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1、 大連海事大學 ┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊ 畢 業(yè) 論 文 　 　　 基于MATLAB的船舶機艙通風系統(tǒng)仿真 摘 要 世界造船業(yè)進入了‘數(shù)字化’階段。船舶的每個系統(tǒng)都可以進行建模與仿真。船舶機艙是船舶的動力、電力中心，是輪機人員進行管理的場所。要保證機艙內(nèi)動力及輔助設備的高效運行，并為工作人員提供舒適的工作環(huán)境，必須在機艙內(nèi)建立并維持適宜的環(huán)境條件，船舶機艙通風的目的就在于此。目前在生產(chǎn)單位的設計中，船舶都依據(jù)經(jīng)驗來設計機艙通風系統(tǒng)以保證適宜

2、的機艙環(huán)境。 本文主要是基于MATLAB平臺，針對船舶通風管道網(wǎng)絡進行‘數(shù)字化’的仿真。為船舶通風設備的制造與運行提供一個理論的支持與數(shù)字化的體現(xiàn)，為船舶機艙通風系統(tǒng)的長期運行和艙室內(nèi)氣壓的變化提供理論參考。此次仿真是基于集裝箱船的通風管道網(wǎng)絡設計的，通過風機系統(tǒng)和各個密閉空間模塊的差異對船舶通風管道網(wǎng)絡進行劃分歸類，進而對劃分的定、變?nèi)蒿L機系統(tǒng)模塊子系統(tǒng)進行數(shù)字建模與界面仿真，同時對每個子系統(tǒng)下的密閉空間模塊進行數(shù)字建模與界面仿真，最終達到對通風管道網(wǎng)絡的界面化，同時可以實時的控制風機的風量以及各個密閉空間氣閥的閥值，從而對艙室的氣壓進行控制與穩(wěn)定,并且可以動態(tài)的顯示氣壓變化趨勢的要求。

3、 關鍵詞：排（送）風機；通風管道網(wǎng)絡；數(shù)值仿真；仿真建模；控制系統(tǒng) ABSTRACT World shipbuilding industry has entered a digital phase. Each ship’s system can be modeling and simulation. Ship engine room is the driving force, power center.It is the engineer who managed the place. To ensure that the cabi

4、n power and auxiliary equipment running efficiently and to provide staff with a comfortable working environment, It must be established and maintained in the cabin suitable environmental conditions. It is the ship engine room ventilation purpose . Currently in the design of production units, based o

5、n experience to design vessels are mechanical ventilation system in order to ensure the appropriate cabin environment. This article is based on matlab platform for ship ventilation duct networks digital in the simulation. Ventilation equipment for the manufacture and ship operation to provide a the

6、oretical support and reflect the number of sub-oriented, for the ships engine room ventilation system air pressure changes in the long-running and provide a theoretical reference. The simulation is based on the container ship ventilation duct network design, through the fan system and differences be

7、tween the various modules confined space ventilation ducts on the ship is classified networks, and thus on the division of fixed, variable volume fan system module subsystem for digital modeling and simulation interface, while the confined space under each subsystem modules for digital modeling and

8、simulation interface, and ultimately achieve the ventilation ducts of the network interface, while real-time control fan air flow and various valves valve confined space value, and thus the cabin pressure control and stability, and can dynamically change in air pressure trend display requirements.

9、 Key words：exhaust (supply) fan; Ventilation pipeline network; numerical simulation; modeling; control system 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 船舶通風系統(tǒng)的概述 1 1.1.1 船舶通風系統(tǒng)的分類 1 1.1.2 船舶通風系統(tǒng)的目的 1 1.2 選題的目的和意義 2 1.3 課題研究的主要任務 3 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 3 第2章 船舶通風系統(tǒng)建模實現(xiàn) 4 2.1船舶通風系統(tǒng)管道網(wǎng)絡 4 2.1.1.通風管道網(wǎng)絡圖概述 4 2.1.2 風機

10、型號 5 2.1.3 風機系統(tǒng)分類 6 2.1.4 各個工作間模塊分類 9 2.2 各個風機系統(tǒng)的數(shù)學建模 9 2.2.1軸流式風機的工作原理 9 2.2.2軸流風機的特性 9 2.2.3軸流風機的性能參數(shù) 10 2.2.4通風機的相似原理 10 2.2.5克拉伯龍方程式 10 2.2.6風機的數(shù)學模型 11 2.3 各個密閉工作空間的數(shù)學建模 12 第3章 船舶通風系統(tǒng)的界面設計與仿真實現(xiàn) 13 3.1仿真軟件介紹 13 3.2 仿真界面設計與實現(xiàn) 13 3.2.1通風管道網(wǎng)絡界面設計 13 3.2.2密閉空間界面設計 14 3.2.3定容排風機系統(tǒng)模塊的仿

11、真實現(xiàn) 15 3.2.4變?nèi)菖棚L機系統(tǒng)模塊的仿真實現(xiàn) 18 3.2.5密閉空間模塊的仿真實現(xiàn) 20 3.3 仿真界面優(yōu)化設計 21 第4章 仿真運行結果與分析 24 4.1主仿真界面的運行結果 24 4.2密閉空間仿真界面的運行結果 24 4.3運行結果分析 25 結論與感悟 26 參 考 文 獻 27 致 謝 28 附錄1 主要程序源代碼 29 41 基于MATLAB的船舶通風系統(tǒng)仿真 基于MATLAB的船舶通風系統(tǒng)仿真 第1章 緒論 1.1 船舶通風系統(tǒng)的概述 隨著現(xiàn)代航運業(yè)的發(fā)展，海上交通運輸日益繁忙，船舶趨于自動化，安全成為船舶運

