船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，本發(fā)明方法不依賴主機(jī)系統(tǒng)中各設(shè)備進(jìn)出口工質(zhì)熱力性能參數(shù)，即無(wú)需采集大量數(shù)據(jù)，僅根據(jù)主機(jī)系統(tǒng)各工作過(guò)程特點(diǎn)，通過(guò)引入配氣相位，并基于各設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)能耗分布，即整個(gè)主機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備熱損失和系統(tǒng)能耗分布情況。本發(fā)明簡(jiǎn)單方便，精確度高，可準(zhǔn)確計(jì)算各設(shè)備進(jìn)出口工質(zhì)熱力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得主機(jī)系統(tǒng)的能耗分布。根據(jù)本發(fā)明計(jì)算結(jié)果可獲得主機(jī)系統(tǒng)中用能薄弱環(huán)節(jié)，從而可為主機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改進(jìn)指明方向。
【專利說(shuō)明】船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于工程熱力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)一套完整的基于熱力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn) 態(tài)的方法。1984年，美國(guó)密歇根大學(xué)對(duì)船用增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)仿真模型提出了新的觀點(diǎn)，分 別給出了二沖程和四沖程柴油機(jī)的各部分仿真模型。1989年，K.P.Dudek等人搭建了內(nèi)燃 機(jī)氣缸壓力控制的仿真模型，并得以應(yīng)用。90年代以來(lái)，船舶主推進(jìn)系統(tǒng)的仿真研宄進(jìn)入 了一個(gè)新階段，日本神戶海事大學(xué)的Lan等人在前人基礎(chǔ)之上，又對(duì)船舶主機(jī)模型提出了 新的經(jīng)驗(yàn)公式以及解析方程，從而進(jìn)行更精確的計(jì)算分析。進(jìn)入21世紀(jì)，PatrickKirchen 建立預(yù)測(cè)噴油時(shí)間的柴油機(jī)熱力學(xué)模型。
[0003] 國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者研宄船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布，1997年，上海交通大學(xué)的王長(zhǎng)林 等人根據(jù)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型的概念，建立了四沖程船用柴油機(jī)的實(shí)時(shí)仿真模型。1999年，大連海事 大學(xué)的張均東、孫培延利用Hankel矩陣正交奇異值，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)船舶動(dòng)力裝置中一些典 型設(shè)備的單位脈沖響應(yīng)時(shí)間序列的狀態(tài)空間建模。進(jìn)入21世紀(jì)，科技飛速發(fā)展，我國(guó)船舶 仿真技術(shù)也突飛猛進(jìn)，但是卻很少有學(xué)者從熱力學(xué)性能參數(shù)角度研宄船舶能耗分布穩(wěn)態(tài)計(jì) 算。
[0004] 由于船舶主機(jī)系統(tǒng)較復(fù)雜，并且整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備較龐大，若用儀器檢測(cè)各設(shè)備進(jìn)出 口工質(zhì)熱力學(xué)性能參數(shù)來(lái)計(jì)算各設(shè)備的用能情況是幾乎不可能的，并且，對(duì)于新設(shè)計(jì)的船 舶也無(wú)法進(jìn)行指導(dǎo)改進(jìn)?；跓崃W(xué)性能參數(shù)計(jì)算的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布受主機(jī)系統(tǒng)中 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和特別的性能參數(shù)獲取較困難的制約，影響了該方法的廣泛應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種不依賴于主機(jī)系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)出口工 質(zhì)熱力學(xué)性能參數(shù)的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，該方法可方便、準(zhǔn)確地計(jì)算各 設(shè)備進(jìn)出口工質(zhì)熱力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得各設(shè)備的耗能情況。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] 船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，包括步驟：
