CN104484501A - 船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，本发明方法不依赖主机系统中各设备进出口工质热力性能参数，即无需采集大量数据，仅根据主机系统各工作过程特点，通过引入配气相位，并基于各设备工作原理及结构参数计算主机系统能耗分布，即整个主机系统中各个设备热损失和系统能耗分布情况。本发明简单方便，精确度高，可准确计算各设备进出口工质热力学性能参数，从而获得主机系统的能耗分布。根据本发明计算结果可获得主机系统中用能薄弱环节，从而可为主机系统的节能改进指明方向。

Description

船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法

技术领域

本发明属于工程热力学技术领域，尤其涉及一种船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法。

背景技术

目前，国内外尚无一套完整的基于热力学性能参数计算船舶主机系统能耗分布稳态的方法。1984年，美国密歇根大学对船用增压柴油机的瞬态仿真模型提出了新的观点，分别给出了二冲程和四冲程柴油机的各部分仿真模型。1989年，K.P.Dudek等人搭建了内燃机气缸压力控制的仿真模型，并得以应用。90年代以来，船舶主推进系统的仿真研究进入了一个新阶段，日本神户海事大学的Lan等人在前人基础之上，又对船舶主机模型提出了新的经验公式以及解析方程，从而进行更精确的计算分析。进入21世纪，Patrick Kirchen建立预测喷油时间的柴油机热力学模型。

国内也有很多学者研究船舶主机系统能耗分布，1997年，上海交通大学的王长林等人根据准稳态模型的概念，建立了四冲程船用柴油机的实时仿真模型。1999年，大连海事大学的张均东、孙培延利用Hankel矩阵正交奇异值，实现了柴油机船舶动力装置中一些典型设备的单位脉冲响应时间序列的状态空间建模。进入21世纪，科技飞速发展，我国船舶仿真技术也突飞猛进，但是却很少有学者从热力学性能参数角度研究船舶能耗分布稳态计算。

由于船舶主机系统较复杂，并且整个系统设备较庞大，若用仪器检测各设备进出口工质热力学性能参数来计算各设备的用能情况是几乎不可能的，并且，对于新设计的船舶也无法进行指导改进。基于热力学性能参数计算的船舶主机系统能耗分布受主机系统中设备结构参数和特别的性能参数获取较困难的制约，影响了该方法的广泛应用。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种不依赖于主机系统各设备进出口工质热力学性能参数的船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，该方法可方便、准确地计算各设备进出口工质热力学性能参数，从而获得各设备的耗能情况。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，包括步骤：

步骤1，计算主机系统中气缸内气体在多变压缩过程的热损失：

根据气缸多变压缩过程的进气体积获得主机系统燃烧过程所需的空气量，根据主机系统的配气相位图获得多变压缩过程结束时的气缸容积，根据燃烧过程所需的空气量和多变压缩过程结束时的气缸容积计算有效压缩比；基于有效压缩比计算多变压缩过程结束时气缸内气体的热力学性能参数，从而获得气缸内气体的热损失；

步骤2，计算主机系统中气缸内气体在燃烧过程的热损失：

根据气缸爆发压力和曲轴转角计算燃烧过程结束时气缸容积和气缸内气体的热力学性能参数，从而获得燃烧过程中气缸内气体的热损失；所述的气缸爆发压力根据已知的气缸爆发压力曲线获得，所述的曲轴转角根据主机型号和工况设定；

步骤3，计算主机系统气缸内气体在多变膨胀过程中的热损失：

根据配气相位图计算燃烧过程结束时气缸容积，由燃烧结束时气缸容积和多变膨胀结束时气缸容积计算有效膨胀比，根据气缸爆发压力和有效膨胀比获取多变膨胀过程结束时气缸内气体的热力学性能参数，从而获得多变膨胀过程的热损失；

步骤4，计算主机系统气缸内气体在扫气过程中的热损失：

根据设定的滑移系数和曲轴转角计算主机系统在整个工作过程所需的空气量以及扫气过程结束时烟气的压力、温度以及工作介质质量流量，从而获得气缸内气体扫气过程的热损失；

步骤5，计算中冷器的热损失：

根据扫气过程结束时工作介质质量流量、换热器进口工作介质温度、换热器出口工作介质温度及换热器进口冷却水温度，根据压气机模型和中冷器模型出口空气热力学性能参数计算中冷器的热损失；