12、輸永恒的主題。船舶機艙是船舶的動力中樞—心臟，是人力資源、環(huán)境資、物質(zhì)資源、管理資源的集合，是輪機人員進行管理的場所。要保證機艙內(nèi)動力及輔助設備的高效運行，并為工作人員提供舒適的工作環(huán)境，必須在機艙內(nèi)建立并維持適宜的環(huán)境條件，船舶機艙通風的目的就在于此。 船舶通風系統(tǒng)就是使用機械或者依靠空氣自然流通為船舶艙室進行通風換氣的管系。通風方式一般分為自然通風和機械通風兩類。一般對于大、中型船舶機艙采用機械通風并設置相應的通風管系；對于小型船舶，大多不設機械通風設備，但也利用機艙棚及風斗進行自然通風。 1.1.1 船舶通風系統(tǒng)的分類 通風方式一般分為自然通風和機械通風兩類。 自然通風主要是依靠

13、開孔，如門、窗、艙口、通風斗和通風筒等。通風斗和通風筒是一種排氣或吸氣的專門設備。為了提高自然通風效率，常利用艙室的外壁上對風的一面壓力增大，逆風的一面壓力降低的原理，把通風斗和通風筒制成各式各樣。自然通風系統(tǒng)結構和設備簡單，造價低，維護費用少，但因其受風向、相對速度和室內(nèi)外溫度差的影響，工作不穩(wěn)定，故對要求較高的艙室應用機械通風。 機械通風可分為為機械送風和機械排風。機械通風由軸流風機、通風管道、布風器組成。機械通風的優(yōu)點是通風量可以人為控制，不受外界自然條件的影響，且能對空氣進行合理的分配并輸送到各個特定處所，故在大、中型船舶上都作為主要的通風方式，還往往和自然通風結合起來使用。 1.

14、1.2 船舶通風系統(tǒng)的目的 對船用柴油機來說，環(huán)境狀況是指柴油機運行現(xiàn)場的大氣壓、環(huán)境溫度、相對濕度和中冷器冷卻介質(zhì)進口溫度。根據(jù) ISO3046/1-1986 規(guī)定的無限航區(qū)的船舶柴油機的標準環(huán)境狀況是大氣壓力 10OkPa，環(huán)境溫度 318K，相對濕度 60%，中冷器冷卻介質(zhì)的進口溫度 305K。對船舶主柴油機來說，其工作環(huán)境是指柴油機運行現(xiàn)場的大氣壓、環(huán)境溫度、相對濕度和中冷器冷卻介質(zhì)進口溫度。工作環(huán)境影響著柴油機氣缸內(nèi)的實際空氣量，因此隨著機艙通風狀況的變化，機艙內(nèi)的氣壓、溫度、濕度都會發(fā)生變化，進入氣缸內(nèi)的空氣量也隨之變化，并對柴油機的工況構成影響。具體來說，過高的機艙內(nèi)溫度會使機

15、艙內(nèi)空氣密度減小，這樣柴油機增壓器喘振的可能性會大大增大，并且會在一定程度上降低柴油機的推進效率。反之，機艙內(nèi)低溫會使空氣的密度增大，最高燃燒壓力升高。因此將機艙的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，對機械設備的正常工作是非常必要的。此外，在船舶機艙中，自動化設備要求的環(huán)境溫度是:機艙及主控制站 0～55℃，安裝在有發(fā)熱部件的柜(箱、臺)內(nèi)的電子設備，在工作過程中應能承受最高 70℃的溫度不會失效。自動化設備對濕度的要求是:溫度達到40℃時，相對濕度為95～100%，溫度高于 40℃時，相對濕度為 70%。隨著溫度的變化，儀表的精度和靈敏度會不同，當環(huán)境溫度超過儀表的有效溫度范圍時，有的儀表可能不能正常工

16、作。另一方面，機艙也是輪機管理人員工作的場所，機艙中的溫度、濕度以及油氣等有害氣體的含量構成了機艙的環(huán)境條件，空氣中的粉塵、有害氣體以及高溫高濕等都會損害人體的健康。在眾多因素中，機艙的溫度對工作人員的影響可以說是最大的。從醫(yī)學觀點看，平均在 15-20℃之間最適宜人們的工作，而實際中由于主柴油機、發(fā)電用柴油機以及鍋爐等設備的持續(xù)散熱，機艙中的溫度會不斷上升并對人體產(chǎn)生危害，這時候就要保證一定的通風量來控制機艙內(nèi)適宜的溫度。綜上所述，船舶機艙通風的主要目的就是用以建立并維持機艙內(nèi)適宜的環(huán)境條件(溫度、濕度、空氣流速、清潔度和空氣成份等)以保證柴油機、鍋爐燃燒所必須的空氣量，同時也是保證機艙內(nèi)部

17、良好的工作環(huán)境，改善輪機人員的勞動和衛(wèi)生條件。概括起來，機艙通風設備應該實現(xiàn)以下功能： （1）為主機、輔機和鍋爐等燃燒設備提供必需的燃燒用空氣量； （2）帶走設備的散熱量，保持機艙內(nèi)的適當溫度。 （3）排出機艙內(nèi)可能的有害氣體，保持空氣清潔，為機艙內(nèi)工作人員創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件。 （4）排除可燃氣體以防爆炸和火災。 1.2 選題的目的和意義 此次設計是基于MATLAB的船舶通風系統(tǒng)仿真，是根據(jù)某實船上的通風管道網(wǎng)絡以及實際的通風機的排量對船上各個艙室的氣壓變化情況進行數(shù)值模擬。此次仿真設計是根據(jù)每個風機風量的大小，計算出每單位時間內(nèi)進入艙室的空氣量，以及根據(jù)實際需要，可以人