[0008] 步驟1，計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)中氣缸內(nèi)氣體在多變壓縮過(guò)程的熱損失：
[0009] 根據(jù)氣缸多變壓縮過(guò)程的進(jìn)氣體積獲得主機(jī)系統(tǒng)燃燒過(guò)程所需的空氣量，根據(jù)主 機(jī)系統(tǒng)的配氣相位圖獲得多變壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)的氣缸容積，根據(jù)燃燒過(guò)程所需的空氣量和 多變壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)的氣缸容積計(jì)算有效壓縮比；基于有效壓縮比計(jì)算多變壓縮過(guò)程結(jié)束 時(shí)氣缸內(nèi)氣體的熱力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得氣缸內(nèi)氣體的熱損失；
[0010] 步驟2,計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)中氣缸內(nèi)氣體在燃燒過(guò)程的熱損失：
[0011] 根據(jù)氣缸爆發(fā)壓力和曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸容積和氣缸內(nèi)氣體的熱 力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體的熱損失；所述的氣缸爆發(fā)壓力根據(jù)已知 的氣缸爆發(fā)壓力曲線獲得，所述的曲軸轉(zhuǎn)角根據(jù)主機(jī)型號(hào)和工況設(shè)定；
[0012] 步驟3,計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)氣缸內(nèi)氣體在多變膨脹過(guò)程中的熱損失：
[0013] 根據(jù)配氣相位圖計(jì)算燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸容積，由燃燒結(jié)束時(shí)氣缸容積和多變膨 脹結(jié)束時(shí)氣缸容積計(jì)算有效膨脹比，根據(jù)氣缸爆發(fā)壓力和有效膨脹比獲取多變膨脹過(guò)程結(jié) 束時(shí)氣缸內(nèi)氣體的熱力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得多變膨脹過(guò)程的熱損失；
[0014] 步驟4,計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)氣缸內(nèi)氣體在掃氣過(guò)程中的熱損失：
[0015] 根據(jù)設(shè)定的滑移系數(shù)和曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)工作過(guò)程所需的空氣量以 及掃氣過(guò)程結(jié)束時(shí)煙氣的壓力、溫度以及工作介質(zhì)質(zhì)量流量，從而獲得氣缸內(nèi)氣體掃氣過(guò) 程的熱損失；
[0016] 步驟5,計(jì)算中冷器的熱損失：
[0017] 根據(jù)掃氣過(guò)程結(jié)束時(shí)工作介質(zhì)質(zhì)量流量、換熱器進(jìn)口工作介質(zhì)溫度、換熱器出口 工作介質(zhì)溫度及換熱器進(jìn)口冷卻水溫度，根據(jù)壓氣機(jī)模型和中冷器模型出口空氣熱力學(xué)性 能參數(shù)計(jì)算中冷器的熱損失；
[0018] 步驟6,計(jì)算煙氣通過(guò)廢氣渦輪膨脹做功過(guò)程的熱損失：
[0019] 根據(jù)掃氣過(guò)程結(jié)束時(shí)煙氣的壓力和溫度，采用渦輪模型計(jì)算煙氣通過(guò)廢氣渦輪膨 脹做功過(guò)程的熱損失。
[0020] 步驟1中氣缸內(nèi)氣體在多變壓縮過(guò)程的熱損失采用氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì) 算，所述的氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型為

【權(quán)利要求】
1. 船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，其特征在于，包括步驟： 步驟1，計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)中氣缸內(nèi)氣體在多變壓縮過(guò)程的熱損失： 根據(jù)氣缸多變壓縮過(guò)程的進(jìn)氣體積獲得主機(jī)系統(tǒng)燃燒過(guò)程所需的空氣量，根據(jù)主機(jī)系 統(tǒng)的配氣相位圖獲得多變壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)的氣缸容積，根據(jù)燃燒過(guò)程所需的空氣量和多變 壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)的氣缸容積計(jì)算有效壓縮比；基于有效壓縮比計(jì)算多變壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)氣 缸內(nèi)氣體的熱力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得氣缸內(nèi)氣體的熱損失； 