步骤6，计算烟气通过废气涡轮膨胀做功过程的热损失：

根据扫气过程结束时烟气的压力和温度，采用涡轮模型计算烟气通过废气涡轮膨胀做功过程的热损失。

步骤1中气缸内气体在多变压缩过程的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型为其中，Q_loss为多变压缩过程中气缸内气体的热损失，c_v为气缸内气体的气态定容比热，T_1,2为多变压缩过程结束时气缸内气体温度，m为多变压缩过程中气缸内气体质量，γ为气缸内气体绝热指数，r_c为多变压缩过程的有效压缩比，n_c为气缸内气体的多变压缩指数。

步骤2中气缸内气体在燃烧过程的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型如下：

Q_loss＝q_lossgt

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{{D_b}^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}$

V₁＝A_bgL_s

其中，t表示燃烧过程时间；q_loss表示单位时间热损率；α表示气缸壁表面传热系数；A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积，T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度；T为燃烧过程结束时气缸内气体温度；C₁为速度系数，取130；D_b为气缸直径；p为燃烧过程结束时气缸内气体压力；C₃为气流速度系数；C₄为燃烧室形状系数；C_m为活塞平均速度；p₀为燃烧过程中未喷油气缸内气体压力，p₁为燃烧过程中气缸内进气压力；T₁为燃烧过程中气缸进气温度；V_s为燃烧过程中气缸进气体积；V₁为气缸工作体积，A_b为气缸横截面积，L_s为气缸行程；ε为已知的几何压缩比；为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得；λ_cr为曲柄连杆比；

燃烧过程中燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，取20m/s。

步骤3中气缸内气体在多变膨胀过程中的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型如下：

Q_loss＝q_lossgt

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{{D_b}^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}$

V₁＝A_bgL_s

其中，t表示多变膨胀过程时间；q_loss表示单位时间热损率；a表示气缸壁表面传热系数；A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积，T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度；T为多变膨胀过程结束时气缸内气体温度；C₁为速度系数，取130；D_b为气缸直径；p为多变膨胀过程结束时气缸内气体压力；C₃为气流速度系数；C₄为燃烧室形状系数；C_m为活塞平均速度；p₀为多变膨胀过程中未喷油气缸内气体压力，p₁为多变膨胀过程中气缸内进气压力；T₁为多变膨胀过程中气缸进气温度；V_s为多变膨胀过程中气缸进气体积；V₁为气缸工作体积，A_b为气缸横截面积，L_s为气缸行程；ε为已知的几何压缩比；为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得；λ_cr为曲柄连杆比；

多变膨胀过程中燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，取20m/s。

步骤4中气缸内气体在扫气过程中的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型如下：

Q_loss＝q_lossgt

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{{D_b}^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}$

V₁＝A_bgL_s

其中，t表示扫气过程时间；q_loss表示单位时间热损率；a表示气缸壁表面传热系数；A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积，，T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度；T为扫气过程中气缸内气体温度，即多变膨胀过程结束时气缸内气体与滑移气体混合后的温度；C₁为速度系数，取130；D_b为气缸直径；p为扫气过程中气缸内气体压力，即压气机出口空气压力；C₃为气流速度系数；C₄为燃烧室形状系数；C_m为活塞平均速度；p₀为扫气过程中未喷油气缸内气体压力，p₁为扫气过程中气缸内进气压力；T₁为扫气过程中气缸进气温度；V_s为扫气过程中气缸进气体积；V₁为气缸工作体积，A_b为气缸横截面积，L_s为气缸行程；ε为已知的几何压缩比；为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得；λ_cr为曲柄连杆比；

扫气过程中燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，取20m/s。

步骤5中所述的压气机模型和中冷器模型如下：

T_b＝T_a-η_c(T_a-T_c)

Q_loss＝c_p·airgq_airg(T_a-T_b)

其中：Q_loss为气缸完整工作过程中中冷器的热损失；T_a为换热器进口工作介质的温度；T_b为换热器出口工作介质的温度；T_c为换热器进口冷却水的温度；η_c为中冷器效率；c_p·air为工作介质定压比热容；q_air为扫气过程结束时工作介质质量流量。