18、為改變艙室進風開關的大小來進行風量調(diào)節(jié)，從而進行系統(tǒng)控制，以達到所要控制的艙室維持在一個穩(wěn)定度的氣壓水平，進而為艙室內(nèi)的人力資源、環(huán)境資源、物質(zhì)資源、管理資源提供一個高效運轉的場所，進而為航運的高效、安全、穩(wěn)定的運輸提供一個舒適安全的環(huán)境。 1.3 課題研究的主要任務 機艙通風系統(tǒng)設計的主要任務就是根據(jù)艙內(nèi)設備的工況確定供風量并根據(jù)設備的布置確定各個供風口的大小、型式及布置。一個設計合理的通風系統(tǒng)不僅要滿足船舶建造規(guī)范對供風量的要求，還要使艙內(nèi)氣流組織合理，艙內(nèi)溫度分布較均勻，避免出現(xiàn)空氣流動死角使熱量堆積導致局部溫度超過規(guī)范規(guī)定的最高數(shù)值。對于己經(jīng)設計完成并安裝到實船的通風系統(tǒng)，一般通過

19、測量風管風壓和通風口的風速確定供風量的分布是否達到設計要求。然而這種方法并不能得到整個機艙內(nèi)的空氣的溫度場和速度場的分布，所以無法對一個通風系統(tǒng)的完善程度做出精確的判斷和評價。若能提前知道通風的氣流組織和溫度的分布，無疑將為通風設計提供了一個理論依據(jù)，并據(jù)此來改進通風的不合理狀況，且贏得了和船體結構之間協(xié)調(diào)的時間，縮短設計周期。因此在機艙通風設計完成之后，再模擬出通風效果的各相關參數(shù)，再對通風設計加以改進，從而避免了復雜的調(diào)試過程，縮短了設計周期。這符合數(shù)字化造船的基本要求和核心思想。 1.4 課題研究的主要內(nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容就是根據(jù)某實船的通風管道網(wǎng)絡以及上海亨遠船務有限公司制造

20、的軸流風機的數(shù)據(jù)參數(shù)進行MATLAB界面仿真與數(shù)值模擬。根據(jù)實際的參數(shù)建立以下模型： (1)建立通風管道網(wǎng)絡界面。 (2)建立變?nèi)菟惋L機系統(tǒng)的數(shù)學模型。 (3)建立了定容排（送）風機的數(shù)學模型。 (4)利用MATLAB語言以及GUI編輯界面實現(xiàn)實際的控制操作。 (5)建立密閉空間的數(shù)學模型，以達到空間內(nèi)氣壓實時地變化。 第2章 船舶通風系統(tǒng)建模實現(xiàn) 2.1船舶通風系統(tǒng)管道網(wǎng)絡 2.1.1.通風管道網(wǎng)絡圖概述 本課題船舶通風管道網(wǎng)絡是根據(jù)某實際的集裝箱船的通風網(wǎng)絡管道的布局建立的。參照實船模型，以及實際經(jīng)驗設計，繪出通風管道網(wǎng)絡示意圖。如圖2.1。

21、 該通風管道網(wǎng)絡圖是集裝箱船舶的縱向剖面圖，其把實船縱向分為五個獨立密閉的空間，其劃分是依據(jù)實船甲板布局以及通風管網(wǎng)絡形態(tài)設定的。五個獨體的密閉空間從上到下依次被6層貨物甲板、2層貨物甲板、第二甲板、第三甲板以及最底層的底艙甲板分層。如圖2.1，這五個密閉的獨立的空間形成了船舶的環(huán)境系統(tǒng)，這其中分別包含了人力資源、物質(zhì)資源、管理資源等。這些資源的高效運行以及合理安排是通過八個送（排）風機為它們提供合理的通風換氣的空氣來實現(xiàn)的，這樣為機器運行、工作人員生存，為船舶運輸安全提供合理的保障，進而使得船舶高效地運行。 五個獨立的密閉空間包含了不同的機器成分和人員安排，所以不同的空間所需要的空氣量不

22、同，安排的排、送風機的型號也有差異。 其中被2層貨物甲板與第二甲板層分隔的空間里有機艙工作間和集控室。由于這里是輪機管理人員的工作場所，機艙中的溫度必須保持在最適宜的工作溫度，機艙中的有害氣體必須及時的排出。所以此空間分別由兩臺定容的供風機提供生產(chǎn)生活所需要的空氣。其中工作間有單獨的排風機，以達到為其中的工作人員及時有效的提供生活必須的空氣以及保持室內(nèi)的氣壓、溫度提供有力支持。同時此層有兩個集控室，集控室是船舶中自動化設備的主要集中艙室。自動化設備對環(huán)境溫度要求比較高，同時自動化設備在運行時也有不同程度的發(fā)熱，根據(jù)運行程度的不同，發(fā)熱的程度也不同。為了讓自動化設備達到最佳的運行狀態(tài)，要安排合

23、理的通風散熱設備進行通風換氣，進而維持艙室內(nèi)溫度，壓強，含氧量的穩(wěn)定。 由第二層甲板和第三層甲板組成的密閉空間主要是發(fā)動機和主機增壓器組成的。對船用柴油機來說，其運行環(huán)境需要運行現(xiàn)場的大氣壓、環(huán)境溫度、相對濕度和中冷器冷卻介質(zhì)進口溫度等因素維持在一個相對穩(wěn)定的水平。只有這些溫度維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，柴油機才能更加穩(wěn)定的運行，進而為船舶的穩(wěn)定長期高效的運行提供合理的條件。因為發(fā)動機運行需要合理的氧氣量、空氣壓力、介質(zhì)溫度等，這些條件為燃油提供合適的氧氣量和燃燒條件，所以此空間安排了兩臺變?nèi)莸乃惋L機為燃油燃燒提供通風換氣的支持，同時也為此空間的良好運行在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境提供保障。 第三層

