基于JFlow的船舶主机高温淡水冷却系统的仿真研究

郭卫勇/武汉船舶职业技术学院

基于JFlow的船舶主机高温淡水冷却系统的仿真研究

郭卫勇/武汉船舶职业技术学院

本文以船舶主机高温淡水冷却水系统为对象建立了仿真模型，应用JFlow平台进行了动态仿真，通过对主机变工况和稳态运行仿真分析，从而验证了所建模型的准确性，为船舶冷却水系统的经济性研究提供了参考。

JFlow；冷却水系统；仿真

1. 引言

船舶冷却水系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的动力系统之一，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。因此对主机高温淡水冷却的控制，尤其是主机变工况运行时的研究就显得尤为重要，本文将应用JFlow平台对主机变工况运行时高温淡水温度的变化进行分析，以验证模型的准确，为冷却水系统经济性的研究提供参考。

2 .JFlow平台介绍

JFlow是一个针对流体网络的软件工具，具有友好的用户界面。它用于单相流分析和建立流体仿真模型。JFlow在建模时充分的考虑了流体系统中的质量、能量、动量守恒定律，可用于计算流体的动态参数包括整个流体系统内流量、压力和温度等。它的计算方法是将所有与流速和压力相关的方程线性化构成一个矩阵，通过快速稀疏矩阵解法求出流速和压力。由此可实现高效、实时的流体网络仿真。此外，JFlow工具在对模型编译时，可自动生成C或Fortran语言，因此模型具有很好的可移植性。

3 .主机高温冷却水系统模型的建立

主机高温冷却水系统主要包括了两台主机高温冷却泵、一台主机缸套预热泵、主机、除氧器、造水机、高温淡水膨胀水箱、各种阀件、温度、压力、流量显示控件等。图3.1中的管路控件比较形象的显示了机舱中高温淡水的运行状况，当高温淡水管路中的离心泵、阀运行状况发生改变时，相应管路高温淡水的运行状况就会发生改变。压力显示控件分别显示了主机缸套高温水入口压力、主机缸套高温水出口压力、高温水中冷器的入口及出口压力。温度显示控件分别显示了高温淡水进、出主机温度，高温淡水进、出缸套水冷却器的温度。流量显示控件分别显示各管路的流量大小。

图3.1 主机高温淡水冷却系统

4. 主机变工况运行仿真分析

船舶运行工况发生变化时，主机的负荷也随着改变，高温淡水出主机温度和入主机温度也相应的改变，同时中央冷却器低温淡水温度也相应改变。为了更直观的反应冷却水温度随主机负荷的变化而变化，在JFlow平台下，通过改变主机的功率，得到了冷却水温度变化的曲线，如下图所示：

（1）当t=2:20时，主机功率突然增加12％，其温度变化如图4.1，图4.2，图4.3。

图4.1 高温淡水出主机温度

图4.2 高温淡水入主机温度（主机负荷增加）

图4.3 主机高温淡水系统三通阀开度变化

图4.1，图4.2，图4.3显示了冷却淡水系统的主要的几个温度变化曲线图。在t=2:20时，由于主机功率突然增加，故高温淡水出主机温度和高温淡水入主机温度均有一个增加的趋势，这其中，高温淡水出主机温度的增加幅度最为明显，因为它直接受到主机功率的影响，其次是高温淡水入主机温度。在t=2:50时，它们均有一个下降的趋势，因为高温淡水系统的三通阀的开度减小，流经高温淡水冷却器的高温淡水流量随之增加，因而温度有所下降，但最终稳定在某一值。

当主机功率从正常航行状态突然减少时此时正好与上面所述情况相反。

从图中可得知，系统能够正确的模拟主机在变工况运行时主机高温冷却水温度的变化，当主机负荷增加时，高温淡水出主机温度和入口温度也随之增加，当主机负荷减少时，高温淡水出主机温度和入口温度也随之减少，但是随着高温淡水出主机温度的不断变化，高温淡水带走主机的热量也随着变化，最终与实际的热负荷相等，因此，其温度最终稳定在某一温度上。

5. 稳态仿真分析

在JFlow平台下进行了仿真，从开始运行到系统达到稳定状态其过程如下图所示：

图5.1 中央冷却器（海水侧）

图5.2 中央冷却器（低温淡水侧）

图5.3 主机冷却水入口温度

图5.4 主机冷却水出口温度变化

从上图可得知，系统从开始运行大约3分钟后基本达到稳定状态，高温淡水冷却各参数如图3.1。

6 .总结

本文简单介绍了JFlow平台，并在该平台上建立了船舶主机高温淡水冷却系统模型，对主机变工况和稳态运行进行了仿真，实验结果表明：基于JFlow的主机高温淡水冷却系统模型仿真速度快，在系统稳态时与实际船舶运行参数以及轮机模拟器仿真参数相比，参数精度高，符合轮机模拟器培训要求。

[1]马量．船舶主机冷却水系统的建模与仿真，（硕士论文）大连海事大学，2007.3．

[2]潘伟昌．船舶中央冷却系统的分析与初步研究，（硕士论文）哈尔滨工程大学．2001.12．

[3]郑锐冲．船舶冷却水系统的优化设计，（硕士论文）武汉理工大学，2000. 3．

[4]贾小俊．船舶冷却水系统建模的分析与研究，（硕士论文）武汉理工大学，2003. 5．

[5]孙培廷等．船舶中央冷却系统的设计，大连海事大学学报，1998 24卷第三期．

郭卫勇，男，讲师，主要从事船舶柴油机及轮机管理方向的教学和研究。