒論船舶主機中央冷卻系統(tǒng)在諸多方面較其他主機冷卻系統(tǒng)更具優(yōu)勢，所以在當(dāng)前新一代制造的船舶大多安裝了這種系統(tǒng)。該主機冷卻系統(tǒng)主要和主要以柴油機為主要的動力來源的船舶相互匹配，主要提高以降低柴油機為動力裝置主體的運營效率。在此基礎(chǔ)之上，還通過進(jìn)一步的設(shè)計構(gòu)思將中央冷卻系統(tǒng)與船舶的動力裝置兩者創(chuàng)新地結(jié)合在一起，使得中央冷卻系統(tǒng)冷卻下來的能源不僅可以用來作為船艙的暖氣裝置，還可以和溫控發(fā)動機并聯(lián)，從而實現(xiàn)多能源共存，使得能源的利用效益從理論層面達(dá)到最大。但是在船舶中央冷卻系統(tǒng)工作時候，還有很多細(xì)節(jié)方面沒有得到足夠的重視，使得中央冷卻系統(tǒng)為主導(dǎo)的船舶受到損傷的幾率也一直難以得到降低，所以有必要對船舶中央冷卻系統(tǒng)展開進(jìn)一步研究，相信本文的研究可以進(jìn)一步促進(jìn)船舶中央冷卻系統(tǒng)的理論的進(jìn)一步發(fā)展與完善。具體而言，它主要是通過冷卻水的循環(huán)使得主機在運轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的的熱量得到及時的冷卻，從而達(dá)到基本的散熱調(diào)控的目的。當(dāng)然在這個過程中，主機缸套冷卻系統(tǒng)對主柴油機缸套的合理冷卻主要是有助于減輕主機缸套的進(jìn)一步的磨損造成的損傷，也正是基于此，其實船舶主機缸套冷卻水系統(tǒng)的性能高低其實會影響船舶主機工作的效率，而要想達(dá)到進(jìn)一步改進(jìn)船舶中央冷卻系統(tǒng)的工作的基本的性能，就需要去進(jìn)一步了解它在工作時的基本的動態(tài)反應(yīng)流程，并且在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行有效的性能改進(jìn)，以此做到有效提高船舶基本的中央冷卻系統(tǒng)基本的工作性能，這也使得船舶的主體的性能都可以因此而得到進(jìn)一步的迅速提高，這是本文研究的重要的立足點，在此基礎(chǔ)之上再進(jìn)一步實現(xiàn)整體的質(zhì)量的提升。利用計算機仿真技術(shù)完全可以在計算上就實現(xiàn)多次重復(fù)的試驗運行，從而在試驗中發(fā)現(xiàn)并且解決可能潛在的問題，并可以進(jìn)一步驗證方案的可行性。當(dāng)然主要是隨著計算機圖形技術(shù)逐漸發(fā)展，從而使得通過運用計算機來輔助船舶技術(shù)的研究成為一個比較突出的研究方向，得到廣大的研究者得歡迎。 另一方面，隨著計算機仿真技術(shù)的迅速的進(jìn)步，使得船舶的技術(shù)仿真研究形成一邊倒的趨勢，也就是大多數(shù)的研究目前主要是基于計算機仿真實驗來進(jìn)行，這也可以進(jìn)一步使得研究的成果達(dá)到最大同時，還可以使得研究的成本投入達(dá)到最低。在本文的研究中，主機中央冷卻水系統(tǒng)的建模與仿真可以說是至關(guān)重要的一環(huán)，因為除了理論層面的設(shè)計之外，這之后的研究工作大都基于計算機軟件的時機演示來進(jìn)行，并且在實時的演示狀態(tài)中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)并且解決這過程中所發(fā)現(xiàn)的部分較小問題。本文所做的工作主要是基于理論層面上，將船舶的中央冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效的改進(jìn)同時，還將其與船舶的動力裝置實現(xiàn)互聯(lián)，以此實現(xiàn)未來船舶高效益能源利用。