24、甲板與底層甲板組成的空間主要存在有分油機間，分油機是一種離心式沉淀設備，作用是將待分離油中的雜質(zhì)顆粒和水分分離，基本原理是利用分離盤之間的微小間隙和分油機高速旋轉的離心力將雜質(zhì)顆粒和水分等密度較大的成分分離出去。它為凈化燃油提供一個循環(huán)利用的平臺。它的高效運行也是船舶運行一個必不可少的條件。同時底艙底要保持合適的正壓以保證尾軸洞不會因為負壓差而進水，為船舶的安全提供保障。同時尾軸有軸強制風機為此層空間的安全提供的更進一步的雙保險，也為空間內(nèi)維持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)提供了合理的氣壓、溫度支持。 圖2.1 船舶通風管道網(wǎng)絡圖 2.1.2 風機型號 本課題選用的風機是上海亨遠船務有限公司

25、生產(chǎn)的船用的軸流風機。此公司生產(chǎn)的FA系列船用軸流通風機可輸送含有鹽霧的海洋空氣和含有油霧等微腐蝕性空氣。通風機適用于軍船和民船上的各種艙室通風換氣，也適用于局部冷卻和降溫，還適用于陸上各相關的適當場所。FA系列船用軸流通風機可匹配500HZ，380V或440V船用三相的異步電動機。 其風機型號如下表2.1風機的型號 表2.1風機的型號 風機 編號 類型 個數(shù) 額定功率 (m/min*pa) 型號 1,2號機艙送風機 V.AXIAL 2 3500/2330 500/220 FA-B-185-1 3號機艙送風機 V.AXIAL 1 3500500 FA-B

26、-185-1 4號機場送風機 V.AXIAL 1 3500500 FA-B-140-8 機艙排風機 V.AXIAL 2 1800150 FA-B-185-1 分油機區(qū)送風機 V.AXIAL 1 500600 FA-90-5 軸強制風機 H.AXIAL 1 500120 FA-85-2 機艙工作間排風機 H.AXIAL 1 20500 FA-35-2 2.1.3 風機系統(tǒng)分類 通過風機系統(tǒng)網(wǎng)絡可知，其風機系統(tǒng)可大致分為四個部分。 分別是如下： （1）左側定容供風機及其所屬管道所連通的集控室、工作間、主機艙上層，主機艙底層和通艙底以及其

27、附屬的機艙工作間排風機、軸強制風機。該系統(tǒng)主要由兩個風機組成，一個定容供風機和一個機艙排風機。定容供風機為四層甲板艙提供空氣量，同時也為集控室、工作間提供需求風量。同時，為了保證工作間的高效運轉，單獨配置了一個機艙排風機來進行精確的風量控制。系統(tǒng)模塊如圖2.2 風機系統(tǒng)模塊1； （2）變?nèi)莨╋L機1及其所屬管道所連通的3,4號發(fā)電機和主機艙底層。該系統(tǒng)主要由一個變?nèi)莸墓╋L機配合每個密封艙的自然排風組成。主要是通過可調(diào)風量大小的供風機為1,2號發(fā)電機以及主機艙底層提供合適的風量，進而為發(fā)電機的穩(wěn)定運行提供條件。系統(tǒng)模塊如圖2.3 風機系統(tǒng)模塊2； （3）變?nèi)莨╋L機2及其所屬管道所連通的1,2號

28、發(fā)電機和分油機間以及附屬的分油機區(qū)排風機。該系統(tǒng)主要是由兩個風機組成，一個變?nèi)莸墓╋L機和一個定容的排風機。其主要是為1,2號發(fā)電機以及分油機工作間提供生產(chǎn)生活所必須的空氣，同時為了分油機間的精確的空氣排量，特別安置了一個分油機間排風機以提供保障。如圖2.4風機系統(tǒng)模塊3； （4）右側定容供風機及其所屬管道所連通的集控室、1,2,3號主機增壓器、主機艙底層和通艙底；主要是為主機增壓器以及集控室提供必備的空氣量。為通風換氣提供保障。如圖2.5風機系統(tǒng)模塊4 圖2.2 風機系統(tǒng)模塊1 圖2.3 風機系統(tǒng)模塊2 圖2.4 風機系統(tǒng)模塊3 圖2.5 風機系統(tǒng)

29、模塊4 2.1.4 各個工作間模塊分類 由通風管道網(wǎng)絡可以看出，各個密閉的工作間可以分為四類。 分別為： （1） 帶有工作間排風機的，進風量可調(diào)的密閉的工作間模塊； （2） 無工作間排風機的，進風量可調(diào)的密閉的工作間模塊； （3） 有工作間排風機的，進風量不可主動調(diào)節(jié)的工作間的模塊； （4） 整個甲板艙的密閉工作間模塊； 2.2 各個風機系統(tǒng)的數(shù)學建模 因為船用風機都是軸流式風機，我們先介紹一下軸流風機的工作原理。 2.2.1軸流式風機的工作原理 空氣沿軸向流動的通風機稱為軸流式通風機。一般通風機的結構如圖2.6所示，主要由集風器、葉輪、導葉和擴散器等組成。葉

