大连海事大学本科毕业设计__基于matlab的船舶机舱通风系统仿真(编辑修改稿)

大连海事大学本科毕业设计__基于matlab的船舶机舱通风系统仿真(编辑修改稿)内容摘要：

)称为风机的风压，也就是气体进入风机后所升高的压力，其单位为 Pa。 （ 3）功率 通风机在单位时间内传递给气体的能量称为风机的有效功率 Ne， 通风机的相似原理 （ 1）风压相似换算 () （ 2）风量相似换算 () （ 3）功率相似换算 () 其中 n 为风机的转速， D 为风机的叶轮半径，ρ空气的密度。 克拉伯龙方程式 克拉伯龙方 程式 : PV nRT () 其中 P 表示 压强 、 V 表示气体体积、 n 表示 物质的量 、 T 表示 绝对温度 、 R表示气体常数。 所有气体 R 值均相同。 如果压强、温度和体积都采用国际单位（ SI）， R= 帕米 3/摩尔 K。 如果压强为大气压，体积为升，则 R=大气压升 /摩尔 K。 2212212121  nnDDPP 2132121 nnDD 3215212121  nnDDNN 基于 MATLAB 的船舶通风系统仿真 11 风机的数学模型 根据前几节介绍的 轴流风机的工作原理，性能参数以及相 似原理。 再根据PV nRT 方程式。 我们可以推 导 出风机系统的数学模型，进而进行数值仿真。 本课题主要由两种风机构成的风机系统，一种是变容风机，一种是定容风机。 下面我们依次介绍两种风机的数学模型。 首先，这里假设风机的 内部的 温度与风机周围的温度近似相等。 即在 T 相等的情况下， 根据 PV nRT ，我们可以推到出 39。 39。 PV PV () 即 在相同的温度下，空气的体积与空气的压强的乘积是一个固定的常数， 其中 P 为风机所产生的气体的压强（ Pa）， V 为风机单位时间内所排出的空气的体积 ， 39。 P 为外界的空气压强， 39。 V 为相对于外界的空气体积。 这样我们就通过可以计算出 39。 V。 我们的目的是是要计算出空气的质量，进而进行压强的计算。 有了气体的体积，我们就要找到当前的空气密度，进而求出质量。 同样，通过 PV nRT 我们可以推到出以下的公式： mPV RTM () 其中 m 为空气的质量， M 空气的摩尔质量（ 通常为 29g/mol）。 通过公式（ ）我们可 以推到出 以下 公式： mMPV RT () mVρ () 然后根据公式 ()公式 ()我们可以得到外界的空气密度的计算公式 : pMTRρ= () 通过公式 ()，再根据 空气一大气压下 25 摄氏度时空气密度是 ，我们可以算出 空气在不同温度，不同压强下的空气密度，进而算出了空气的质量。 空气的质量算出了，排风机的基本数学模型也就准备好了。 然后我们分别介绍定容和变容排风机的数学模型。 所谓定容排风机就是在开启 风机后，风机的容量，风机所产生的压强是固定不变的 ，所以 通过公式 ()我们可以算出定容风机单位时间内相对 于 外界的体积与压强，进而算出气体的质量，然后进行数字仿真。 所谓变容排风机就是风机的容量大小是可以根据实际的情况调节的，所以它单位时间内输出的气体体积是不定的，同时它的气体压强，也是不定的。 所以，基于 MATLAB 的船舶通风系统仿真 12 我们只能通过排风机的相似原理对风机进行计算，进而算出变容排风机的单位时间内所排出的气体体积。 通过公式 ()公式 ()我们可以推到出变容风机容量与气压的关系 ，（由于进行对比的是同一个风机， 环境温度相同，所以气体的密度，叶轮的半径都是相同的）推到公式如下： 21122()PQ () 通过公式 ()我们就可以得到变容排风机单位时间内的压强与气体量，进而通过公式就可以得到单位时间内的气体质量，从而得出变容排风机的数学模型。 各个密闭工作空间的数学建模 各个 密闭空间的建模是根据图 所绘制的原理进行仿真建模的。 自 然 排 风排 出 的 气体气 体 质 量 的 变 化进 入 的气 体 图 密闭空 间仿真原理图 由于从第一章我们可知，密闭空间排风分为自然排风和机械排风，所以影响空间气压的原因就由这两方面组成。 可是，由于自然排风的不可控性，本课题没有对自然排风进行仿真研究，在建立模型时对自然排风只是给定了一个初始排风值。 本课题主要是对机械排风进行仿真。 有原理图可知，密闭空间的气压变化是由于空间内气体质量的变化所引起（在温度恒定的情况下）。 所以，仿真的目的是计算出单位时间内密闭空间气体变化量，进而通过 PV=m/M RT 这个气体方程变形式来计算出密闭空间的气压变化。 不同的密闭空间，数学模型不太一样。 有排风 机的密闭空间气压 主要 由送风机与排风机的气体质量差决定。 无排风机的密闭空间气压由 送风机送入的空气质量决定（自然排风影响小，本课题设置初始值影响，不过影响不大）。 基于 MATLAB 的船舶通风系统仿真 13 第 3 章 船舶通风系统的界面设计与 仿真实现 仿真软件介绍 MATLAB 由一系列工具组成。 这些工具方便用户使用 MATLAB 的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。 包括 MATLAB 桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。 MATLAB 是一个高级的 矩阵 /阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。 用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（ M 文件）后再一起运行。 MATLAB 是一个包含大量计算 算法 的集合。 其拥有 600 多个工程中要用到的 数学 运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。 函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。 本课题 运 用到的仿真软件是 MATLAB 中的 GUI 图形用户设计界面。 