基于多學科集成的艦船冷藏系統設計模塊開發

王良武，王泉斌

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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基于多學科集成的艦船冷藏系統設計模塊開發

王良武，王泉斌

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：考慮到傳統的各系統獨立、串行的設計模式難以獲得全局優化，且設計周期冗長，為此引入多學科優化設計(MOD)方法對艦船輔助系統與其他學科之間的相互作用關系進行設計優化。以冷藏系統為例，介紹艦船輔助系統MOD的系統參數計算、設備選型的邏輯關系，利用Visual Basic程序語言，將MOD的迭代過程程序化，從而提高設計效率，為艦船總體學科綜合集成設計相關系統模塊化設計提供借鑒與支持。

關鍵詞：艦船；多學科優化設計；冷藏系統；軟件開發

由于艦船輔助系統的設計往往是根據艦船總體設計需求進行保障配備，而目前艦船總體的設計大多采用母型改造的方法，是一種反復循環、螺旋式前進的過程。每一次循環都需要做大量的協調工作，這些協調工作主要是依據設計者的經驗、直覺或者有限的分析和試驗決定的。并且這種以經典設計為主導設計思想的艦船設計與優化問題是以順序方式處理的，前面的優化結果將構成后續優化問題的一種約束，這將導致最后一個優化問題實現的可能性就很小。這種優化設計并沒有充分考慮系統之間存在著的相互作用關系，所以傳統的艦船輔助系統設計優化往往需要進行大量的協調工作，耗時耗力且最終得到的并非全局最優解。因此，為改變這種系統獨立、串行設計的狀況，有必要引入多學科綜合集成設計方法，對艦船輔助系統與其他學科之間的相互作用關系進行設計優化，從而有效控制設計周期、提高設計質量、節約設計成本[1-2]。

1多學科綜合集成設計平臺簡介

實際工作中所遇到的大多數優化問題都會涉及到同時優化多個具有不同量綱并且往往是相互競爭的目標函數。帶有m個目標函數的MOP的數學表達式如下[3-4]。

艦艇多學科設計優化技術基于艦艇設計中的多學科、多目標、多特性，將MDO中的多種理論和方法貫穿于艦艇設計中，面向艦艇各個系統的復雜耦合關系，而追求綜合平衡過的可行解和較優解，敏捷、高效地得到優質的設計方案。

目前我國在艦船研制領域對船型的優化主要采用單學科或單目標的優化方法，對各學科的考慮非常不均衡，在確定方案時常根據設計的需要以追求單個性能指標最優為主，而其他的性能指標作為約束條件，這種方式不能有效綜合集成各學科進行協同優化，因此無法獲得整體優化的設計。

為此，在艦船設計過程中引入基于并行設計理念上的多學科設計優化理論MDO時，需要各系統形成設計輸入輸出間相互約束和優化迭代的功能模塊，其中艦船總體設計的重要系統之一，在多學科集成設計平臺中囊括了空調通風模塊、冷藏冷凍模塊、艦船保障人員及構成模塊等主要影響因素，分析探討其與各學科之間的相互作用關系，并在此基礎上建立艦船輔助系統的多學科設計優化模型框架[5-6]。

2冷藏冷凍模塊分析

2.1系統組成及功能

艦船食品冷藏系統用于貯存食品，使冷庫能維持在設計庫溫范圍內，防止食品腐爛及變質。系統的主要組成包括冷藏機組、冷風機、保鮮裝置、冷卻水泵、閥板、管路及閥件等。

2.2系統設計依據

根據GJB4000-2000，食品冷藏系統冷庫的溫濕度按表1選取[7-8]。

表1　食品冷藏系統冷庫設計參數

2.3模塊接口數據分析

影響食品冷藏系統模塊設計的主要因素有艦船自給力時間、艦上人員編制數量、冷庫庫容(面積)及其布置、環境溫濕度、冷藏機組及冷風機型號參數等，其接口數據如下。

1)根據艦船自給力時間和艦上人員編制數量，計算確定食品裝載量及其所需的冷庫庫容(由總體提供)。

2)根據冷庫庫容(面積)及其布置、環境溫濕度，計算確定冷庫滲入熱。

3)根據食品裝載量及環境溫濕度，計算確定食品裝載的貨物熱。

4)根據冷庫滲入熱、食品裝載貨物熱，再加上冷庫開門操作熱、風機熱等熱量，計算確定食品冷藏系統的總熱負荷。

5)根據冷庫總熱負荷，計算確定冷藏系統的制冷量需求，對冷藏機組與冷風機進行配置選型。

6)對冷庫在冷卻工況和維持工況下的冷卻、運轉時間進行計算校核。如不符合要求，則重新對冷藏機組和冷風機進行配置選型。

3軟件開發

3.1軟件模型

3.1.1熱負荷

1)艙室滲入熱Q1及滲入熱QF。

(1)

