基于JFlow的船舶主機高溫淡水冷卻系統的仿真研究

郭衛勇/武漢船舶職業技術學院

基于JFlow的船舶主機高溫淡水冷卻系統的仿真研究

郭衛勇/武漢船舶職業技術學院

本文以船舶主機高溫淡水冷卻水系統為對象建立了仿真模型，應用JFlow平臺進行了動態仿真，通過對主機變工況和穩態運行仿真分析，從而驗證了所建模型的準確性，為船舶冷卻水系統的經濟性研究提供了參考。

JFlow；冷卻水系統；仿真

1. 引言

船舶冷卻水系統是保證船舶動力裝置安全可靠運行的動力系統之一，主機運轉時，與高溫燃氣相接觸的零件強烈受熱，不加以適當的冷卻會使其過熱，導致主機充量系數下降，機油變質，零件的摩擦、磨損加劇，其結果是主機的動力性、經濟性、可靠性和耐久性全面惡化。但主機過冷時，主機工作粗暴，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成倍增加。因此對主機高溫淡水冷卻的控制，尤其是主機變工況運行時的研究就顯得尤為重要，本文將應用JFlow平臺對主機變工況運行時高溫淡水溫度的變化進行分析，以驗證模型的準確，為冷卻水系統經濟性的研究提供參考。

2 .JFlow平臺介紹

JFlow是一個針對流體網絡的軟件工具，具有友好的用戶界面。它用于單相流分析和建立流體仿真模型。JFlow在建模時充分的考慮了流體系統中的質量、能量、動量守恒定律，可用于計算流體的動態參數包括整個流體系統內流量、壓力和溫度等。它的計算方法是將所有與流速和壓力相關的方程線性化構成一個矩陣，通過快速稀疏矩陣解法求出流速和壓力。由此可實現高效、實時的流體網絡仿真。此外，JFlow工具在對模型編譯時，可自動生成C或Fortran語言，因此模型具有很好的可移植性。

3 .主機高溫冷卻水系統模型的建立

主機高溫冷卻水系統主要包括了兩臺主機高溫冷卻泵、一臺主機缸套預熱泵、主機、除氧器、造水機、高溫淡水膨脹水箱、各種閥件、溫度、壓力、流量顯示控件等。圖3.1中的管路控件比較形象的顯示了機艙中高溫淡水的運行狀況，當高溫淡水管路中的離心泵、閥運行狀況發生改變時，相應管路高溫淡水的運行狀況就會發生改變。壓力顯示控件分別顯示了主機缸套高溫水入口壓力、主機缸套高溫水出口壓力、高溫水中冷器的入口及出口壓力。溫度顯示控件分別顯示了高溫淡水進、出主機溫度，高溫淡水進、出缸套水冷卻器的溫度。流量顯示控件分別顯示各管路的流量大小。

圖3.1 主機高溫淡水冷卻系統

4. 主機變工況運行仿真分析

船舶運行工況發生變化時，主機的負荷也隨著改變，高溫淡水出主機溫度和入主機溫度也相應的改變，同時中央冷卻器低溫淡水溫度也相應改變。為了更直觀的反應冷卻水溫度隨主機負荷的變化而變化，在JFlow平臺下，通過改變主機的功率，得到了冷卻水溫度變化的曲線，如下圖所示：

（1）當t=2:20時，主機功率突然增加12％，其溫度變化如圖4.1，圖4.2，圖4.3。

圖4.1 高溫淡水出主機溫度

圖4.2 高溫淡水入主機溫度（主機負荷增加）

圖4.3 主機高溫淡水系統三通閥開度變化

圖4.1，圖4.2，圖4.3顯示了冷卻淡水系統的主要的幾個溫度變化曲線圖。在t=2:20時，由于主機功率突然增加，故高溫淡水出主機溫度和高溫淡水入主機溫度均有一個增加的趨勢，這其中，高溫淡水出主機溫度的增加幅度最為明顯，因為它直接受到主機功率的影響，其次是高溫淡水入主機溫度。在t=2:50時，它們均有一個下降的趨勢，因為高溫淡水系統的三通閥的開度減小，流經高溫淡水冷卻器的高溫淡水流量隨之增加，因而溫度有所下降，但最終穩定在某一值。

當主機功率從正常航行狀態突然減少時此時正好與上面所述情況相反。

從圖中可得知，系統能夠正確的模擬主機在變工況運行時主機高溫冷卻水溫度的變化，當主機負荷增加時，高溫淡水出主機溫度和入口溫度也隨之增加，當主機負荷減少時，高溫淡水出主機溫度和入口溫度也隨之減少，但是隨著高溫淡水出主機溫度的不斷變化，高溫淡水帶走主機的熱量也隨著變化，最終與實際的熱負荷相等，因此，其溫度最終穩定在某一溫度上。

5. 穩態仿真分析

在JFlow平臺下進行了仿真，從開始運行到系統達到穩定狀態其過程如下圖所示：

圖5.1 中央冷卻器（海水側）

圖5.2 中央冷卻器（低溫淡水側）

圖5.3 主機冷卻水入口溫度

圖5.4 主機冷卻水出口溫度變化

從上圖可得知，系統從開始運行大約3分鐘后基本達到穩定狀態，高溫淡水冷卻各參數如圖3.1。

6 .總結

本文簡單介紹了JFlow平臺，并在該平臺上建立了船舶主機高溫淡水冷卻系統模型，對主機變工況和穩態運行進行了仿真，實驗結果表明：基于JFlow的主機高溫淡水冷卻系統模型仿真速度快，在系統穩態時與實際船舶運行參數以及輪機模擬器仿真參數相比，參數精度高，符合輪機模擬器培訓要求。

[1]馬量．船舶主機冷卻水系統的建模與仿真，（碩士論文）大連海事大學，2007.3．

[2]潘偉昌．船舶中央冷卻系統的分析與初步研究，（碩士論文）哈爾濱工程大學．2001.12．

[3]鄭銳沖．船舶冷卻水系統的優化設計，（碩士論文）武漢理工大學，2000. 3．

[4]賈小?。袄鋮s水系統建模的分析與研究，（碩士論文）武漢理工大學，2003. 5．

[5]孫培廷等．船舶中央冷卻系統的設計，大連海事大學學報，1998 24卷第三期．

郭衛勇，男，講師，主要從事船舶柴油機及輪機管理方向的教學和研究。