30、輪安裝在圓筒形機殼中，電動機與葉輪直接聯(lián)接。 圖2.6 軸流通風機結構簡圖 １－集風器，２－葉輪，３－導葉，4－擴散 由于風機葉輪的葉片具有一定的斜面形狀，當葉輪在機殼中高速轉動時，使葉輪周圍氣體一面隨葉輪旋轉；一面沿軸向推進，氣體在通過葉輪時獲得能量，壓力升高，進入擴散管后一部分軸向氣流的動能轉變?yōu)殪o壓能，最后以一定的壓力從擴散管流出。 2.2.2軸流風機的特性 軸流式通風機一般采用電動機直接傳動的傳動方式， 有些大型的軸流式通風機也可將電動機安裝在機殼的外面， 采取皮帶輪或聯(lián)軸器傳動的方式，且其葉輪的排風側有的設有固定導葉，可將一部分偏轉氣流轉變?yōu)殪o壓能，有助于氣流的擴散

31、。 軸流式通風機的葉片有各種各樣型式，有板型、機翼型等等。 葉片從根部到葉稍常采用扭曲形的。 有些葉輪的葉片安裝角是可以調(diào)整的， 通過調(diào)整葉片安裝角可以改變風機的性能參數(shù)。 2.2.3軸流風機的性能參數(shù) 風量Q、風壓P、轉速n、功率N及效率η是表示通風機性能的主要參數(shù)。 （1）風量 通風機在單位時間內(nèi)所輸送的氣體體積稱為風量，又稱流量。通常指的是工作狀態(tài)下的氣體量(m3/h或m3/s)，而在風機銘牌上有時標出的是標準狀態(tài)下的風量(Nm3/h或Nm3/s)。 （2）風壓 通風機出口氣體全壓與進口氣體全壓之差(或進、出口全壓絕對值之和)稱為風機的風壓，也就是氣體進入風機后所升高

32、的壓力，其單位為Pa。 （3）功率 通風機在單位時間內(nèi)傳遞給氣體的能量稱為風機的有效功率Ne， 2.2.4通風機的相似原理 （1）風壓相似換算 (2.1) （2）風量相似換算 (2.2) （3）功率相似換算 (2.3) 其中n為風機的轉速，D為風機的葉輪半徑，ρ空氣的密度。 2.2.5克拉伯龍

33、方程式 克拉伯龍方程式: (2.4) 其中P表示壓強、V表示氣體體積、n表示物質(zhì)的量、T表示絕對溫度、R表示氣體常數(shù)。所有氣體R值均相同。如果壓強、溫度和體積都采用國際單位（SI），R=8.314帕米3/摩爾K。如果壓強為大氣壓，體積為升，則R=0.0814大氣壓升/摩爾K。 2.2.6風機的數(shù)學模型 根據(jù)前幾節(jié)介紹的軸流風機的工作原理，性能參數(shù)以及相似原理。再根據(jù)方程式。我們可以推導出風機系統(tǒng)的數(shù)學模型，進而進行數(shù)值仿真。 本課題主要由兩種風機構成的風機系統(tǒng)，一種是變?nèi)蒿L機，一種是定容風機。下面我們依次介紹兩種風機的數(shù)學

34、模型。 首先，這里假設風機的內(nèi)部的溫度與風機周圍的溫度近似相等。即在T相等的情況下，根據(jù) ，我們可以推到出 (2.5) 即在相同的溫度下，空氣的體積與空氣的壓強的乘積是一個固定的常數(shù)，其中P為風機所產(chǎn)生的氣體的壓強（Pa），V為風機單位時間內(nèi)所排出的空氣的體積，為外界的空氣壓強，為相對于外界的空氣體積。這樣我們就通過可以計算出。 我們的目的是是要計算出空氣的質(zhì)量，進而進行壓強的計算。有了氣體的體積，我們就要找到當前的空氣密度，進而求出質(zhì)量。同樣，通過我們可以推到出以下的公式： (2

35、.6) 其中m為空氣的質(zhì)量，M空氣的摩爾質(zhì)量（通常為29g/mol）。通過公式（2.6）我們可以推到出以下公式： (2.7) (2.8) 然后根據(jù)公式(2.7)公式(2.8)我們可以得到外界的空氣密度的計算公式: (2.9) 通過公式(2.9)，再根據(jù)空氣一大氣壓下25攝氏度時空氣密度是1.29kg/m3，我們可以算出空氣在不同溫度，不同壓強下的空氣密度，進而算出了空氣的質(zhì)量。空氣的質(zhì)量算出了，排風機的基本數(shù)學模型

36、也就準備好了。 然后我們分別介紹定容和變?nèi)菖棚L機的數(shù)學模型。 1.定容排風機 所謂定容排風機就是在開啟風機后，風機的容量，風機所產(chǎn)生的壓強是固定不變的，所以通過公式(2.5)我們可以算出定容風機單位時間內(nèi)相對于外界的體積與壓強，進而算出氣體的質(zhì)量，然后進行數(shù)字仿真。 2.變?nèi)菖棚L機 所謂變?nèi)菖棚L機就是風機的容量大小是可以根據(jù)實際的情況調(diào)節(jié)的，所以它單位時間內(nèi)輸出的氣體體積是不定的，同時它的氣體壓強，也是不定的。所以，我們只能通過排風機的相似原理對風機進行計算，進而算出變?nèi)菖棚L機的單位時間內(nèi)所排出的氣體體積。通過公式(2.1)公式(2.2)我們可以推到出變?nèi)蒿L機容量與氣壓的關系，（由于