在MATLAB 强大的函数、矩阵运算支持下进行方针设计可以更加接近实际的情况。 此次仿真用到了 GUI 界面下的控件有 Push Button、 Static Text、 Slider、Toggle Button、 Edit Text 等控件。 Push Button 控件是按键控件，是按下就弹起的按键； Static Text 是静态的文本框，用来显示不需要更改的数据仿真结果。 相对的 Edit Text 控件是用来显示可以根据实际情况进行更改的仿真数据。 Toggle Button 控件是按下 后 不弹起的按键，此次仿真用 作为 的开关按键。 仿真界面设计与实现 通风管道网络界面设计 根据 第一章介绍的 某实船 的通风网络管道布置， 本课题 运用 MATLAB GUI 中所提供的 的 控件进行模拟仿真。 （ 1） Push Button 控件进行风机的仿真 ，按下按键表示风机开启，再按一次表示风机关闭，同时运用 Static Text 控件配合显示风机的状态。 （ 2）运用不同颜色的 Static Text 控件进行通风管道的布置，颜色区分管道是进风还是出风。 （ 3）各个密闭空间运用 Push Button 仿真，其目的是为了按下按键后可 调出该空间的相关参数以及空间内气压的变化。 （ 4） 运用 Slider 控件进行进风量，出风量大小的调节，即开关的仿真。 基于 MATLAB 的船舶通风系统仿真 14 （ 5） 用 Toggle Button 控件设计系统的总开关，该仿真界面的所有运行程序都是在总开关的控制下进行的。 （ 6） Edit Text 控件是设计温度，压强参数，目的是为了与实际的温度压强保持一致， 进行更精确的仿真提供参数量。 （ 7）运用 Static Text 控件设置在甲板密闭空间以显示空间的压强变化。 通过以上各个控件的介绍以及每个控件所要模拟的单元， 再 通过第一章所给出的船舶通风系统的管道网络图，我们可以布置控件进行界面的设计，设计的界面如图。 各个控件初始化状态以运行时的界面状态为准。 图 船舶通风管道网络仿真界面 密闭空间界面设计 在 MATLAB GUI 中运用参数传递 的实现形式 ，把系统运行时间、每秒 钟进入室内的气体体积、室内温度、室内压强、相对于外界的气压、进入室内的气体的总质量、每秒钟进入室 内的 气体质量、原机房气体质量、外界气体密度这些参数显示在密闭空间界面下，使得此界面能充分的体现出密闭空间的室内情况。 同时，运用 ActiveX Control 控件设计一个压力表，进行显示当前室内的相对气压，进而可以直观的展现室内气压状况，为控制气压提供依据。 同时设计了退出按键，为方便的退出界面提供快捷方式。 界面设计如图。 基于 MATLAB 的船舶通风系统仿真 15 图 船舶密闭空间仿真界面 定容排风机 系统模块的仿真实现 虽然每个风 机系统模块是不同的 ，但是大体软件设计是相通的，所以，本文就针对两个相对复杂的系统进行软件设计实现思路的介绍。 首先先针对一个定容的排风机系统进行介绍。 这里用了 风机系统模块 1，进行软件实现介绍。 系统模块图如图。 仿真界面如图。 图 系统模块 1 仿真界面 基于 MATLAB 的船舶通风系统仿真 16 根据仿真图，实现 定容 排风机的仿真。 仿真代码如下： if(kC==0) if (get(,39。 value39。 )amp。 anjian1C==1) if(anjian1C==1) set(,39。 string39。 ,39。 350039。 )。 %设置定容排风机的容量 totalC1=str2double(r3C)dC*str2double(r3C)。 %集控室剩余 空气量 cC1 = dC*str2double(r3C)。 %集控室的空气量 totalC2=totalC1totalC1*bC。 %工作间剩余 空气量 cC3=totalC1*bC。 %工作间的空气量 totalC3=totalC2totalC2*dCShang。 cC2=totalC2*dCShang。 %主机舱上层的空气量 totalC4=totalC3totalC3*dCDi。 cC4=totalC3*dCDi。 %通舱底的空气量 totalC5=str2double(r3C)dC*str2double(r3C)totalC1*bCtotalC2*dCShangtotalC3*dCDi。 %主机舱底层的空气量 set(,39。 string39。 ,num2str(totalC5))。 set(,39。 string39。 ,num2str(cC2))。 set(,39。 string39。 ,num2str(cC4))。 %分别显示出各个数值 Rv=str2double(r3C)*str2double(rC)。 r11C=Rv/(str2double(r4)*str2double(r2))。 %每秒钟的进气量时间 r16=str2double(t5)*str2double(t6)。 r17=str2double(T0)+str2double(t5)。 r18=r16/r17。 R1=num2str(r18)。 %得到外界密度（可以不变） R2C=r11C*r18。 %每秒钟的总质量 此代码是依据 排风机的型号，我们先设置排风机的容量为‘ 3500’，并在e4 控件中显示，同时设置 r3C 变量为风机的总容量， dC 为集控室开关的开度 ，从而得到 cC1，即空气的通 气量。 同理可以分别得到工作 间、主机舱上层、通舱底以及主机舱底层的空气量并用 text 控件分别显示出来。 然后进行固定数值的计算，如每秒钟的进气量以及外界的温度等。 需要注意的是，这里涉及到了 供风机的开关操作的功能设计，为了能使风机进行开关操作，本课题设计了一个全局变量 global anjian1C，此变量与按键 TB7 共同 管理此 供风机的开关操作。 下面介绍此风机模块的两个密闭的工作空间，集控室与工作间的功能实现。 集控室的代码实现如下： if(k5C==1) %判断排风机开关 是否开启 r20C=str2double(T1C)+str2double(t5)。 %室内。