本发明方法不依赖主机系统中各设备进出口工质热力性能参数，即无需采集大量数据，仅根据主机系统各工作过程特点，通过引入配气相位，并基于各设备工作原理及结构参数计算主机系统能耗分布，即整个主机系统中各个设备热损失和系统能耗分布情况。与现有技术相比，本发明简单方便，精确度高，可准确计算各设备进出口工质热力学性能参数，从而获得主机系统的能耗分布。根据本发明计算结果可获得主机系统中用能薄弱环节，从而可为主机系统的节能改进指明方向。

附图说明

图1为船舶主机系统流程图。

图中，1-膨胀水箱，2-燃油柜，3-滑油柜，4-主机，5-高压储气罐，6-造水机，7-缸套水冷却器，8-滑油冷却器，9-排放，10-低温淡水柜，11-低温淡水冷却器，12-海水出口，13-海水进口，14-燃油舱出口，15-滑油舱出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

船舶主机气缸内工作过程按照siliger循环分为多变压缩过程、燃烧过程、多变膨胀过程，通过引入配气相位图，并根据各过程特点和主机结构参数，基于气缸壁导热稳态数学模型建立各过程气缸内高温气体通过气缸壁的换热损失模型。主机系统中，燃油预热器是管壳式换热器，滑油冷却器是板式换热器，缸套水冷却器是板式换热器，空气冷却器是管壳式换热器，因此针对燃油预热器、滑油冷却器、缸套水冷却器、空气冷却器，可建立换热器通用模型，根据换热器通用模型计算主机系统各设备的换热损失。

本发明船舶主机系统能耗分布稳态计算方法的具体步骤如下：

步骤一，计算主机系统气缸内气体在多变压缩过程中的热损失。

通过气缸多变压缩过程的进气体积获得主机燃烧过程所需的空气量，根据主机系统的配气相位图获得多变压缩过程结束时的气缸容积，根据主机燃烧过程所需的空气量和多变压缩过程结束时的气缸容积计算有效压缩比r_c，根据有效压比r_c获得多变压缩过程结束时气缸内气体的热力学性能参数，同时获得多变压缩过程气缸内气体的热损失。所述的热力学性能参数包括气缸内气缸的温度和压力。

多变压缩过程气缸内气体的热损失Q_loss采用气缸壁导热稳态数学模型获得：

$Q_{\mathrm{loss}}=c_{v}g{T}_{\mathrm{1,2}}\mathrm{gmg}(1-\frac{\mathrm{\γ}-1}{n_c-1})g(r_c^{n_c-1}-1)---\left(1\right)$

式(1)中：

c_v为气缸内气体的气态定容比热，单位：J/(kg·K)；

T_1,2为多变压缩过程中气缸内气体温度，单位：K；

m为多变压缩过程中气缸内气体质量，单位：kg；

γ为气缸内气体绝热指数，一般取1.39；

r_c为多变压缩过程的有效压缩比；

n_c为气缸内气体的多变压缩指数，根据主机系统的实际结构取值，一般取1.35～1.38，且n_c＜r_c。

步骤二，计算主机系统气缸内气体在燃烧过程中的热损失。

多变压缩过程结束后，气缸内气体在燃烧过程达到压力最大值和温度最大值，燃烧过程中，根据气缸爆发压力和曲轴转角计算燃烧过程结束时气缸内气体的压力和温度，从而获得主机燃烧过程的热损失。气缸爆发压力根据已知的气缸爆发压力曲线获得，曲轴转角根据主机系统的配气相位图获得。

步骤三，计算主机系统气缸内气体在多变膨胀过程中的热损失。

根据燃烧过程结束时气缸内空气的热力学性能参数获取多变膨胀过程结束时气缸内空气的热力学性能参数，从而获得多变膨胀过程的热损失。

步骤四，计算主机系统气缸内气体在扫气过程中的热损失。

根据实际空气里调节得到的滑移系数和曲轴转角计算主机整个工作过程所需的空气质量流量以及最终混合后烟气的压力、烟气温度及空气质量流量，从而获得扫气过程的热损失。

燃烧过程、多变膨胀过程和扫气过程中气缸内气体的热损失Q_loss同样采用气缸壁导热稳态数学模型获得：

Q_loss＝q_lossgt   (2)

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]   (3)

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{{D_b}^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}---\left(4\right)$

V₁＝A_bgL_s   (5)

