基于多學科集成的艦船冷藏系統(tǒng)設計模塊開發(fā)

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(tǒng)設計模塊開發(fā)

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(tǒng)的各系統(tǒng)獨立、串行的設計模式難以獲得全局優(yōu)化，且設計周期冗長，為此引入多學科優(yōu)化設計(MOD)方法對艦船輔助系統(tǒng)與其他學科之間的相互作用關系進行設計優(yōu)化。以冷藏系統(tǒng)為例，介紹艦船輔助系統(tǒng)MOD的系統(tǒng)參數(shù)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(tǒng)模塊化設計提供借鑒與支持。

關鍵詞：艦船；多學科優(yōu)化設計；冷藏系統(tǒng)；軟件開發(fā)

由于艦船輔助系統(tǒng)的設計往往是根據(jù)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(huán)、螺旋式前進的過程。每一次循環(huán)都需要做大量的協(xié)調(diào)工作，這些協(xié)調(diào)工作主要是依據(jù)設計者的經(jīng)驗、直覺或者有限的分析和試驗決定的。并且這種以經(jīng)典設計為主導設計思想的艦船設計與優(yōu)化問題是以順序方式處理的，前面的優(yōu)化結果將構成后續(xù)優(yōu)化問題的一種約束，這將導致最后一個優(yōu)化問題實現(xiàn)的可能性就很小。這種優(yōu)化設計并沒有充分考慮系統(tǒng)之間存在著的相互作用關系，所以傳統(tǒng)的艦船輔助系統(tǒng)設計優(yōu)化往往需要進行大量的協(xié)調(diào)工作，耗時耗力且最終得到的并非全局最優(yōu)解。因此，為改變這種系統(tǒng)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(tǒng)與其他學科之間的相互作用關系進行設計優(yōu)化，從而有效控制設計周期、提高設計質(zhì)量、節(jié)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(shù)優(yōu)化問題都會涉及到同時優(yōu)化多個具有不同量綱并且往往是相互競爭的目標函數(shù)。帶有m個目標函數(shù)的MOP的數(shù)學表達式如下[3-4]。

艦艇多學科設計優(yōu)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(tǒng)的復雜耦合關系，而追求綜合平衡過的可行解和較優(yōu)解，敏捷、高效地得到優(yōu)質(zhì)的設計方案。

目前我國在艦船研制領域?qū)Υ偷膬?yōu)化主要采用單學科或單目標的優(yōu)化方法，對各學科的考慮非常不均衡，在確定方案時常根據(jù)設計的需要以追求單個性能指標最優(yōu)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(xié)同優(yōu)化，因此無法獲得整體優(yōu)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(yōu)化理論MDO時，需要各系統(tǒng)形成設計輸入輸出間相互約束和優(yōu)化迭代的功能模塊，其中艦船總體設計的重要系統(tǒng)之一，在多學科集成設計平臺中囊括了空調(diào)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(tǒng)的多學科設計優(yōu)化模型框架[5-6]。

2冷藏冷凍模塊分析

2.1系統(tǒng)組成及功能

艦船食品冷藏系統(tǒng)用于貯存食品，使冷庫能維持在設計庫溫范圍內(nèi)，防止食品腐爛及變質(zhì)。系統(tǒng)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(tǒng)設計依據(jù)

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

表1　食品冷藏系統(tǒng)冷庫設計參數(shù)

2.3模塊接口數(shù)據(jù)分析

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

1)根據(jù)艦船自給力時間和艦上人員編制數(shù)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(jù)冷庫庫容(面積)及其布置、環(huán)境溫濕度，計算確定冷庫滲入熱。

3)根據(jù)食品裝載量及環(huán)境溫濕度，計算確定食品裝載的貨物熱。

4)根據(jù)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(tǒng)的總熱負荷。

5)根據(jù)冷庫總熱負荷，計算確定冷藏系統(tǒng)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(zhuǎn)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(fā)

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(shù)，kJ/(m2·℃·h)；

F——傳熱面積，m2；

Δt——庫內(nèi)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(chǎn)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(jīng)過了40年，我們每一個中國人，對自己的生活與事業(yè)，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(shù)(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(nèi)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(shù)0.96；

裕度系數(shù)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(zhuǎn)時間校核

冷庫維持運轉(zhuǎn)時間為

(13)

3.1.5冷藏機組及冷風機數(shù)據(jù)庫

結合目前艦船食品冷藏系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)表。

編碼讀取Excel數(shù)據(jù)表功能語句，可通過軟件讀取Excel數(shù)據(jù)庫表格的形式，將數(shù)據(jù)讀取至軟件，并通過編碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換另存為二進制數(shù)據(jù)存儲，以免認為操作失誤造成數(shù)據(jù)丟失或更改，并有利于后續(xù)對Excel數(shù)據(jù)的補充、修改以及二進制數(shù)據(jù)庫的更新，其中讀取、另存數(shù)據(jù)代碼如下(冷藏機組數(shù)據(jù)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(jù)計算得出的冷庫制冷量需求、冷庫類型和冷藏設備數(shù)據(jù)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(shù)量；

n——冷藏機組數(shù)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(jù)蔬菜庫、魚肉庫計算所需參數(shù)，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(shù)據(jù)庫中的自動篩選完成設備配置。

3.3軟件實現(xiàn)及計算實例

圖1　冷庫冷藏模型邏輯流程

軟件采用面向?qū)ο缶幊陶Z言Visual Basic，根據(jù)數(shù)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(shù)計算、冷藏機組型號和冷風機型號。通過輸入冷庫相關參數(shù)，計算得出的冷庫制冷量需求、根據(jù)冷庫類型和冷藏設備數(shù)據(jù)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(shù)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(yōu)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(tǒng)納入多學科參數(shù)化迭代設計之中。以冷藏系統(tǒng)設計開發(fā)為例，介紹了艦船冷藏系統(tǒng)中蔬菜庫、魚肉庫設計參數(shù)的計算方法和設備選型流程，根據(jù)現(xiàn)有設備參數(shù)構建冷藏設計模塊所需數(shù)據(jù)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(tǒng)設計計算的正確性、方便性，并可實現(xiàn)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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[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(tǒng)工程的研究和設計