步驟2,計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)中氣缸內(nèi)氣體在燃燒過(guò)程的熱損失： 根據(jù)氣缸爆發(fā)壓力和曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸容積和氣缸內(nèi)氣體的熱力學(xué) 性能參數(shù)，從而獲得燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體的熱損失；所述的氣缸爆發(fā)壓力根據(jù)已知的氣 缸爆發(fā)壓力曲線獲得，所述的曲軸轉(zhuǎn)角根據(jù)主機(jī)型號(hào)和工況設(shè)定； 步驟3,計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)氣缸內(nèi)氣體在多變膨脹過(guò)程中的熱損失： 根據(jù)配氣相位圖計(jì)算燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸容積，由燃燒結(jié)束時(shí)氣缸容積和多變膨脹結(jié) 束時(shí)氣缸容積計(jì)算有效膨脹比，根據(jù)氣缸爆發(fā)壓力和有效膨脹比獲取多變膨脹過(guò)程結(jié)束時(shí) 氣缸內(nèi)氣體的熱力學(xué)性能參數(shù)，從而獲得多變膨脹過(guò)程的熱損失； 步驟4,計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)氣缸內(nèi)氣體在掃氣過(guò)程中的熱損失： 根據(jù)設(shè)定的滑移系數(shù)和曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)算主機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)工作過(guò)程所需的空氣量以及掃 氣過(guò)程結(jié)束時(shí)煙氣的壓力、溫度以及工作介質(zhì)質(zhì)量流量，從而獲得氣缸內(nèi)氣體掃氣過(guò)程的 熱損失； 步驟5,計(jì)算中冷器的熱損失： 根據(jù)掃氣過(guò)程結(jié)束時(shí)工作介質(zhì)質(zhì)量流量、換熱器進(jìn)口工作介質(zhì)溫度、換熱器出口工作 介質(zhì)溫度及換熱器進(jìn)口冷卻水溫度，根據(jù)壓氣機(jī)模型和中冷器模型出口空氣熱力學(xué)性能參 數(shù)計(jì)算中冷器的熱損失； 步驟6,計(jì)算煙氣通過(guò)廢氣渦輪膨脹做功過(guò)程的熱損失： 根據(jù)掃氣過(guò)程結(jié)束時(shí)煙氣的壓力和溫度，采用渦輪模型計(jì)算煙氣通過(guò)廢氣渦輪膨脹做 功過(guò)程的熱損失。
2. 如權(quán)利要求1所述的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，其特征在于： 步驟1中氣缸內(nèi)氣體在多變壓縮過(guò)程的熱損失采用氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，所 述的氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型為
其中，Q1()SSS多變壓 縮過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體的熱損失，cv為氣缸內(nèi)氣體的氣態(tài)定容比熱，Tu為多變壓縮過(guò)程結(jié)束 時(shí)氣缸內(nèi)氣體溫度，m為多變壓縮過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量，y為氣缸內(nèi)氣體絕熱指數(shù)，r。為 多變壓縮過(guò)程的有效壓縮比，n。為氣缸內(nèi)氣體的多變壓縮指數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，其特征在于： 步驟2中氣缸內(nèi)氣體在燃燒過(guò)程的熱損失采用氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，所述的 氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

其中，t表示燃燒過(guò)程時(shí)間；(^_表示單位時(shí)間熱損率；a表示氣缸壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)； 八"、41)。、4。11分別為氣缸壁、氣缸蓋、活塞頭的面積，1'"、1'1)。、1'。 11分別為氣缸壁、氣缸蓋、活塞頭 的溫度；T為燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)氣體溫度A為速度系數(shù)，取130;Db為氣缸直徑；p為 燃燒過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力；C3為氣流速度系數(shù)；C4為燃燒室形狀系數(shù)；Cm為活塞平均 速度；Pci為燃燒過(guò)程中未噴油氣缸內(nèi)氣體壓力，Pi為燃燒過(guò)程中氣缸內(nèi)進(jìn)氣壓力；為燃燒 過(guò)程中氣缸進(jìn)氣溫度；VS為燃燒過(guò)程中氣缸進(jìn)氣體積；Vi為氣缸工作體積，Ab為氣缸橫截面 積，Ls為氣缸行程；e為已知的幾何壓縮比；P為曲軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)主機(jī)的配氣相位圖獲得； 入"為曲柄連桿比； 燃燒過(guò)程中燃燒室形狀系數(shù)C4= 0.00324,氣流速度系數(shù) ，Cu表 示穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速葉片的切向速度，取20m/s。
