利用MATLAB SIMULINK进行船-泵-机匹配仿真

陈万宏 毛福考 何秦珊

摘要：本文根据船舶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MATLAB SIMULINK仿真软件建立“船-泵-机”匹配的仿真模型，并进行仿真计算。将其与CFD仿真计算的结果进行比较，结果表明该仿真方法能较好的解决“船-泵-机”匹配问题。

关键词：MATLAB SIMULINK；船-泵-机匹配；喷水推进

中图分类号：U664.34文献标识码：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

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MATLAB SIMULINK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[1][2][3][4]

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 的百分比来表示，其理论推导得到如下公式：

（1）

（2）

（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；

ηopt—喷泵最佳效率；

H—喷泵扬程；

ηc—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： ，hc—为水位升高；

，h1—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程序，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－泵MATLAB SIMULINK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 SIMULINK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MATLAB SIMULINK仿真软件建立船-泵-机的仿真模型，编制舷侧小泵、中间大泵参数计算的MATLAB程序，在舷侧推进主机和中间推进主机的功率-转速范围内，进行喷水推进泵性能计算。通过与CFD仿真计算的结果进行比较，证明利用MATLAB SIMULINK仿真软件建模的方法作为船-泵-机匹配计算验证的另一种方法是完全可行的，是可值得借鉴和推广的。

参考文献

[1] 金仲平. 船舶喷水推进[M]. 北京: 国防工业出版社, 1986.

[2] 708研究所. 船舶喷水推进文集[M]. 1999.

[3] 刘强,陈华清. 船舶喷水推进系统仿真模型研究. 系统仿真技术及其应

用[M], 2003.

[4] 陈华清. 船舶喷水推进系统匹配特性仿真分析[J]. 船舶, 2008.

作者简介：陈万宏（1973-），男，高级工程师。主要从事船舶轮机设计工作。

毛福考（1984-），男，工程师。主要从事船舶轮机设计工作。

何秦珊（1966-），女，高级工程师。主要从事船舶轮机设计工作。

收稿日期：2014-02-21