利用MATLAB SIMULINK進行船-泵-機匹配仿真

陳萬宏 毛福考 何秦珊

摘要：本文根據船舶阻力和選定的主機功率、轉速及初步布置，利用噴水推進理論，借助MATLAB SIMULINK仿真軟件建立“船-泵-機”匹配的仿真模型，并進行仿真計算。將其與CFD仿真計算的結果進行比較，結果表明該仿真方法能較好的解決“船-泵-機”匹配問題。

關鍵詞：MATLAB SIMULINK；船-泵-機匹配；噴水推進

中圖分類號：U664.34文獻標識碼：A

Matching Of Ship-Waterjet-Engine By Using Matlab Simulink

CHEN Wanhong,MAO Fukao,HE Qinshan

( Guangzhou Marine Engineering Corporation,Guangzhou 510250 )

Abstract: according ship resistance and power & speed of the main engine, use the theory of water jet, built the emulation mode of "ship-water jet-engine" by using MATLAB SIMULINK and calculate it, compare the simulation result with the calculation result of CFD, the result show simulation can solve the question of matching of ship-water jet-engine well.

Key words: Matlab Simulink;Matching of Ship-Water Jet-Engine;Water Jet

1前言

噴水推進作為一種特殊的船舶推進裝置，與常見的螺旋槳推進方式不同，其推力是通過推進水泵噴出水流的反作用力來獲得，并通過操縱及導航設備改變噴流方向來實現對船舶的操縱。噴水推進具有抗空泡能力強、附體阻力小、噪音低、傳動機構簡單、適應變工況能力強、船舶操縱性能佳等特點，尤其在淺吃水、無舵軸和尾軸架等附件條件下比螺旋槳推進具有非常明顯的優勢。典型的噴水推進裝置結構，主要由原動機、傳動裝置、推進水泵、流道系統、導航操縱等設備組成。

所謂船-泵-機匹配，是指研究和調整船體（航速）、噴水推進泵（負載）、主機（運行范圍）三者之間的關系，使推進特性滿足設計要求，其具體表現形式是主機(工作范圍)和噴水推進泵(負載特性)的相互關系的調整。船-泵-機匹配的工作之一，是將船舶推進所需的噴水推進泵負載特性曲線繪入主機工作范圍并進行相互關系的調整，以保證推進性能要求。

我國船舶螺旋槳推進系統的船-槳-機匹配設計和研究已較為成熟。但由于國內缺乏噴泵的轉速-功率-航速和推力－功率－航速特性曲線，因此船-泵-機匹配設計及研究在國內還是一個較為陌生的領域。本文利用噴水推進泵理論，借助MATLAB SIMULINK軟件進行“船-泵-機”匹配工作模式仿真，為噴水推進泵選型提供指導。

2噴泵基本理論

2.1噴泵基本理論[1][2][3][4]

噴水推進理論的具體表達形式很多， 其中主要有以下三種基本形式，即管道損失系數分別用K1、K2、K3的表達式。

（1）K1表達法

管道損失用來流速度頭V02/2g 的百分比來表示，其理論推導得到如下公式：

（1）

（2）

（3）

（4）

式中：K1—管道損失系數；

Kj—噴口損失系數；

Kopt—噴泵最佳噴速比；

ηopt—噴泵最佳效率；

H—噴泵揚程；

ηc—噴泵效率。

（2）K2表達法

管道損失用噴射速度頭Vj2/2g 的百分比來表示，其理論推導得到如下公式：

（5）

（6）

（7）

（8）

式中：K2—管道損失系數。

（3）K3表達法

管道損失用流量的變化關系來表示，其關系式如下：

（9）

（10）

（11）

（12）

式中： ，hc—為水位升高；

，h1—為進口管道損失。

2.2各種方法比較

（1）K1表達法

由于設計點來流速度比變化不大，管道損失用V02/2g 的百分比表示，不會導致管道損失的大幅度變化。另外，這種方法得到的參數更接近于最佳噴速比Kopt。但是由于V0變化不大，所代表的損失接近于常數， 因此不能把系統變化對管道損失的影響靈敏地反映到系統性能上來，實際管道損失是隨著流量的變化而變化，流量應該是系統主要參數之一。