式(2)～(6)中：

t表示各工作过程的工作时间，单位：s；

q_loss表示单位时间热损率，单位：kW；

α表示气缸壁表面传热系数，单位：W/(㎡·K)；

A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积；

T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度，单位：℃；

T为各工作过程中气缸内气体温度，单位：℃；

V₁为气缸工作体积，单位：m³；

A_b为气缸横截面积，单位：m²；

L_s为气缸行程，单位：m；

V_s为工作过程中气缸进气体积，单位：m³；

ε为已知的几何压缩比；

为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得，单位：rad；

λ_cr为曲柄连杆比；

C₁为速度系数，一般取130；

D_b为气缸直径，单位：m；

p为气缸内气体压力，单位：MPa；

C₃为气流速度系数；

C_m为活塞平均速度，单位：m/s；

C₄为燃烧室形状系数；

p₀为未喷油缸内气体压力，单位：MPa；

p₁为气缸内进气压力，单位：MPa；

T₁为气缸进气温度，单位：K。

在计算燃烧过程主机缸内气体与气缸壁表面传热系数时，燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C₃为：

$C_3=2.28+0.308\·\frac{C_u}{C_m}---\left(7\right)$

C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，本模型中取C_u为20m/s。

在计算多变膨胀过程主机缸内气体与气缸壁表面传热系数时，燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C₃为：

$C_3=6.18+0.417\·\frac{C_u}{C_m}---\left(8\right)$

在计算扫气过程主机缸内气体与气缸壁表面传热系数时，气流速度系数C₃为：

$C_3=6.18+0.417\·\frac{C_u}{C_m}---\left(9\right)$

燃烧室形状系数C₄＝0.00324。

步骤五，计算中冷器的热损失。

根据扫气过程结束时主机整个工作过程所需的空气质量流量、换热器进口工作介质温度、换热器出口工作介质温度及换热器进口冷却水温度，采用压气机模型和中冷器模型获得中冷器的热损失。

本发明中，主机系统燃油预热器、滑油冷却器、缸套水换热器、中冷器的热损失计算模型如下：

T_b＝T_a-η_c(T_a-T_c)   (10)

Q_loss＝c_p·airgq_airg(T_a-T_b)   (11)

式(1)～(2)中：T_a代表空气、燃油、滑油三种工作介质进换热器的温度，单位：K；T_b代表空气、燃油、滑油三种工作介质出换热器的温度，单位：K；T_c为冷却水进换热器的温度，一般取36℃，单位：K；η_c为中冷器效率，一般取0.85～0.95；c_p·air为工作介质定压比热容，单位：J/(kg·K)；q_air为扫气过程结束时空气质量流量，单位：kg/s；Q_loss为气缸完整工作过程中中冷器的热损失。

步骤六，计算烟气通过废气涡轮膨胀做功过程的热损失。

根据步骤4获得的烟气压力和烟气温度，采用涡轮模型计算烟气通过废气涡轮膨胀做功过程的热损失。

下面结合具体实施例进一步描述本发明技术方案。

以某油船主机型号为6S50MC-C8-TII额定负荷的数据来进行计算，主机参数见表1。

表1 6S50MC-C8-TII主机基本参数

根据主机系统的配气相位图和气缸爆发压力曲线获得曲轴转角和主机不同工况点下的爆发压力。

按照上述过程，在压气机模型中，额定负荷时压气机压比取4.0，计算出压气机出口空气的压力、温度和质量流量。将结果记录于表2。

中冷器模型中通过冷却水对压缩后的空气进行冷却，计算得到中冷器出口空气压力、温度以及空气被冷却的热量。将结果记录于表2。

将主机气缸内多变压缩过程、燃烧过程、多变膨胀过程的热损失之和作为气缸工作过程热损失，并通过计算得到排气管中烟气压力、温度以及烟气质量流量。在多变压缩过程中n_c＜r_c，多变膨胀过程中n_e＞r_e，这里r_c、r_e分别表示有效压缩比和有效膨胀比，n_c、n_e分别是多变压缩指数和多变膨胀指数，n_c＝1.35-1.38，n_e＝1.30-1.35。将结果记录于表2。