本文的研究通過對板式冷卻器展開進(jìn)一步的的研究，并且將其重點與處于封閉狀態(tài)的溫控動力裝置并聯(lián)在一起，從而進(jìn)一步使得散發(fā)出的余下的熱能可以實現(xiàn)再循環(huán)利用，從而進(jìn)一步保證中央冷卻系統(tǒng)在達(dá)到最合適的調(diào)控溫度的同時，還可以實現(xiàn)節(jié)約能源基本目的，符合現(xiàn)代可持續(xù)發(fā)展思想。本文研究通過改進(jìn)其船舶的中央冷卻系統(tǒng)的功能，并且使其與動力裝置實現(xiàn)并聯(lián)，以此進(jìn)一步促進(jìn)能源的利用效率，使得其性能得到促進(jìn)同時，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，從而進(jìn)一步促進(jìn)船舶的綜合效益的提升。通常船舶中央冷卻系統(tǒng)都采用淡水強制冷卻主機的迅速受熱的高溫部件，在主機中央冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)的布置上主要屬于閉式循環(huán)，而與之相匹配的海水冷卻系統(tǒng)則屬于開式循環(huán)，外加高溫冷卻系統(tǒng)與循環(huán)控制核心系統(tǒng)，最終則組成本文所設(shè)計的中央冷卻系統(tǒng)。(1) 國外船舶中央冷卻系統(tǒng)建模與仿真研究的動態(tài)隨著計算機的誕生及其仿真技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展，通過建模與仿真來開展科學(xué)研究開始成為科學(xué)研究的一個比較重要的手段，尤其是對于船舶中央冷卻系統(tǒng)的研究更需要進(jìn)一步借助于仿真系統(tǒng)來進(jìn)行。到了1930年左右，美國、英國、法國等國家相繼在武器研究，重要民生科技研究方面相繼使用仿真研究來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物實驗，從而從根本意義上不僅做到了節(jié)約人力物力，還可以進(jìn)一步使得研究的結(jié)果更加直觀和科學(xué)化、專業(yè)化、直觀化、便捷化。在國外的中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，主要都是對之前出現(xiàn)的一般的冷卻系統(tǒng)的進(jìn)一步有效改進(jìn)升級優(yōu)化設(shè)計，也就是以FATEK 作為上位機監(jiān)控臺，并且在此基礎(chǔ)之上，中央冷卻系統(tǒng)的組成核心部件中主要包括Siemens1214C作為基本的下位機控制器，除此之外還包括ABBACS510作為驅(qū)動海水電機的變頻器，并且還進(jìn)一步綜合了主機輔機運行功率，海水溫度、淡水溫度等等其他的配套的附帶結(jié)構(gòu)。(2) 國內(nèi)船舶中央冷卻系統(tǒng)建模和仿真的研究動態(tài)在我國，對于船舶的建模與仿真研究相對其起步顯得比較晚，相對于國外來說其研究的歷史相對更加短，但是在近幾十年，我國的該方面的研究與運用獲得了極大的發(fā)展。直到到了上世紀(jì)六十年代，我國的主要目的還主要是停留在交通工具等比較重大的項目才會采用仿真實驗方式輔助研究，到了七十年代，我國已經(jīng)將仿真技術(shù)推廣到了各個比較大的研究方面。國內(nèi)的中央冷卻系統(tǒng)相對于國外而言要顯得比較緩慢一些，國內(nèi)中央冷卻系統(tǒng)主要是在一般冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，這之后主要是對于中央冷卻系統(tǒng)的一些局限性的改進(jìn)，譬如對于主機中央冷卻系統(tǒng)的耗油問題的解決，對于主機中央管道系統(tǒng)的復(fù)雜的優(yōu)化設(shè)計，對于中央冷卻系統(tǒng)的體積與重量的精簡等等，這些都促使國內(nèi)的中央冷卻系統(tǒng)研究更加關(guān)注降低能耗、提高能源的利用效率上的相關(guān)研究。