37、進行對比的是同一個風機，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： (2.10) 通過公式(2.10)我們就可以得到變?nèi)菖棚L機單位時間內(nèi)的壓強與氣體量，進而通過公式就可以得到單位時間內(nèi)的氣體質(zhì)量，從而得出變?nèi)菖棚L機的數(shù)學模型。 2.3 各個密閉工作空間的數(shù)學建模 各個密閉空間的建模是根據(jù)圖2.8所繪制的原理進行仿真建模的。 圖2.7 密閉空間仿真原理圖 由于從第一章我們可知，密閉空間排風分為自然排風和機械排風，所以影響空間氣壓的原因就由這兩方面組成?？墒?，由于自然排風的不可控性，本課題沒有對自然排風

38、進行仿真研究，在建立模型時對自然排風只是給定了一個初始排風值。本課題主要是對機械排風進行仿真。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，仿真的目的是計算出單位時間內(nèi)密閉空間氣體變化量，進而通過PV=m/MRT這個氣體方程變形式來計算出密閉空間的氣壓變化。 不同的密閉空間，數(shù)學模型不太一樣。有排風機的密閉空間氣壓主要由送風機與排風機的氣體質(zhì)量差決定。無排風機的密閉空間氣壓由送風機送入的空氣質(zhì)量決定（自然排風影響小，本課題設置初始值影響，不過影響不大）。 第3章 船舶通風系統(tǒng)的界面設計與仿真實現(xiàn) 3.1仿真軟件介紹 MATLAB由一系列

39、工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。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瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。 MATLAB是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（M文件）后再一起運行。 MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，

40、而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。 本課題運用到的仿真軟件是MATLAB中的GUI圖形用戶設計界面。在MATLAB強大的函數(shù)、矩陣運算支持下進行方針設計可以更加接近實際的情況。 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，用來顯示不需要更改的數(shù)據(jù)仿真結果。相對的Edit Text控件是用來顯示可以根據(jù)實際情況進行更改的仿真數(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

41、開關按鍵。 3.2 仿真界面設計與實現(xiàn) 3.2.1通風管道網(wǎng)絡界面設計 根據(jù)第一章介紹的某實船的通風網(wǎng)絡管道布置，本課題運用MATLAB GUI中所提供的的控件進行模擬仿真。 （1）Push Button控件進行風機的仿真，按下按鍵表示風機開啟，再按一次表示風機關閉，同時運用Static Text控件配合顯示風機的狀態(tài)。 （2）運用不同顏色的Static Text控件進行通風管道的布置，顏色區(qū)分管道是進風還是出風。 （3）各個密閉空間運用Push Button仿真，其目的是為了按下按鍵后可調(diào)出該空間的相關參數(shù)以及空間內(nèi)氣壓的變化。 （4）運用Slider控件進行進風量，出風量大小

42、的調(diào)節(jié)，即開關的仿真。 （5）用Toggle Button控件設計系統(tǒng)的總開關，該仿真界面的所有運行程序都是在總開關的控制下進行的。 （6）Edit Text控件是設計溫度，壓強參數(shù)，目的是為了與實際的溫度壓強保持一致，進行更精確的仿真提供參數(shù)量。 （7）運用Static Text控件設置在甲板密閉空間以顯示空間的壓強變化。 通過以上各個控件的介紹以及每個控件所要模擬的單元，再通過第一章所給出的船舶通風系統(tǒng)的管道網(wǎng)絡圖，我們可以布置控件進行界面的設計，設計的界面如圖3.1。各個控件初始化狀態(tài)以運行時的界面狀態(tài)為準。 圖3.1 船舶通風管道網(wǎng)絡仿真界面 3.2.2密閉空間界面設計

43、 在MATLAB GUI 中運用參數(shù)傳遞的實現(xiàn)形式，把系統(tǒng)運行時間、每秒鐘進入室內(nèi)的氣體體積、室內(nèi)溫度、室內(nèi)壓強、相對于外界的氣壓、進入室內(nèi)的氣體的總質(zhì)量、每秒鐘進入室內(nèi)的氣體質(zhì)量、原機房氣體質(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，運用ActiveX Control 控件設計一個壓力表，進行顯示當前室內(nèi)的相對氣壓，進而可以直觀的展現(xiàn)室內(nèi)氣壓狀況，為控制氣壓提供依據(jù)。同時設計了退出按鍵，為方便的退出界面提供快捷方式。界面設計如圖3.2。 圖3.2 船舶密閉空間仿真界面 3.2.3定容排風機系統(tǒng)模塊的仿真實現(xiàn) 雖然每個風機系統(tǒng)模

44、塊是不同的，但是大體軟件設計是相通的，所以，本文就針對兩個相對復雜的系統(tǒng)進行軟件設計實現(xiàn)思路的介紹。 首先先針對一個定容的排風機系統(tǒng)進行介紹。這里用了風機系統(tǒng)模塊1，進行軟件實現(xiàn)介紹。系統(tǒng)模塊圖如圖2.2。仿真界面如圖3.3。 圖3.3 系統(tǒng)模塊1仿真界面 根據(jù)仿真圖，實現(xiàn)定容排風機的仿真。仿真代碼如下： if(kC==0) if (get(handles.TB7,value)&anjian1C==1) if(anjian1C==1) set(handles.e4,string,3500);%設置定容排風機的容量

45、 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=totalC1-totalC1*bC;%工作間剩余空氣量 cC3=totalC1*bC;%工作間的空氣量 totalC3=totalC2-totalC2*dCShang; cC2=totalC2*dCShang;%主機艙上層的空氣量 totalC4=totalC3-totalC3*dCDi;

