船舶主机冷却水系统的建模与仿真
第1章 绪论
现代远洋船舶几乎都采用了中央冷却系统。这种冷却系统的特点是，利用舷外海水通过一个低温淡水冷却器对低温淡水进行冷却，被冷却的低温淡水再去冷却各种换热器和船舶主柴油机缸套水冷却器中的高温淡水，主柴油机是由高温冷却水回路进行冷却[1]。在这种冷却系统中，舷外海水不再接触各种换热器和主柴油机。因此，避免了海水引起的腐蚀问题，提高了设备和系统的安全可靠性及寿命。因此，对船舶主机冷却水系统的研究仍然是一个重要的课题，这其中就包括主机冷却水系统建模与仿真的研究。
1.1 选题背景与意义
主机冷却水系统是保障主机正常稳定运行的重要辅助系统，它通过冷却水的循环带走了主机运转过程中散发出来没有转化为机械能的热量，从而避免了因大量热量的积累而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效[2]。主机运转时，与高温燃气相接触的零件强烈受热，不加以适当的冷却会使其过热，导致主机充量系数下降，机油变质，零件的摩擦、磨损加剧，其结果是主机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但主机过冷时，主机工作粗暴，CO和HC排放增加，热损失和摩擦损失加大，尤其是气缸的磨损会成倍增加[3,4]。据统计，船舶主柴油机缸套90％以上的故障是缸套的非正常磨损以及缸套裂纹。主机缸套冷却水系统对主柴油机缸套的合理冷却有助于减轻主机缸套的磨损，精确的温度控制会有效地控制柴油机缸套的低温腐蚀和高温腐蚀以及减小热应力[5]。因此，船舶主机缸套冷却水系统的性能优劣直接影响到船舶主机的工作性能，想要优化和充分发挥船舶主机冷却水系统的性能，就需要了解它在工作时的热力水力动态过程[6]。
可是，如果我们对实际物体进行实验研究，不仅花费大，而且可供选择的余地也小，因此，用计算机仿真来研究系统的特性已成为科学发展的时尚[7,8]。
计算机仿真技术，即人们根据系统分析的目的，深入分析研究仿真对象(现实系统)的各要素性质，相互关系和规律，通过抽象建立能够描述该仿真对象的结构和行为且具有一定逻辑关系和数学关系的理论模型，然后采用编程技术将这些模型编成计算机系统能够识别的程序，再由计算机演示该系统，用以分析和研究系
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统的性能，达到认识和调节系统性能的目的[9]。实现计算机仿真技术的一套软、硬件系统称之为仿真系统。
硬件系统是实现仿真系统功能的基础，硬件设备的性能决定了仿真系统所允许的信息流通量、存贮空间、实时运算速度等性能。硬件系统主要由图形计算机及局域网络、输入输出接口、仿真控制台盘和电源等几部分组成。
软件系统是仿真系统的核心，它决定了仿真技术的水平，主要由仿真支撑软件和模型应用软件两大部分组成。仿真支撑软件是基于计算机操作系统的专门用于仿真系统研究开发的工具性软件，是仿真系统的专用平台和开发工具。模型应用软件则是仿真系统中的核心，是对仿真对象的高度概括，仿真模型软件合理与否，决定了该仿真系统的效果。因此，对仿真对象的建模是建立仿真系统的关键。
开发仿真系统传统的方法是一种逐步工作的过程，它包括确定仿真目标、建立数学模型、建立能为计算机认识处理的仿真模型、调试仿真模型、仿真模型试验运行、结果分析、反馈修改数学模型、修改仿真模型、再次仿真运行等。
与航空、航天技术工业相比，船舶行业属于相对传统、古老的技术领域。然而现代仿真技术由于可以通过在计算机上进行反复多次的试验运行来取代耗资巨大的物理模拟和实物试验，甚至可以进行受各种原因和条件限制而无法实现的试验和试航，具有投资少、效益高、无风险、可重复、周期短等突出特点，被迅速推广应用到船舶领域的各个方面，使船舶技术得到较大的发展[9]。国外对计算机仿真技术在船舶领域的应用研究始于六十年代末，七十年代取得了重大的进展，到八十年代计算机仿真技术已作为一门十分成熟的技术，应用到船舶领域的各个方面。在计算机上对构成系统的模型进行试验，为模型的建立和实验提供了巨大的灵活性和方便性。利用计算机，使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确，适用于解决规模大、难以解析化以及不确定的系统。随着计算机图形技术得日渐成熟，图形用户界面越来越友好，使得计算机仿真系统的交换性更加增强。在仿真系统中，界面不仅用来显示仿真系统得状态，而且允许分析者与仿真系统对话，修改系统参数从而改变仿真得状态。用计算机仿真技术制成的生产过程仿真系统，可以在不影响过程运行的情况下，研究、分析运行参数对各工况的影响，从而使生产过程达到最佳状态，还可以利用仿真系统人为的设定各种异常情况，研究和分析处理这些事故应能采取的措施。
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船舶主机冷却水系统的建模与仿真
轮机仿真训练器(Marine Engine Simulator)是计算机实时仿真技术在航海领域的典型应用，它目前己成为为广大船员培训、考核的重要手段[10]。我国是一个航运大国，每年有大量的高等院校的轮机学员走向航海岗位，需要岗前训练，还有大批社会上的在职船员要求技能提高培训，具有很大的船员培训市场。然而传统的实船培训高级船员的方法不仅周期长、耗资巨大，而且风险也很大。现代船舶轮机仿真训练器可以在很大程度上替代实船设备，使被培训人员能在与实船很相似的场所下，进行各项轮机管理、操作以及排除故障的训练。国际海事组织IMO在1995年7月7日全面修订的《海员培训、发证和值班标准国际公约》中，明确规定：航海、轮机部门的人员必须经过轮机仿真训练器的培训才能上岗。