當(dāng)代在我國的工程船舶研究設(shè)計制造過程中，對于中央冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)滲入研究還不足，但是顯然就目前而言國內(nèi)大部分的造船工業(yè)整體上已經(jīng)開始引入中央冷卻系統(tǒng)的概念輪廓，尤其是國內(nèi)比較大的船舶制造公司越來越注重設(shè)備的自身的可靠性、使用的持久年限，因為中央冷卻系統(tǒng)自身建構(gòu)比較簡單，一般不容易有故障發(fā)生，但是在成本上，尤其是在不斷地船舶的研究設(shè)計上的成本不斷攀升的情況下，對于成本更加低廉的研究方法的研究方法也就自然而然更加容易的得到國內(nèi)研究人員的青睞。在該章之后，開始探討研究的方法以及具體的研究使用的數(shù)學(xué)模型，并且對相關(guān)的方面進(jìn)行理論上的進(jìn)一步探討。并對所得到的曲線進(jìn)行了分析，證明了研究的理論模型基本上是正確的，最后對研究結(jié)論進(jìn)行分析總結(jié)和探討，這之后再最后得出結(jié)論與展望。該系統(tǒng)利用單獨兩個淡水回路對主機溫度進(jìn)行調(diào)控，這使得中央處理系統(tǒng)的溫度調(diào)控效益被進(jìn)一步方法，使得中央處理器自從被發(fā)明以來就被科研人員不斷加以改善，尤其是受到控制理論科研人員的影響比較大。最新的比較通用的中央冷卻系統(tǒng)主要是由三部分所共同組成，這三部分主要包括海水冷卻回路、低溫淡水冷卻回路、高溫淡水冷卻回路，并且在此基礎(chǔ)之上再進(jìn)一步加入了循環(huán)系統(tǒng)這個特殊的系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)組成包括溫控裝置，電熱能裝換裝置、封閉溫度引導(dǎo)互聯(lián)裝置所共同組成。在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步研究船舶動力系統(tǒng)的最基本的設(shè)計方法以此實現(xiàn)提高系統(tǒng)效率以減少能源消耗的基本目的，這也是本文研究的最根本的基本研究點之一。這其中對于當(dāng)代船舶技術(shù)的研究的重點之一就是對于中央冷卻系統(tǒng)的研究與改進(jìn)，并且在過去的四十多年期間，該領(lǐng)域取得了比較大的進(jìn)步，尤其是進(jìn)一步利用計算機仿真技術(shù)來進(jìn)一步對中央冷卻系統(tǒng)進(jìn)行充分的研究與改進(jìn)方面，在過去的幾十年間更是卓有成效。這也使得本文研究設(shè)計的出的新一代船舶中央系統(tǒng)除了以往的三個基本組成結(jié)構(gòu)，也就是海水冷卻系統(tǒng)，高溫淡水冷卻系統(tǒng)與低溫淡水冷卻系統(tǒng)之后，還進(jìn)一步在此基礎(chǔ)之上再加入循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就包括溫控系統(tǒng)、動熱能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、溫?zé)崛忾]半封閉互聯(lián)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，與此同時嘗試進(jìn)一步在做到船舶中央冷卻系統(tǒng)的效能做大化同時，進(jìn)一步縮減其體積與重量，在組成材質(zhì)上對其進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究創(chuàng)新，這也進(jìn)一步在提升中央冷卻系統(tǒng)的性能同時也可以進(jìn)一步使得船舶的綜合性能得到進(jìn)一步有效提高。在本文研究當(dāng)中，不僅僅汲取了前人的研究的成果，還創(chuàng)新性地提出了加入新的循環(huán)系統(tǒng)以實現(xiàn)提高船舶中央冷卻系統(tǒng)基本的性能的同時，進(jìn)一步促進(jìn)船舶的能源的利用率最大化，從而降低污染物排放，取得最大的經(jīng)濟與生態(tài)效益。