46、 cC4=totalC3*dCDi;%通艙底的空氣量 totalC5=str2double(r3C)-dC*str2double(r3C)-totalC1*bC-totalC2*dCShang-totalC3*dCDi; %主機艙底層的空氣量 set(handles.text74,string,num2str(totalC5)); set(handles.text61,string,num2str(cC2)); set(handles.text78,string,num2str(cC4)); %分別顯示出各個數(shù)

47、值 Rv=str2double(r3C)*str2double(rC); r11C=Rv/(str2double(r4)*str2double(r2));%每秒鐘的進氣量時間 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

48、風機的型號，我們先設置排風機的容量為‘3500’，并在e4控件中顯示，同時設置r3C變量為風機的總容量，dC為集控室開關的開度，從而得到cC1，即空氣的通氣量。同理可以分別得到工作間、主機艙上層、通艙底以及主機艙底層的空氣量并用text控件分別顯示出來。然后進行固定數(shù)值的計算，如每秒鐘的進氣量以及外界的溫度等。需要注意的是，這里涉及到了供風機的開關操作的功能設計，為了能使風機進行開關操作，本課題設計了一個全局變量global anjian1C，此變量與按鍵TB7共同管理此供風機的開關操作。 下面介紹此風機模塊的兩個密閉的工作空間，集控室與工作間的功能實現(xiàn)。集控室的代碼實現(xiàn)如下： if(k5

49、C==1) %判斷排風機開關是否開啟 r20C=str2double(T1C)+str2double(t5);%室內(nèi)溫度34機房（變） r19C=R2C*dC;%計算進入室內(nèi)的氣體的質(zhì)量 R2mC=num2str(r19C);%得到每秒鐘進入的氣體質(zhì)量 MC=str2double(101000)*str2double(VC)*str2double(t8)/(str2double(t7)*r20C); %34機房的在一大氣壓下的空氣質(zhì)量（初始的室內(nèi)空氣質(zhì)量） m2C=str2double(m34C);%m34很重要

50、！?。。。?！ m2C=m2C+r19C-str2double(MzC); m34C=num2str(m2C); m1CP=(MC+str2double(m34C))*str2double(t7)*r20C/(str2double(t8)*str2double(VC));%得到室內(nèi)的空氣壓力 m22C=m1CP/str2double(r4); m22Cc=num2str(m22C); set(handles.text71,string,num2str(m22C));%得到相對壓力 end 此代碼是該系統(tǒng)模塊的

51、集控室的仿真數(shù)學模型，首先先獲得室內(nèi)的溫度T1C，然后在獲得每秒鐘進入室內(nèi)的空氣的氣體質(zhì)量，再加上原室內(nèi)的空氣的質(zhì)量，得到此時室內(nèi)總的質(zhì)量。這里應該注意一點，室內(nèi)總質(zhì)量是實時更新的，由于有供風機與排風機的影響，所以質(zhì)量有增有減，所以室內(nèi)的總質(zhì)量要設置一個全局變量，即global m34來記憶室內(nèi)的氣體質(zhì)量。每一個密閉空間都有這個變量來記憶室內(nèi)的氣體質(zhì)量。通過進而得到室內(nèi)的氣體壓力，然后得到氣壓的相對壓力。同理，工作間的仿真模型也是一樣的，這里就不一一介紹了。 排風機的打開操作仿真完成，同理排風機的關閉仿真也是相同的實現(xiàn)，只是對打開的代碼進行了少量的修改，代碼實現(xiàn)如下： if(xor(get

52、(handles.TB7,value) , (anjian1C))==1) if(anjian1C==1) set(handles.text61,string,0); set(handles.text78,string,0); set(handles.e4,string,OFF); set(handles.text74,string,0); T0=get(handles.edit10,string); totalC1=str2double(0); totalC2=str2double(0

53、); totalC3=str2double(0); totalC4=str2double(0); totalC5=str2double(0); Rv=str2double(0); R2C=str2double(0); r20C=str2double(T1C)+str2double(t5);%室內(nèi)溫度34機房（變） r19C=R2C*dC; 關閉排風機只是把相應的排風機的排風量進行清零，使此系統(tǒng)模塊進行相應的無進風量的操作。實現(xiàn)密閉空間零輸入的狀態(tài)。 同時，又設立了一個global kC變量

54、，此變量的目的是為了進行各個相關數(shù)據(jù)的更新以及顯示內(nèi)容的更新操作。更新數(shù)據(jù)的代碼如下： if(kC&anjian1C==1) T1C=get(handles.edit19,string);%更新集控室的溫度 T1Workspace=get(handles.edit20,string);%更新工作間的溫度 T0=get(handles.edit10,string );%更新外界的溫度 r4=get(handles.edit21,string );%更新外界的壓強 dC=get(handles.slider9,va

55、lue);%更新集控室的開關開度 bC=get(handles.slider8,value);%更新工作間的開關開度 dCShang=get(handles.slider7,value);%更新主機艙上層的開關開度 dCDi=get(handles.slider11,value);%更新主機艙通艙底的開關開度 num2C=get(handles.slider9,value); set(handles.text55,String,num2C);%更新開關開度并在text中顯示出來 num1C=get(

56、handles.slider8,value); set(handles.text56,String,num1C); num3C=get(handles.slider7,value); set(handles.text63,String,num3C); num4C=get(handles.slider11,value); set(handles.text77,String,num4C); kC=0;%設置更新標志位歸零使其繼續(xù)進行操作 set(handles.text13,string