式中：K——傳熱系數，kJ/(m2·℃·h)；

F——傳熱面積，m2；

Δt——庫內外溫差，℃。

2)貨物熱Q2。

冰點以上貨總熱量

Q′=WC(t1-t2)

冰點以下貨總熱量

高溫庫貨物熱

Q2=Q′/Z+We

低溫庫貨物熱

(2)

式中：W——進貨量，kg；

C——貨物比熱容，取C=0.9 kJ/(kg·℃)；

t1——進貨溫度，取t1=30 ℃ ；

t2——庫溫，取t2=2 ℃；

i1——進貨含熱量，取i1=61.5 kJ/kg；

Z——完全冷卻時間，取Z=48 h；

e——呼吸熱，取e=0.12 kJ/(kg·h)。

3)開門操作熱Q3。

(3)

式中：q1——換氣熱，kJ/h，q1=VaγaΔia；

q2——人體熱，kJ/h；

q3——照明熱，kJ/h，q3=0.86ND；

其中：Va——開門換氣量，m3/h；

γaΔia——空氣的冷卻熱量，kJ/m3；

ND——電燈的裝接功率，W。

改革開放40年，是中國共產黨領導億萬人民艱辛進行偉大實踐的40年。其歷史成就、歷史功勛、歷史價值、歷史意義，不僅得到了中國人民的認可，而且得到了全世界廣大人民的普遍認可。經過了40年，我們每一個中國人，對自己的生活與事業，對黨、國家、民族的進步與未來，更加充滿了必勝的信心！

4)風機熱Q4。

(4)

式中：NF——風機功率，kW；

η——電機效率。

5)通風換氣熱Q5。

Q5=0.01VρnCBΔt

(5)

式中：V——庫容，m3；

ρ——空氣密度，ρ=1.293 kg/m3；

n——每天換氣次數(蔬菜庫5次，魚、肉庫2次)；

CB——外部空氣熱容量，CB=1 kJ/(kg·℃)；

Δt——外部空氣與庫內溫差，℃。

6)冷庫熱負荷計算匯總。

冷卻工況熱負荷：

(6)

維持工況熱負荷：

(7)

3.1.2冷庫制冷量計算

冷卻工況制冷量：

QC=1.15QA

(8)

維持工況制冷量：

(9)

3.1.3冷庫冷卻工況冷卻時間校核。

1)冷庫可利用的制冷量。

(10)

式中：QB——冷庫可利用的制冷機組冷量，kW；

QC——制冷壓縮機制冷量，kW；

ηE——可利用系數0.96；

裕度系數取1.15。

2)高溫庫完全冷卻時間。

(11)

3)低溫庫完全冷卻時間。

(12)

3.1.4冷庫維持工況運轉時間校核

冷庫維持運轉時間為

(13)

3.1.5冷藏機組及冷風機數據庫

結合目前艦船食品冷藏系統常用的冷藏機組及冷風機類型，建立冷藏機組及冷風機選型數據庫，數據包括設備型號、制冷量、風量、總功率、外形尺寸、重量、冷卻需求等，將其制作為Excel數據表。

編碼讀取Excel數據表功能語句，可通過軟件讀取Excel數據庫表格的形式，將數據讀取至軟件，并通過編碼將數據轉換另存為二進制數據存儲，以免認為操作失誤造成數據丟失或更改，并有利于后續對Excel數據的補充、修改以及二進制數據庫的更新，其中讀取、另存數據代碼如下(冷藏機組數據庫打開、存儲)：

Public Sub Read_LCDatas()

Dim i As Long

Dim j As Long

Dim OpenFileName As String

Dim CancerOrNot As Boolean

Dim TempName As String * 10

Dim tempRows As Long

Dim tempCols As Long

Dim tempData() As String * 30

On Error GoTo ErrHandOne

OpenFileName=App.Path+" LengCangDatas.in"

CancerOrNot = False

If OpenFileName = "" Then Exit Sub

Open OpenFileName For Binary As #1

Get #1, , TempName

Get #1, , tempRows

Get #1, , tempCols

ReDim tempData(tempRows, tempCols)