一方面其實高溫淡水的主要作用，其實就是為了進(jìn)一步冷卻主機相關(guān)的部件，使得其可以穩(wěn)定工作，使得從主機出來的冷卻水溫度可以在一定程度上保持在一定的溫度左右。并且除去外在的因素僅僅就造水機的功能來說，其主要其實就是充分利用高溫淡水中的熱能來進(jìn)一步加熱海水以便可以達(dá)到基本制取淡水的目的，以此可以利用其余熱來充分提高主機的工作效率，當(dāng)然在這個過程中可以做到將一部分的余熱都可以通過冷卻水輸送到溫控發(fā)動機當(dāng)中從而將余熱可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成機械能，從而從根本上提高其能源運用效率。當(dāng)然就其組成結(jié)構(gòu)而言，高溫淡水回路的主要組成設(shè)備包括，主機缸套、造水機以及高溫淡水系統(tǒng)三通閥及其循環(huán)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，也就是包括溫控動力裝置、封閉循環(huán)水冷卻空間裝置、互聯(lián)線路在內(nèi)的多個基本組成。低溫淡水控制系統(tǒng)在組成機構(gòu)上，和高溫淡水控制系統(tǒng)相比其控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)比較簡單得多，其主要的組成主要是水熱能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、開放水電機互聯(lián)裝置等組成，在體積重量上和高溫淡水冷卻系統(tǒng)相比都要小得多，但是其作用在整個中央冷卻系統(tǒng)當(dāng)中不可忽視。當(dāng)然在本文的研究當(dāng)中，主要是改進(jìn)其裝置，并且在其管帶中加入多個并聯(lián)的海水動熱能循環(huán)轉(zhuǎn)化裝置，從而在其運動過程中同樣可以將一部分能源充分在這些過程當(dāng)中充分轉(zhuǎn)化為機械能與電能，這之后主機溫度完全可以做到明顯降低。也就是所在這部分當(dāng)中本文研究出的新一代中央冷卻系統(tǒng)重點加入了循環(huán)控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)占據(jù)了海水冷卻系統(tǒng)的幾乎主要組成部分，這一設(shè)計完全可以在理論層面使得原有的性能得到改進(jìn)同時，使得現(xiàn)有的中央冷卻系統(tǒng)不僅可以做到充分的性能的提高，而且可以進(jìn)一步實現(xiàn)其能源的可持續(xù)利用。一般我們在運用這種方法時候，都需要計算機作為基本的優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)方式。 優(yōu)化設(shè)計的概念及特點優(yōu)化設(shè)計指的是科學(xué)研究方法在設(shè)計上的實現(xiàn)最優(yōu)化，也就是在經(jīng)濟、材質(zhì)、組成架構(gòu)、綜合效益實現(xiàn)最優(yōu)化，以此實現(xiàn)最大的科研產(chǎn)出。具體而言，其實就是加入循環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得在新一代中央冷卻系統(tǒng)當(dāng)中可以在散熱同時實現(xiàn)能源的最大化利用，也就是實現(xiàn)動熱能電能源實現(xiàn)簡介轉(zhuǎn)化，在此基礎(chǔ)之上實現(xiàn)新一代中央冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計。以此實現(xiàn)中央冷卻系統(tǒng)的整體性能的進(jìn)一步提高，最終做到提升船舶的綜合性能。 