本文以建立一类能够同时满足轮机模拟器对仿真速度与仿真精度要求的船用大型低速二冲程柴油机工作过程数学模型为课题中心内容，重点研究了船用大型压气机质量流量与等熵效率的建模方法以及发动机平均值模型无法预测缸内压力的解决方法，同时结合作者多年的实际项目开发经验，对轮机模拟器中主机仿真系统的开发流程与实施方案进行了详细的介绍与总结，对其中涉及到的关键技术进行了探讨，完成了理论向实践的转换。
　　压气机模型对于涡轮增压发动机整机模型的稳态仿真精度与瞬态响应能力均具有重要的影响，而目前文献中尚无关于各类压气机质量流量与等熵效率模型在船用大型压气机中的适应性对比研究。为了揭示它们在船用大型压气机不同工作区域的预测精度与外推能力，并更好的服务于轮机模拟器中主机仿真系统的开发，以两台具有不同尺寸、流量范围与转速范围的船用大型压气机为研究对象，对比、分析了一些经典的以及近些年所提出的压气机质量流量与等熵效率模型对压气机性能图谱中已有样本数据点的预测精度以及向非设计工况区域的外推能力。在所得到的对比分析结果基础上，总结了各类压气机模型的优势与劣势，凝练了若干指导性意见，可供同领域的科研人员参考。此外，还提出了一种基于涡轮机械Euler方程的压气机叶片直径估算方法，该方法仅需利用压气机的性能图谱作为输入数据。在以A270-L59型、TCA88-25070型与TCA55型这三台具有不同尺寸大小的船用大型压气机为测试对象时，估算结果的相对误差不超过1％，展现出了令人满意的估算精度。
　　针对查表法外推结果不可靠以及单一的曲线拟合法在压气机不同工作区域的预测与外推精度不一致的问题，提出了一种压气机质量流量的分区域建模方法。该方法以压气机的性能图谱为基础，首先通过定义区域划分标准，将其整个工作区域划分为设计工况区、低转速区、高转速区与低压比区，然后为每个区域选择预测或外推精度最高的模型。为了防止压气机的运行点在由其它区域进入低压比区时可能出现的不连续间断点，应用了一种曲线融合方法，可保证等转速线的平滑过渡。该建模方法充分利用了已有压气机质量流量数学模型的优势，既能够准确地预测设计工况区域内的已有样本数据点，又能够合理、稳健地外推至非设计工况区域。对Hadef等熵效率模型进行了改进，即利用压气机性能图谱中已有的等转速线将“质量流量-实际消耗比焓”平面划分为若干区域，再分别进行模型参数的校正，因此能够更加准确地描述压气机在不同转速范围内的工作特性。相比原模型，改进后的Hadef等熵效率模型能够有效提升对性能图谱中已有样本数据点的预测精度，同时展现出了令人满意的外推能力。
　　在MATLAB/Simulink仿真环境下，以MANB&W7S80ME-C9.2型船用大型低速二冲程柴油机为研究对象，建立了主机工作过程仿真模型。给出了一种模型参数的校正方法，能够有效平衡主机仿真模型在各负荷条件下的仿真精度。通过开展稳态与瞬态仿真实验，验证了主机工作过程数学模型的正确性与合理性。对发动机平均值模型进行了简化，移除了主机工作过程数学模型中用于计算扫气箱内工质温度的微分方程，并假设扫气温度时刻等于空冷器的空气出口温度，经验证该简化方法并不会对主机各主要性能参数的稳态仿真精度与瞬态响应能力造成明显影响，从而可在一定程度上加快主机仿真模型的计算速度，同时为轮机模拟器中其它机电设备数学模型的细化提供空间。
　　根据二冲程柴油机在换气过程中缸内压力曲线的特点，对一类适用于四冲程火花塞点燃式发动机的气缸压力解析模型进行了修正，即利用两个线性函数来计算换气过程的缸内压力，使之可适用于船用大型二冲程柴油机。为了取得令人满意的预测精度，利用实船测量数据与容积法模型生成的仿真数据对气缸压力解析模型中的模型参数进行校正，包括压缩与膨胀多变过程的多变指数、压缩多变过程参考点的温度与压力、燃烧效率系数以及Wiebe函数中的模型参数。将校正后的气缸压力解析模型与平均值模型相耦合解决了平均值模型无法预测缸压曲线的缺点，通过与实测示功图相对比，可发现能够很好地模拟船用大型二冲程柴油机工作循环内各阶段缸内压力的变化趋势以及较为准确地预测压缩压力与爆发压力及其曲轴转角位置。通过调整气缸压力解析模型与平均值模型的计算频率，解决了二者计算速度不一致的问题，实现了二类模型的同步。相比“容积法-平均值”混合模型，所建立的“气缸压力解析模型-平均值”混合模型在取得相近仿真速度的前提下，能够更加真实地反应缸内压力的瞬态响应过程。
　　最后，以建立与验证的船用大型低速二冲程柴油机工作过程数学模型为基础，开发了超级大型油轮轮机模拟器中的主机仿真系统，并基于WPF技术完成了相应二维仿真界面的设计与制作，实现了分辨率自适应与局部缩放这两类实用功能。此外，对仿真界面程序与仿真模型程序的运行与刷新机制进行了优化，提升了仿真系统的运行流畅性与实时性。