利用MATLABSIMULINK进行船

1、利用MATLAB SIMULIN进行船-泵-机匹配仿真Matching Of Ship-Waterjet-Engine By Using Matlab SimulinkCHEN Wanhong,MAO Fukao,HE Qinshan( Guangzhou Marine Engineering Corporation,Guangzhou 510250 ): according ship resistance and power & speed of the main engine, use the theory of water jet, built the emulation mode of

2、 ship-water jet-engineby using MATLABSIMULINK 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.1 前言喷水推进作为一种特殊的船舶推进装置， 与常见的螺旋桨推 进方式不同，其推力是通过推进水泵喷出水流的反作用力来获 得，并通过操纵及导航设备改变喷流方向

3、来实现对船舶的操纵。 喷水推进具有抗空泡能力强、附体阻力小、噪音低、传动机构简 单、适应变工况能力强、 船舶操纵性能佳等特点， 尤其在浅吃水、 无舵轴和尾轴架等附件条件下比螺旋桨推进具有非常明显的优 势。典型的喷水推进装置结构，主要由原动机、传动装置、推进水泵、流道系统、导航操纵等设备组成。所谓船 -泵-机匹配，是指研究和调整船体（航速）、喷水推 进泵（负载）、主机（运行范围）三者之间的关系，使推进特性 满足设计要求， 其具体表现形式是主机 （工作范围 ） 和喷水推进泵 （负载特性 ）的相互关系的调整。 船-泵-机匹配的工作之一， 是将 船舶推进所需的喷水推进泵负载特性曲线绘入主机工作范围并

4、进行相互关系的调整，以保证推进性能要求。我国船舶螺旋桨推进系统的船 - 桨- 机匹配设计和研究已较 为成熟。但由于国内缺乏喷泵的转速 - 功率- 航速和推力功率 航速特性曲线， 因此船 - 泵- 机匹配设计及研究在国内还是一个较 为陌生的领域。 本文利用喷水推进泵理论， 借助 MATLABSIMULINK 软件进行“船 - 泵- 机”匹配工作模式仿真， 为喷水推进泵选型提 供指导。2 喷泵基本理论2.1 喷泵基本理论 1234 喷水推进理论的具体表达形式很多， 其中主要有以下三种 基本形式，即管道损失系数分别用 K1、 K2、K3 的表达式。（1）K1 表达法管道损失用来流速度头 V02/2g

5、 的百分比来表示，其理论推 导得到如下公式：（1）(3)(4)式中：K1管道损失系数；Kj 喷口损失系数；Kopt 喷泵最佳喷速比；n opt 喷泵最佳效率；H喷泵扬程；n c喷泵效率。(2) K2表达法管道损失用喷射速度头 Vj2/2g 的百分比来表示，其理论推 导得到如下公式：( 5 )( 6 )( 7 )( 8 )式中：K2-管道损失系数。( 3) K3 表达法管道损失用流量的变化关系来表示，其关系式如下：( 9 )( 10 )(11)(12)式中：，he为水位升高；,hi为进口管道损失。2.2 各种方法比较（1 ） K1 表达法由于设计点来流速度比变化不大，管道损失用 V02/2g 的

6、百 分比表示，不会导致管道损失的大幅度变化。另外，这种方法得 到的参数更接近于最佳喷速比 Kopt。但是由于V0变化不大，所 代表的损失接近于常数， 因此不能把系统变化对管道损失的影 响灵敏地反映到系统性能上来， 实际管道损失是随着流量的变化 而变化，流量应该是系统主要参数之一。（2）K2表达法 主要缺点在于管道损失的大部分来自进水管道损失，与喷速Vj 不发生直接关系。从分式可以看出，喷速越大，管道损失也 越大，这与实际情况正好相反。当功率与泵效率一定时，Vj 越大，扬程 H 越高，而流量 Q 越小，管道损失应是减小而不是加 大. 所以这个理论不能如实反映喷水推进系统的实际情况。（ 3） K3

7、 表达法主要损失通过K3来表示。喷速比K3越大，流量Q越小， 管道损失也相应减少， 符合实际情况。此种方法缺点是管道损 失随着（K-1）2变化，对K的变化十分敏感，并且 K3变化较大， 需要大量船型资料的积累。在实际应用中，目前大部分采用 K1 法进行喷水推进主要参 数的选择计算。3 仿真模型的建立及结果分析3.1 仿真模型的建立 根据某大型双体船的阻力和选定的主机功率、 转速及初步布 置，建立“船 -泵-机”参数传递关系，如图 1 所示。图 1 船- 泵- 机参数传递关系图根据图 1所示船 -机泵参数传递关系，利用 MATLAB SIMULINK软件提供的子系统建立和封装函数，分别建立舷侧推

8、 进主机、中间推进主机、舷侧小泵、中间大泵子系统，并进行系 统封装，最终形成船 - 机-泵仿真模型，见图 2。3.2 仿真结果根据喷水推进泵 K1 法理论， 分别编制舷侧小泵、 中间大泵、 舷侧推进主机和中间推进主机的主要参数计算 MATLAB!序，输 入舷侧推进主机和中间推进主机的转速， 得出中间大泵、 舷侧小 泵在不同主机转速、航速下的的推力曲线，如图 3、图 4 所示。图2船-机一泵MATLAB SIMULIN仿真模型图 3 中间大泵推力曲线图 4 舷侧小泵推力曲线 舷侧推进主机和中间推进主机同时全负荷运行时， 中间大泵 和舷侧小泵分别产生使船向前的推力， 将推力曲线和船的阻力曲 线同时

9、设绘于同一张图中（图 5），其交点即为本船所能达到的 航速。图 5 舷侧小泵 +中间大泵推力曲线3.3 仿真结果分析由图 4可知，舷侧小泵在舷侧推进主机额定转速 1000 r/min 、 航速18 kn时产生的推力为2x245 kN ;由图3可知，中间大泵 在中间推进主机额定转速 3270 r/min 、航速 45 kn 时产生的推 力为 2x600 kN。为验证仿真结果的正确性，利用 CFD流体计算软件建立船- 泵-流道的1:1流体计算模型，分别进行 18 kn巡航航速、45 kn 航速工况自航模仿真计算，计算结果如表 1 所示。表1舷侧小泵和中间大泵 CFD计算结果经分析比较，MATLAB SIMULIN仿真结果与CFD流体计算结 果较为接近，误差均不大于 5%,说明建模方法是可行的，计算结 果较为接近实际。4 结论根据某大型双体船的阻力和选定的主机功率、 转速及初步布置，利用喷水推进理论，借助 MATLA區IMULINK仿真软件建立船 -泵-机的仿真模型，