優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展及其應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計因為其可以起到巨大的實際效益，使得科研的產(chǎn)出最大化，因此在科學(xué)研究當(dāng)中一度取代以往的實物實驗，開始出現(xiàn)在國內(nèi)大中型實驗項目當(dāng)中，甚至在大中學(xué)科學(xué)實驗室也已經(jīng)大規(guī)模引入這種實驗技術(shù)，從而利用理念在計算機上開展以往需要實物才可以開展的實驗，并且簡化其實驗過程同時收到更加科學(xué)之冠的實驗成果。鑒于優(yōu)化設(shè)計的實際的巨大的經(jīng)濟科研效益，因此在世界范圍內(nèi)被廣泛運用，成為當(dāng)代世界科研基本方法中重要的一環(huán)。不僅如此，優(yōu)化設(shè)計還在多個領(lǐng)域被推廣運用，這些領(lǐng)域包括生化試驗、物理試驗、治具設(shè)計、交通系統(tǒng)等大型實驗的實際仿真當(dāng)中，通過該理念的引導(dǎo)完全可以做到科研的高效化和高度的效益化。本研究所運用到的數(shù)學(xué)模型主要是依據(jù)中央冷卻系統(tǒng)的理論來進(jìn)行配套設(shè)計的，在此基礎(chǔ)之上再進(jìn)一步結(jié)合缸套冷卻水泵的相關(guān)理論，并且在這之后進(jìn)一步采用離心泵相關(guān)理論來進(jìn)行溫度的有效調(diào)控，也就是說其實可以利用泵的排量與泵本身的特性以及基于此的管路的水力特性相關(guān)關(guān)系來優(yōu)化中央冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具體的結(jié)構(gòu)關(guān)系如下圖所示： 管路壓降與流量特性曲線圖 Pressure drop and pipe flow characteristic curve顯然在這個數(shù)學(xué)模型當(dāng)中，該水泵的具體的特征可以通過其數(shù)學(xué)模型特性曲線來進(jìn)行展示，也就是說通過該實驗，完全可以依據(jù)管路特性曲線來做到迅速科學(xué)地對研究結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)意義上的論證。且本文研究數(shù)學(xué)模型主要是分為兩個比較組成部分，當(dāng)然這其中的一個組成部分就是充分借助于吸、排液面的具體存在高度差以及與此相對應(yīng)的壓力差所需增加的位置頭和壓力頭，顯然在該部分當(dāng)中，其實從一定程度上而言和管路流量毫無關(guān)系。當(dāng)然很明顯其另外的一個部分，也就是其余的部分就是用來克服管路阻力的，而且它與管路中液體流速的平方將會成正比，自然和流量其實也是成正比的。也就是說，在此基礎(chǔ)之上可以證明，一般而言液體流過一些既定管路時候其實其所需的壓頭和流量間的函數(shù)關(guān)系其實完全可以運用下式來進(jìn)行表示： ()顯然該等式當(dāng)中，其關(guān)鍵之處其實就是就是求解。但是在本文的研究結(jié)論仿真當(dāng)中，這種狀況顯然得到了極大的改善，其能量基本上做到了極大的利用率。并且本文在此基礎(chǔ)之上通過進(jìn)一步的流體力學(xué)的知識可以得知，管道內(nèi)粘性摩擦沿程損失的一般計算公式都為： ()不僅如此，管道內(nèi)出現(xiàn)的流動摩擦損失還將不僅僅取決于粗糙突出部分的大小和形狀的相對應(yīng)的基恩比例，而且還與它們的分布與間距有著非常重要的一系列關(guān)系，因此在這個過程中只要將其損失考慮到了最大之后，再進(jìn)一步通過將其損失的機械能變成的內(nèi)能充分轉(zhuǎn)化成機械能，并且在這個過程中做到能源的最大的使用效率，那么就可以從根本上提高其能源的利用效率，而顯然本文所設(shè)計的新一代中央冷卻系統(tǒng)滿足以上的基本條件。這里我們主要討論(H－Q)曲線，也就是利用實際流量—實際揚程相關(guān)數(shù)據(jù)，再制作成關(guān)系曲線圖，這之后再根據(jù)曲線中兩者的關(guān)系曲線進(jìn)行曲線擬合之后就可以得到如下的計算公式：