扫气过程中，主要是将残余废气排出和向缸内充入新鲜气体，扫除废气时，认为是残余废气与新鲜气体的混合，计算得到排气管中烟气的温度和质量流量。将结果记录于表2。

缸套水冷却器和滑油冷却器模型中，按照上述方法计算缸套水冷却器冷却热量和滑油冷却器冷却热量。将结果记录于表2。

通过废气涡轮做功后的烟气进入废气锅炉，计算废气涡轮做功结束时的废气温度、质量流量，以及烟气热量，废气涡轮膨胀比取3.7。将结果记录于表2。

表2 额定负荷计算数据

参数	计算值
		压气机出口空气压力/MPa	0.40
压气机出口空气温度/℃	202.19
		压气机出口空气流量/kg/s	23.46
中冷器出口空气压力/MPa	0.40
		中冷器出口空气温度/℃	37.34
中冷器热损失/kW	4002.60
		多变压缩过程起始点空气压力/MPa	0.40
多变压缩过程起始点空气温度/℃	71.29
		多变压缩过程终点空气压力/MPa	14.51
多变压缩过程终点空气温度/℃	634.00
		多变膨胀过程终点烟气压力/MPa	0.91
多变膨胀过程终点烟气温度/℃	713.98
		多变膨胀过程终点烟气质量/kg	6.57
缸内过程损失/kW	1969.05
		排气管中烟气温度/℃	384.18
排气管中烟气质量流量/kg/s	23.96
		缸套水冷却损失/kW	1274.21
滑油冷却损失/kW	667.07
		排烟温度/℃	235.41
排烟流量/kg/s	23.96
		排烟热损失/kW	4847.57

Claims (6)

1.船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，计算主机系统中气缸内气体在多变压缩过程的热损失：

根据气缸多变压缩过程的进气体积获得主机系统燃烧过程所需的空气量，根据主机系统的配气相位图获得多变压缩过程结束时的气缸容积，根据燃烧过程所需的空气量和多变压缩过程结束时的气缸容积计算有效压缩比；基于有效压缩比计算多变压缩过程结束时气缸内气体的热力学性能参数，从而获得气缸内气体的热损失；

步骤2，计算主机系统中气缸内气体在燃烧过程的热损失：

根据气缸爆发压力和曲轴转角计算燃烧过程结束时气缸容积和气缸内气体的热力学性能参数，从而获得燃烧过程中气缸内气体的热损失；所述的气缸爆发压力根据已知的气缸爆发压力曲线获得，所述的曲轴转角根据主机型号和工况设定；

步骤3，计算主机系统气缸内气体在多变膨胀过程中的热损失：

根据配气相位图计算燃烧过程结束时气缸容积，由燃烧结束时气缸容积和多变膨胀结束时气缸容积计算有效膨胀比，根据气缸爆发压力和有效膨胀比获取多变膨胀过程结束时气缸内气体的热力学性能参数，从而获得多变膨胀过程的热损失；

步骤4，计算主机系统气缸内气体在扫气过程中的热损失：

根据设定的滑移系数和曲轴转角计算主机系统在整个工作过程所需的空气量以及扫气过程结束时烟气的压力、温度以及工作介质质量流量，从而获得气缸内气体扫气过程的热损失；

步骤5，计算中冷器的热损失：

根据扫气过程结束时工作介质质量流量、换热器进口工作介质温度、换热器出口工作介质温度及换热器进口冷却水温度，根据压气机模型和中冷器模型出口空气热力学性能参数计算中冷器的热损失；

步骤6，计算烟气通过废气涡轮膨胀做功过程的热损失：

根据扫气过程结束时烟气的压力和温度，采用涡轮模型计算烟气通过废气涡轮膨胀做功过程的热损失。

2.如权利要求1所述的船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，其特征在于：

步骤1中气缸内气体在多变压缩过程的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型为其中，Q_loss为多变压缩过程中气缸内气体的热损失，c_v为气缸内气体的气态定容比热，T_1,2为多变压缩过程结束时气缸内气体温度，m为多变压缩过程中气缸内气体质量，γ为气缸内气体绝热指数，r_c为多变压缩过程的有效压缩比，n_c为气缸内气体的多变压缩指数。

3.如权利要求1所述的船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，其特征在于：

步骤2中气缸内气体在燃烧过程的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型如下：

Q_loss＝q_lossgt

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{D_b^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}$