57、,mtt2); set(handles.text10,string,設置中...); end 以上代碼實現(xiàn)了各個數(shù)據(jù)的更新操作使得仿真的數(shù)據(jù)更能接近實際的情況，并且為仿真接近真實性提供了一個方便的途徑。 相應的系統(tǒng)模塊1的完整代碼在附錄中可以找到。 3.2.4變?nèi)菖棚L機系統(tǒng)模塊的仿真實現(xiàn) 這里我們就一個較為復雜的變?nèi)菖棚L機系統(tǒng)模塊進行建模仿真實現(xiàn)。由上述提到的公式(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)我們可以得到變?nèi)莸娘L機公式： （3.1） 其中是變?nèi)菖棚L機的當前壓力，是當前排出的氣體量，這是手動進行調(diào)

58、節(jié)的。是基準壓力，是基準的排氣量。這樣通過公式(3.1)我們就可以算出氣體變?nèi)莸呐棚L機每分鐘的排出的氣體質(zhì)量。這里我們用圖2.4風機系統(tǒng)模塊3 來介紹變?nèi)莸娘L機系統(tǒng)。仿真圖如圖3.4 系統(tǒng)模塊3仿真界面。 根據(jù)仿真圖，實現(xiàn)變?nèi)菖棚L機的仿真。這里我們只介紹變?nèi)菖棚L機與定容排風機的異同之處，對于相同的地方我們就不詳細介紹。仿真代碼如下： if(kj==0) if (get(handles.TB5,value)&anjian1j==1) if(anjian1j==1) set(handles.text19,string,get(handles.slider5

59、,value)); %設置變?nèi)菖棚L機的當前容量值 totalj=dj*bj;%算出進入1,2號發(fā)電機中的氣體量 cj = num2str(totalj); e1j=dj-totalj;%計算出進入分油機中的氣體量 dengshu52j=num2str(e1j); r11j=str2double(r)/(str2double(r4)*str2double(r2));%時間 r12j=str2double(r3)*str2double(r3); r13j=r11j/r12

60、j;%公式(10)給出的的計算公式 r16=str2double(t5)*str2double(t6); r17=str2double(T0)+str2double(t5);%計算出外界的溫度 r18=r16/r17; R1=num2str(r18); %得到外界密度 r14j=dj*dj*dj; r15j=r13j*r14j; Rj=num2str(totalj);%相對于外界的體積% 這里的全局變量global kj是更新數(shù)據(jù)的標志位，global anjian1

61、j是判斷供風機的按鍵是否開啟，這些與定容排風機系統(tǒng)相似。 根據(jù)公式(10)的計算公式，算出變?nèi)菖棚L機每秒鐘排出的氣體質(zhì)量。 圖3.4 系統(tǒng)模塊3仿真界面 然后介紹一下分油機間的代碼實現(xiàn)，由于分油機間有一個分油機間的排風機，所以與前面介紹的密閉空間有一定的不同，分油機間的排風機仿真代碼如下： if(get(handles.TB10,value)==1 ) set(handles.text37,string,500); Rvshopj=str2double(500)*str2double(600); r11Cshopj=Rvshop

62、j/(str2double(r4)*str2double(r2)); %每秒鐘的進氣量時間 r16=str2double(t5)*str2double(t6); r17=str2double(T0)+str2double(t5); r18=r16/r17; w22shopj=r11Cshopj*r18;%每秒鐘的總質(zhì)量 end if(get(handles.TB10,value)==0) set(handles.text37,string,OFF);

63、 w22shopj=0; end 代碼實現(xiàn)，當分油機間的排風機打開，進入氣體的質(zhì)量是w22shopj，排風機關閉時進入的氣體量為零。 以下是分油機間的仿真代碼實現(xiàn)： r20jj=str2double(T1jj)+str2double(t5);%室內(nèi)溫度分油機間 r19jj=r15j*r18-r15j*r18*bj; R2jj=num2str(r19jj); %得到每秒鐘進入的氣體質(zhì)量M34jj=str2double(101000)*str2double(V34jj)*str2double(t8)/(str2double(t7)*r20jj);%34

64、機房的空氣質(zhì)量在一大氣壓 m2jj=str2double(m34jj); m2jj=m2jj+r19jj-w22shopj-str2double(Mz34jj); m34jj=num2str(m2jj); m1jj=(M34jj+str2double(m34jj))*str2double(t7)*r20jj/(str2double(t8)*str2double(V34jj)); %得到室內(nèi)的空氣壓力 m22jj=m1jj/str2double(r4); set(hand

65、les.text100,string,num2str(m22jj)); %得到相對壓力 分油機間的代碼除了多了一個排風機外，其他代碼實現(xiàn)和其他的密閉空間實現(xiàn)基本相同。 3.2.5密閉空間模塊的仿真實現(xiàn) 以上一節(jié)介紹的分油機間的模型為例介紹一下密閉空間模塊的仿真實現(xiàn)，密閉空間模塊就是運用了MATLAB GUI中不同界面?zhèn)鲗?shù)據(jù)的技術實現(xiàn)的。仿真代碼如下： txt1jj=dengshu52j;%每秒鐘的氣體體積 txt2jj=R1;%外界的氣體密度 txt3jj=T1jj;%室內(nèi)溫度34機房 txt4jj=R2jj;

66、 %得到每秒鐘進入的氣體質(zhì)量 txt5jj=num2str(M34jj);%一大氣壓愿機房的空氣質(zhì)量 txt6jj=num2str(m1jj);%室內(nèi)的氣體壓力 txt7jj=num2str(m22jj);%相對壓力 txt8jj=m34jj; txt9jj=e1j; setappdata(0,out1jj,txt1jj); setappdata(0,out2jj,txt2jj); setappdata(0,out3jj,txt3jj); setappdata(0,out4jj,txt4jj);