计算机仿真技术的日益发展，为轮机仿真器的开发提供了更有力的手段。目前的轮机仿真训练器主要采用一种面向过程的集中式封闭系统的建模方法，该种结构要求系统开发人员对整套系统(至少某个子系统)很熟悉，开发难度大，周期长，并且日后的系统维护和功能增加也不容易进行。随着建模技术的发展，利用面向对象的建模方法将大大降低建模工作的难度，不用每个系统开发人员掌握系统全局，只要求他们对某个局部对象的理解，这样可将建模工作分开给许多人员并行的进行，缩短系统开发周期。系统总体规划设计者就像将己经成品的纵多零件(系统对象)组装为一台汽车(系统)一样，将各个子对象进行连接。显然，利用面向对象的方法进行建模的系统，其日后的维护和功能添加也很容易实现。
在船舶轮机仿真训练器中，主机冷却水系统的建模与仿真是一个很重要的工作。船舶主机系统是一条船舶的核心系统，它是船舶的动力之源。而主机冷却水系统则是保证主机安全工作的重要组成部分。为了满足不断增长的用户培训要求，需要进一步完善和增添现有主机冷却水系统仿真训练器的功能。本文就对这一课题做了比较详细的研究。
1.2 国内外研究动态
1.2.1 建模与仿真的国内外动态
建模就是针对研究事物的某种需要，抽取相关的某些特殊信息，并使之映射于特定信息空间的某种抽象集合的形式化描述。而仿真是研究者利用事物的模型，创建相应的实验环境，以及在此环境下研究事物的操作方式，使研究者在“人一模
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型”交互过程中，去感受、了解、或者控制事物变化机理和规律。建模是仿真的基础，仿真是建模的目的
近年来由于信息技术的发展，特别是数字计算机技术的迅猛发展，计算机建模与仿真己经在定性的科学与研究、辅助设计和选型、教育和培训、游戏娱乐等方面有了更广泛的应用。
(1) 国外建模与仿真的动态
伴随着第一台电子管计算机的诞生和以相对论为基础的模拟技术的应用，建模与仿真作为一种研究新产品、新技术的科技手段，在国外从20世纪30年代以来，在航天、造船、兵器等各行各业迅速发展起来。1930年左右，美国陆、海、空队就使用林克式仪表飞行模拟训练器，当时其经济效益相当于每年节省1.3亿美元，而且少牺牲524名飞行员。50年代，澳大利亚武器研究机构和英国皇家航空研究所联合研制的警犬(BLOOD HOUND)导弹，利用仿真实验辅助发射，与同期的德国、美国、苏联直接通过导弹发射相比，发射次数仅为后者的十分之一，大大减少了耗资。建模与仿真不仅用在武器方面，而且在“虚拟制造”方面也一鸣惊人。计算机制造系统CIMS、虚拟制造、分布式虚拟制造等相继而生。
(2) 国内建模与仿真的动态
我国建模与仿真相对国外来说，起步稍晚，至今己有40多年的历史，并取得了飞速发展。20世纪50年代初，建模与仿真技术最早应用于自动控制领域，飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数字仿真和半实物仿真进行分析试验，采用的是模拟计算和面向方程的建模方法。60年代，建模与仿真的应用不仅仅在连续系统和工程领域，而且扩展到离散事件系统和社会经济等非工程领域，如交通管理、企业管理、人口动力学等等。70年代，训练仿真器获得突破性进展，各个领域应用训练仿真器对驾驶员、操作人员、指挥人员、管理人员进行培训，飞行模拟器、电站训练仿真器、铁路机车仿真器、化工过程仿真器、汽车驾驶模拟器等相继研制成功。80年代，我国建成了一大批具有先进水平的仿真实验室和仿真工程，应用于型号研制。在仿真算法和仿真软件方面，包括微分方程、线性方程和离散事件的串行/离散算法及优化取得很大成就，开发出多种通用连续系统仿真语言、连续/离散混合仿真语言，可在工作站或微机运行。在此期间，我国还成功研制出专用的数字仿真计算机，并向通用、分布、并行、智能化的新一代仿真计算机发展。
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船舶主机冷却水系统的建模与仿真
90年代，我国对新的先进仿真技术开展了研究，包括联网仿真、分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、虚拟样机、定量和定性相结合的仿真、建模与仿真的重用和互操作性以及分布虚拟环境等。 1.2.2 主机冷却水系统建模与仿真的国内外研究动态
目前，国内外有许多公司、高校和科研机构都在对主机冷却水系统的建模和仿真进行研究。通过多方面查阅资料，作者对当前国内外主机冷却水系统建模与仿真的现状有了一个初步的了解。
(1) 国外主机冷却水系统建模与仿真的发展动态。
图1.1 NORControl RTA-III轮机模拟器淡水系统界面
Fig. 1.1 Display of fresh water system of NORControl RTA-III engine room simulator
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