V₁＝A_bgL_s

其中，t表示燃烧过程时间；q_loss表示单位时间热损率；α表示气缸壁表面传热系数；A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积，T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度；T为燃烧过程结束时气缸内气体温度；C₁为速度系数，取130；D_b为气缸直径；p为燃烧过程结束时气缸内气体压力；C₃为气流速度系数；C₄为燃烧室形状系数；C_m为活塞平均速度；p₀为燃烧过程中未喷油气缸内气体压力，p₁为燃烧过程中气缸内进气压力；T₁为燃烧过程中气缸进气温度；V_s为燃烧过程中气缸进气体积；V₁为气缸工作体积，A_b为气缸横截面积，L_s为气缸行程；ε为已知的几何压缩比；为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得；λ_cr为曲柄连杆比；

燃烧过程中燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，取20m/s。

4.如权利要求1所述的船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，其特征在于：

步骤3中气缸内气体在多变膨胀过程中的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型如下：

Q_loss＝q_lossgt

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{D_b^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}$

V₁＝A_bgL_s

其中，t表示多变膨胀过程时间；q_loss表示单位时间热损率；a表示气缸壁表面传热系数；A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积，T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度；T为多变膨胀过程结束时气缸内气体温度，即多变膨胀过程结束时气缸内气体与滑移气体混合后的温度；C₁为速度系数，取130；D_b为气缸直径；p为多变膨胀过程结束时气缸内气体压力；C₃为气流速度系数；C₄为燃烧室形状系数；C_m为活塞平均速度；p₀为多变膨胀过程中未喷油气缸内气体压力，p₁为多变膨胀过程中气缸内进气压力；T₁为多变膨胀过程中气缸进气温度；V_s为多变膨胀过程中气缸进气体积；V₁为气缸工作体积，A_b为气缸横截面积，L_s为气缸行程；ε为已知的几何压缩比；为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得；λ_cr为曲柄连杆比；

多变膨胀过程中燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，取20m/s。

5.如权利要求1所述的船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，其特征在于：

步骤4中气缸内气体在扫气过程中的热损失采用气缸壁导热稳态数学模型计算，所述的气缸壁导热稳态数学模型如下：

Q_loss＝q_lossgt

q_loss＝α[A_cw(T-T_cw)+A_pc(T-T_pc)+A_ch(T-T_ch)]

$\mathrm{\α}=C_1\·\frac{1}{D_b^{0.214}}\·\frac{p^{0.786}}{T^{0.525}}\·{(C_3\·C_m+C_4\·\frac{p-p_0}{p_1}\·\frac{V_S}{V_1}{T}_1)}^{0.786}$

V₁＝A_bgL_s

其中，t表示扫气过程时间；q_loss表示单位时间热损率；a表示气缸壁表面传热系数；A_cw、A_pc、A_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的面积，，T_cw、T_pc、T_ch分别为气缸壁、气缸盖、活塞头的温度；T为扫气过程中气缸内气体温度，即多变膨胀过程结束时气缸内气体与滑移气体混合后的温度；C₁为速度系数，取130；D_b为气缸直径；p为扫气过程中气缸内气体压力，即压气机出口空气压力；C₃为气流速度系数；C₄为燃烧室形状系数；C_m为活塞平均速度；p₀为扫气过程中未喷油气缸内气体压力，p₁为扫气过程中气缸内进气压力；T₁为扫气过程中气缸进气温度；V_s为扫气过程中气缸进气体积；V₁为气缸工作体积，A_b为气缸横截面积，L_s为气缸行程；ε为已知的几何压缩比；为曲轴转角，根据主机的配气相位图获得；λ_cr为曲柄连杆比；

扫气过程中燃烧室形状系数C₄＝0.00324，气流速度系数C_u表示稳流吹风试验时风速叶片的切向速度，取20m/s。

6.如权利要求1所述的船舶主机系统能耗分布稳态模拟方法，其特征在于：

步骤5中所述的压气机模型和中冷器模型如下：

T_b＝T_a-η_c(T_a-T_c)

Q_loss＝c_p·airgq_airg(T_a-T_b)

其中：Q_loss为气缸完整工作过程中中冷器的热损失；T_a为换热器进口工作介质的温度；T_b为换热器出口工作介质的温度；T_c为换热器进口冷却水的温度；η_c为中冷器效率；c_p·air为工作介质定压比热容；q_air为扫气过程结束时工作介质质量流量。