第2章 船舶主机冷却水系统概述
(4) 主机空气冷却器
主机空气冷却器属于肋管式换热器，与上述管壳式换热器不同，这种换热器在管外加装了肋片，从而使管外的热阻减小，传热得到增强。空气冷却器的作用是对增压后的新鲜空气进行冷却，通常空气的入口温度为55℃左右，出口温度为35℃左右，空气从肋片间流过释放热量。用于冷却增压空气的冷却水从管子内流过，不断吸收空气的热量使温度上升。
(5) 低温淡水系统三通阀
低温淡水系统三通阀通过调节进入低温淡水冷却器的低温淡水量，可以控制低温淡水进各冷却器温度。若低温淡水进各冷却器温度偏低，则减少低温淡水进低温淡水冷却器的流量；若低温淡水进各冷却器温度偏高，则增大低温淡水进低温淡水冷却器的流量。
(6) 其他冷却设备
除了以上所提到的几个主要冷却设备以外，还有尾轴管滑油冷却器、空压机、冰机冷凝器和空调冷凝器等淡水冷却设备均采用低温淡水进行冷却。
(7) 低温冷却淡水泵
整个中央冷却水系统设置两台中央冷却水泵，它们均为离心泵，两台水泵完全相同。水泵设计排量为400 m3/h。 2.2.3 海水回路
海水系统构成比较简单，海水从低位海底门或高位海底门进来，经三台主海水泵作用送给低温淡水冷却器海水入口侧，在低温淡水冷却器内与低温淡水进行热交换后从海水出口侧排出，部分海水直接由海水管路送至舷外，部分海水在海水入口温度调节阀的作用下返回到海水泵入口。
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船舶主机冷却水系统的建模与仿真
第3章 主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型
船舶主机缸套冷却水系统作为船舶柴油机主要的动力系统之一，其工作要求是：主机在整个工作范围内，系统能对主机进行适度、可靠的冷却，特别是保证主机缸套冷却水出口温度稳定，防止主机缸套过冷或过热[15]。设计适合工作要求的主机缸套水冷却系统，这就需要对系统中各点的流量、压力等参数进行数值计算。因此，就必须对系统管路进行水力分析。而对于采用的是离心泵的主机中央冷却水系统而言，就要分别分析管路特性曲线和离心泵的特性曲线[16-18]。
3.1 计算原理
缸套冷却水泵采用离心泵，而泵的排量与泵本身的特性和管路的水力特性有关，只有在泵的排出压力与管路在当前流量下的总压降相等时，泵才能稳定工作在这个流量下，如图3.1所示：
图3.1 管路压降与流量特性曲线图
Fig3.1 Pressure drop and pipe flow characteristic curve
其中水泵的特性曲线可以从说明书中计算得到，因此，只要计算出管路特性曲线即可，即要得到冷却水流过某管路时所需的压头H和流量Q间的函数关系。
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第3章 主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型
3.2 管网水力计算
液体流过某既定管路时所需的压头与流量间的函数关系曲线，称为管路特性曲线。管网水力计算的目的就是得到管路特性曲线。
液体从吸入液面通过某一管路流至排出液面所需的压头包括两方面：一部分是因吸、排液面存在高度差和压力差所需增加的位置头z和压力头
?P，这部分?g与管路流量无关，称为管路的静压头，可以看成定值，用Hst表示；另一部分用于克服管路阻力?h，它与管路中液体流速的平方成正比，故也与流量的平方成正比，即?h＝KQ2,式中的比例系数K随管路阻力系数的变化而变化[19]。因此，液体流过某既定管路时所需的压头和流量间的函数关系可以用下式表示：
关键就是求解K。
流体在管道内流动时，由于流体分子间及其管壁间的摩擦，就要损失能量，这称为沿程损失(沿程摩擦阻力)；而当流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，也要产生能量损失，这称为局部损失(局部阻力)。管路中两点间的总水头损失就是沿程损失和局部损失之和[20]。 3.2.1 沿程损失的计算