ReDim LCDatas(tempRows, tempCols)

For i = 1 To tempRows

For j = 1 To tempCols - 1

Get #1, , tempData(i, j)

Next j

Next i

Close #1

LCDataRows = tempRows

LCDataCols = tempCols

For i = 1 To tempRows

For j = 1 To tempCols

LCDatas(i, j) = TrimMYM(tempData(i, j))

Next j

Next i

ErrHandOne:

End Sub

3.1.6冷藏機組及冷風機選型

根據計算得出的冷庫制冷量需求、冷庫類型和冷藏設備數據庫進行冷藏機組和冷風機的選型配置，并使其滿足：

QF≥QP≥QC

(14)

m——冷風機數量；

n——冷藏機組數量；

fi——單臺冷風機制冷量，kW；

pi——單臺冷藏機組制冷量，kW。

3.2軟件設計

根據蔬菜庫、魚肉庫計算所需參數，設定冷藏模塊所需庫容面積、貨物裝載量等由總體提供的輸入，并向總體布置、重量分析、電力需求提供設備配置及外形、重量、電力負荷等輸出。冷庫(蔬菜庫、魚肉庫)在軟件中的邏輯流程見圖1，主要是通過計算獲取冷庫制冷量需求，利用軟件在數據庫中的自動篩選完成設備配置。

3.3軟件實現及計算實例

圖1　冷庫冷藏模型邏輯流程

軟件采用面向對象編程語言Visual Basic，根據數學模型進行程序編制分為蔬菜庫模塊和魚肉庫模塊兩部分，可通過單擊窗口底部的“蔬菜庫模塊”和“魚肉庫模塊”進行切換，見圖2、3。其中每個模塊分為左右兩部分，分別為參數計算、冷藏機組型號和冷風機型號。通過輸入冷庫相關參數，計算得出的冷庫制冷量需求、根據冷庫類型和冷藏設備數據庫進行冷藏機組和冷風機的選型配置[9]。

圖2　冷藏模塊

圖3　冷凍模塊

以某船蔬菜庫為例，艙室面積48.8 m2、蔬菜庫裝載量6 000 kg、蔬菜庫凈容積為94 m3、傳熱系數為0.2、溫度差為38 ℃，計算得蔬菜庫滲入熱1 933.2 kJ/h、蔬菜庫貨物熱16 137.9 kJ/h、蔬菜庫開門熱為3 943.2 kJ/h、蔬菜庫風機熱為806.9 kJ/h，程序自動選用冷藏機組為JZL(S)-14和冷風機為HVST711，提供兩型設備的制冷量、風量、重量等以及冷卻水、電力負荷需求(見表2)，將其作為多學科設計優化計算的設計輸入，以便迭代運行。

表2　軟件計算選型結果輸出

3結束語

通過對學科綜合集成設計理念的介紹，將艦船總體設計中的輔助系統納入多學科參數化迭代設計之中。以冷藏系統設計開發為例，介紹了艦船冷藏系統中蔬菜庫、魚肉庫設計參數的計算方法和設備選型流程，根據現有設備參數構建冷藏設計模塊所需數據庫，利用Visual Basic程序語言，將設計過程中的計算和設備帥選的過程進行程序化，并通過實際計算驗證軟件在系統設計計算的正確性、方便性，并可實現向總體學科綜合集成設計平臺提供輸出的方式完成多學科迭代，從而所見設計周期，提高了設計效率。

參考文獻

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[8] 陳可越.船舶實用設計手冊[M].北京：中國交通科技出版社，2007.

[9] 王良武，周瑞平，胡義.ATB船裝載計算軟件及應用[J].船舶，2009(1):56-60.

Software Development of Ship's Refrigeration System Based on Multidisciplinary Design Optimization

WANG Liang-wu, WANG Quan-bin

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The traditional self-governed and series-wound design mode can not obtain overall optimization, which results in interminable periods. So the multidisciplinary design optimization (MOD) is introduced to optimize the relationship between the ship's assistant system and other systems. Taking the refrigeration system as an example, the parameter calculation and equipment choice of ship's assistant system MOD is introduced. The MOD is program by Visual Basic, which improves design efficiency. That will be used for reference to the correlative system software development of ship overall design.

Key words:ship; multidisciplinary design optimization; refrigeration system; software development.

中圖分類號：U664.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0090-05

第一作者簡介：王良武(1985-)，男，碩士，工程師E-mail:wxhylq@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.024

修回日期：2016-01-21

研究方向:艦船系統工程的研究和設計