4.如權(quán)利要求1所述的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，其特征在于： 步驟3中氣缸內(nèi)氣體在多變膨脹過(guò)程中的熱損失采用氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算， 所述的氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：
其中，t表示多變膨脹過(guò)程時(shí)間；％_表示單位時(shí)間熱損率；a表示氣缸壁表面?zhèn)鳠嵯?數(shù);A"、Ap。、A。#別為氣缸壁、氣缸蓋、活塞頭的面積，T"、Tp。、^分別為氣缸壁、氣缸蓋、活 塞頭的溫度；T為多變膨脹過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)氣體溫度，即多變膨脹過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)氣 體與滑移氣體混合后的溫度為速度系數(shù)，取130 ;Db為氣缸直徑；p為多變膨脹過(guò)程結(jié)束 時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力；C3為氣流速度系數(shù)；C4為燃燒室形狀系數(shù)；Cm為活塞平均速度；P(l為多 變膨脹過(guò)程中未噴油氣缸內(nèi)氣體壓力，Pi為多變膨脹過(guò)程中氣缸內(nèi)進(jìn)氣壓力為多變膨 脹過(guò)程中氣缸進(jìn)氣溫度；Vs為多變膨脹過(guò)程中氣缸進(jìn)氣體積；Vi為氣缸工作體積，Ab為氣缸 橫截面積，Ls為氣缸行程；e為已知的幾何壓縮比；P為曲軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)主機(jī)的配氣相位圖 獲得；入《?為曲柄連桿比； 多變膨脹過(guò)程中燃燒室形狀系數(shù)C4= 0. 00324,氣流速度系數(shù)
表示穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速葉片的切向速度，取20m/s。
5. 如權(quán)利要求1所述的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，其特征在于： 步驟4中氣缸內(nèi)氣體在掃氣過(guò)程中的熱損失采用氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，所述 的氣缸壁導(dǎo)熱穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：
其中，t表示掃氣過(guò)程時(shí)間；％_表示單位時(shí)間熱損率；a表示氣缸壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A"、Ap。、A。#別為氣缸壁、氣缸蓋、活塞頭的面積，，T"、Tp。、^分別為氣缸壁、氣缸蓋、活塞 頭的溫度；T為掃氣過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體溫度，即多變膨脹過(guò)程結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)氣體與滑移氣 體混合后的溫度；Q為速度系數(shù)，取130;Db為氣缸直徑；p為掃氣過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體壓力， 即壓氣機(jī)出口空氣壓力；C3為氣流速度系數(shù)；C4為燃燒室形狀系數(shù)；Cm為活塞平均速度； 為掃氣過(guò)程中未噴油氣缸內(nèi)氣體壓力，口:為掃氣過(guò)程中氣缸內(nèi)進(jìn)氣壓力為掃氣過(guò)程中 氣缸進(jìn)氣溫度；VS為掃氣過(guò)程中氣缸進(jìn)氣體積為氣缸工作體積，Ab為氣缸橫截面積，Ls 為氣缸行程；e為已知的幾何壓縮比；f為曲軸轉(zhuǎn)角，根據(jù)主機(jī)的配氣相位圖獲得；X"為 曲柄連桿比； 掃氣過(guò)程中燃燒室形狀系數(shù)C4= 0. 00324,氣流速度系數(shù)
示穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速葉片的切向速度，取20m/s。
6. 如權(quán)利要求1所述的船舶主機(jī)系統(tǒng)能耗分布穩(wěn)態(tài)模擬方法，其特征在于： 步驟5中所述的壓氣機(jī)模型和中冷器模型如下：
其中：Q1()SS為氣缸完整工作過(guò)程中中冷器的熱損失；Ta為換熱器進(jìn)口工作介質(zhì)的溫度；Tb為換熱器出口工作介質(zhì)的溫度；T。為換熱器進(jìn)口冷卻水的溫度；n。為中冷器效率；cp.& 為工作介質(zhì)定壓比熱容；為掃氣過(guò)程結(jié)束時(shí)工作介質(zhì)質(zhì)量流量。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104484501SQ201410668620
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】李曉明, 杜威, 孫寶芝, 李彥軍, 張國(guó)磊, 宋福元, 楊龍濱, 韓懷志, 張鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)