（2）K2表達法

主要缺點在于管道損失的大部分來自進水管道損失，與噴速Vj不發生直接關系。從分式可以看出，噴速越大，管道損失也越大，這與實際情況正好相反。當功率與泵效率一定時，Vj越大，揚程H 越高，而流量Q 越小，管道損失應是減小而不是加大.所以這個理論不能如實反映噴水推進系統的實際情況。

（3）K3表達法

主要損失通過K3來表示。噴速比K3 越大，流量Q 越小，管道損失也相應減少， 符合實際情況。此種方法缺點是管道損失隨著(K-1)2 變化，對K 的變化十分敏感，并且K3變化較大，需要大量船型資料的積累。

在實際應用中，目前大部分采用K1法進行噴水推進主要參數的選擇計算。

3仿真模型的建立及結果分析

3.1仿真模型的建立

根據某大型雙體船的阻力和選定的主機功率、轉速及初步布置，建立“船-泵-機”參數傳遞關系，如圖1所示。

圖1船-泵-機參數傳遞關系圖

根據圖1所示船-機－泵參數傳遞關系，利用MATLAB SIMULINK軟件提供的子系統建立和封裝函數，分別建立舷側推進主機、中間推進主機、舷側小泵、中間大泵子系統，并進行系統封裝，最終形成船-機-泵仿真模型，見圖2。

3.2仿真結果

根據噴水推進泵K1法理論，分別編制舷側小泵、中間大泵、舷側推進主機和中間推進主機的主要參數計算MATLAB程序，輸入舷側推進主機和中間推進主機的轉速，得出中間大泵、舷側小泵在不同主機轉速、航速下的的推力曲線，如圖3、圖4所示。

圖2船-機－泵MATLAB SIMULINK仿真模型

圖3中間大泵推力曲線

圖4舷側小泵推力曲線

舷側推進主機和中間推進主機同時全負荷運行時，中間大泵和舷側小泵分別產生使船向前的推力，將推力曲線和船的阻力曲線同時設繪于同一張圖中（圖5），其交點即為本船所能達到的航速。

圖5舷側小泵+中間大泵推力曲線

3.3仿真結果分析

由圖4可知，舷側小泵在舷側推進主機額定轉速1000 r/min、航速18 kn時產生的推力為2x245 kN；由圖3可知，中間大泵在中間推進主機額定轉速3270 r/min、航速45 kn時產生的推力為2x600 kN。

為驗證仿真結果的正確性，利用CFD流體計算軟件建立船-泵-流道的1:1流體計算模型，分別進行18 kn巡航航速、45 kn航速工況自航模仿真計算，計算結果如表1所示。

表1舷側小泵和中間大泵CFD計算結果

經分析比較，MATLAB SIMULINK仿真結果與CFD流體計算結果較為接近，誤差均不大于5%,說明建模方法是可行的，計算結果較為接近實際。

4結論

根據某大型雙體船的阻力和選定的主機功率、轉速及初步布置，利用噴水推進理論，借助MATLAB SIMULINK仿真軟件建立船-泵-機的仿真模型，編制舷側小泵、中間大泵參數計算的MATLAB程序，在舷側推進主機和中間推進主機的功率-轉速范圍內，進行噴水推進泵性能計算。通過與CFD仿真計算的結果進行比較，證明利用MATLAB SIMULINK仿真軟件建模的方法作為船-泵-機匹配計算驗證的另一種方法是完全可行的，是可值得借鑒和推廣的。

參考文獻

[1] 金仲平. 船舶噴水推進[M]. 北京: 國防工業出版社, 1986.

[2] 708研究所. 船舶噴水推進文集[M]. 1999.

[3] 劉強,陳華清. 船舶噴水推進系統仿真模型研究. 系統仿真技術及其應

用[M], 2003.

[4] 陳華清. 船舶噴水推進系統匹配特性仿真分析[J]. 船舶, 2008.

作者簡介：陳萬宏（1973-），男，高級工程師。主要從事船舶輪機設計工作。

毛福考（1984-），男，工程師。主要從事船舶輪機設計工作。

何秦珊（1966-），女，高級工程師。主要從事船舶輪機設計工作。

收稿日期：2014-02-21