由流体力学的知识知道，管道内粘性摩擦沿程损失的计算公式一般为：
H?Hst?KQ2
(3.1)
lV28?l2hf???Q
d2gg?2d5(3.2)
其中： ?——沿程阻力系数；
l——管长，m；
d——管道直径，m；
V——管道内流体流速，m/s；
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船舶主机冷却水系统的建模与仿真
Q——管道内流体流量，m3/小时；
g——重力加速度，m/s2；
管道内流动摩擦损失不仅取决于粗糙突出部分的大小和形状，还与它们的分布与间距有关。工业用管道粗糙度还无法进行科学的测量和确定。1933年德国工程师尼古拉丝用筛选砂粒粘附在光滑的管道壁面上得到了人工粗糙管并进行了试验。将砂粒直径e定义为绝对粗糙度，e/d定义为相对粗糙度。人工粗糙管的粗糙度是均匀的，但是工业管道的粗糙度其大小和分布都是不规则的。因此定义工业管道的当量粗糙度为：高雷诺数下，如果工业管道和人工管道具有相同的?值，则将人工管道的粗糙度e作为工业管道的当量粗糙度。
对于主机缸套水冷却系统而言，取水在75℃时的运动粘度作为缸套冷却水管内冷却水的平均运动粘度[21]，水在75℃时的运动粘度为0.00380 m2/s。而且缸套冷却水管路中冷却水的设计流动速度一般为1-3 m/s，本系统的主淡水管路的直径为80mm，则雷诺数：
Re?Vd?3?0.084>4000 ＝6.23?10－40.0038?10?可见，主机缸套冷却水管路中冷却水的流动状态处于旺盛的紊流。在整个紊流区，沿程阻力系数的确定可采用下面统一的公式计算：
1??1.8log[(e/d1.116.9)?] 3.7Re?(3.3)
上式中的e即为管道的当量粗糙度，可查表得到。 3.2.2 局部损失的计算
流体通过管道的一些附件时，如阀门、弯头等，由于流体流动的方向或速度的改变，产生局部漩涡和撞击，将要产生能量损失，这称为局部损失。局部损失与局部构件的形状有关，随构件对流动扰动的增加而增加。局部构件使流体流动的平均速度在大小或者方向上发生了改变，产生了大的旋涡和涡流从而导致能量损失。在长管道系统中，局部损失与管道内沿程损失相比通常不是主要的。但是，
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第3章 主机缸套冷却水系统的管路水力数学模型
当管道比较短时，局部损失通常成为主要损失。如在水泵吸入管道中，进口处，特别是滤网和底阀产生的损失远比较短的入水管的摩擦损失大。虽然局部损失通常只发生在局部非常短的长度上，但是其影响可能在下游比较长的范围内仍然存在。因此，工程计算中需要考虑局部损失。
局部损失可以表示为：
V2 hj??2g (3.4)
上式中?是与局部构件形状有关的局部阻力系数。
局部阻力系数?的值一般通过查表和实验方法得到[22]。具体到本章中的主机缸套冷却水系统，大多数通用元件(如弯管接头、普通阀门等)的局部阻力系数?可以通过查流体力学相关手册得到。而较难确定的是柴油机内部的局部阻力系数、造水机内部的局部阻力系数、缸套水冷却器内的局部阻力系数以及三通调节阀调节过程中，三通阀在两个支路的局部阻力系数。
其中，柴油机内部的局部阻力系数可以通过试验的方法得到。在主管路流量已知(由流量计测出)的情况下，测出进、出柴油机的冷却水压力，根据压力的变化值就可以计算出柴油机内部的局部阻力系数。而局部阻力系数一旦确定，便不再变化。同样的方法可以得到造水机内部的局部阻力系数。
由于缸套水冷却器的局部阻力系数难以确定，因此可以考虑用经验公式直接求冷却水流经缸套水冷却器的压降，即：
hi?cV2n
上式中： c——待定系数，可以通过试验方法求得
V——管道内流体流速，m/s； n——冷却器的流程数
对于三通阀，本系统中采用的是理想特性为直线特性的对称三通阀，由参考文献23可知：对于可调比R＝30的三通阀，设阀门开度为x，则某一支路的阀门阻力系数[23]：
(3.5)
?x?1? (3.6) 2全开（0.033＋0.967x）20