Flowmaster穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)仿真

1、Flowmaster穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)仿真Flowmaster工程師：黃宏艷穩(wěn)態(tài)仿真穩(wěn)態(tài)算例1穩(wěn)態(tài)算例2穩(wěn)態(tài)算例3穩(wěn)態(tài)算例4瞬態(tài)仿真瞬態(tài)仿真Flowmaster 瞬態(tài)分析模塊提供了分析基于時間變化的真實流動現(xiàn)象的能力。對于其中某些元件，為了進(jìn)行瞬態(tài)分析，還需要增加一些參數(shù)。在建立瞬態(tài)分析模型時，需要注意以下幾點： 根據(jù)所要分析的現(xiàn)象明確分析目標(biāo)（如泵的啟動過程，閥的關(guān)閉過程等）； 考慮管道長度和波傳播速度對計算時間的影響。如果有可能，將兩段或多段管道合并成一條管道，忽略較短的管道，另外，可以將某些管道按剛性進(jìn)行模擬； 當(dāng)數(shù)據(jù)不足或不確定時，需進(jìn)行參數(shù)的靈敏度分析。引起強(qiáng)烈壓力波動的原因壓力波或流體瞬態(tài)

2、特性，是由于流動變化引起的特定流體中壓力變化的傳播。任何系統(tǒng)，只要包含運動流體（或該流體能夠產(chǎn)生運動）流過管道或通道，都能產(chǎn)生壓力波。其他用來表征壓力波的術(shù)語還有水力瞬態(tài)特性或水錘等。壓力的變化是由于流體的動能、流體和管壁的應(yīng)力勢能之間的相互轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的。一個流體的擾動導(dǎo)致擾動區(qū)域流體壓力的變化，然后，該壓力變化以壓力波的形式在流體中傳播。閥門開度的突然變化、泵、渦輪等部件的啟動與停機(jī)、系統(tǒng)中急劇的溫度變化等都會引起強(qiáng)烈的壓力波動。波的傳遞與最大壓力變化估計以閥門為例，當(dāng)閥門關(guān)閉時，壓力波在管道中向上和向下傳播。此時，在擾動處的壓力變化最大，其值可由Joukowsky方程得到：其中： p壓力變

3、化量；液體密度； a 波傳播速度；v 流體速度變化用液柱高度表示壓力，則Joukowsky方程可表示為：其中： H 液柱高度 ；g重力加速度這個簡單理論非常有用，但在實際系統(tǒng)流體瞬態(tài)特性分析中，還要考慮以下因素： 波的反射 管道摩擦損失 氣穴 （如果發(fā)生）流動的“快速”、“緩慢”和“極慢”變化“快速”事件 “快速”事件是指流動變化發(fā)生的時間小于1個波動傳播周期。此時，最大壓力變化值可由Joukowsky方程計算，管道必須按照彈性管道模型進(jìn)行模擬。“緩慢”事件 “緩慢”事件是指流動變化發(fā)生的時間大于1個波動傳播周期，但小于500個波動傳播周期。此時，最大壓力變化值的計算是在按照快速事件計算得到壓

4、力變化值上乘以某一系數(shù)。當(dāng)流動變化時間為23個波動傳播周期時，壓力損失可以忽略，當(dāng)大于10個波動傳播周期時，就可以應(yīng)用剛性假設(shè)，并采用剛性管道模型。“極慢”事件 “極慢”事件是指流動變化發(fā)生的時間大于500個波動傳播周期。此時，最大壓力變化值和流動速度變化成比例，并和波傳播速度相互獨立，需要采用剛性管道模型進(jìn)行模擬。壓力傳播速度-計算公式估算壓力波傳播速度的方法主要有兩種，一種是根據(jù)公式計算，該公式適用于計算任意流體通過不同任意材料管道的波速；另一種方法是通過查表得到，該方法只適用于計算水中的波速。壓力傳播速度-水管中的波速下圖顯示了水流過不同材料的管道時的壓力波傳播速度。橫坐標(biāo)表示的是管道內(nèi)

5、徑和壁厚的比值?？v坐標(biāo)表示材料的楊氏模量，右側(cè)坐標(biāo)給出了不同材料的楊氏模量范圍。瞬態(tài)管道模型在瞬態(tài)分析中，F(xiàn)lowmaster 提供了以下四種管道模型： 剛性管 自適應(yīng)管 彈性管 可變波速管剛性管道模型該模型用來模擬管道中的不可壓流動，這里不考慮流體和管道的彈性效應(yīng)。當(dāng)彈性效應(yīng)可以忽略不計時，用戶可以用該模型模擬管道中流體的摩擦和慣性效應(yīng)。如上文所述，在某些類型的瞬態(tài)事件中，用戶可以考慮使用剛性模型，因為這樣可以大大縮短計算時間。該模型可用于以下幾種仿真計算中： 質(zhì)量振動 長系統(tǒng)中的短管道 “緩慢”事件彈性管道計算模型該模型用來模擬包含流體流動（或能夠產(chǎn)生流動）的管道的彈性效應(yīng)。這里運用了特征

6、線法，因此用戶需要定義網(wǎng)絡(luò)模型中所有彈性管道的網(wǎng)格尺度。為了準(zhǔn)確給出彈性管道的網(wǎng)格尺度，用戶需要專門安排時間進(jìn)行計算，計算公式如下：S 網(wǎng)格節(jié)點數(shù) L 管道長度 (m)a 波速 (m/s) t 時間步長 在模擬彈性管道時，S必須在大于3的整數(shù)的0.2范圍內(nèi)。彈性管道計算模型要想使所有管道的S值滿足限制條件，用戶需要不斷調(diào)整L，a 和t的值，用戶可按照以下方法進(jìn)行： 設(shè)置合適的時間步長； 對管道長度進(jìn)行微小調(diào)整； 將管道末端處理成剛性管，使主管段滿足S的限制條件；調(diào)整波傳播速度。一般來說，波速的估算會有10左右的誤差，因此波速的微小調(diào)整不會影響整體計算精度。閥門瞬態(tài)計算模型瞬態(tài)分析中控制閥的開啟

7、狀態(tài)可以通過控制閥元件從參數(shù)輸入表格輸入，也可以通過外部控制器進(jìn)行控制。單向閥用于瞬態(tài)分析時需要輸入一些其他參數(shù)，如特征作用時間等。進(jìn)氣和放氣閥（空氣閥門）用來模擬系統(tǒng)容腔和外部氣罐之間的氣體流動。它也可以用來模擬幾點上氣穴的產(chǎn)生和消失，這里可以設(shè)置閥門開啟壓力等于蒸氣壓，關(guān)閉壓力大于所連接節(jié)點的最大壓力。另一種模擬氣穴的簡單方法是激活相應(yīng)節(jié)點的自動蒸發(fā)選項。泵的瞬態(tài)計算模型 邏輯狀態(tài) -1 : 泵以衡定轉(zhuǎn)度運行 邏輯狀態(tài) 0 : 電機(jī)關(guān)閉 邏輯狀態(tài) 1 : 按照控制轉(zhuǎn)速或扭矩運行通過定義轉(zhuǎn)換時間可以控制泵在這些邏輯狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。如果泵的邏輯狀態(tài)設(shè)為1，則需要一個外部的扭矩或轉(zhuǎn)速控制器。在初始轉(zhuǎn)速正確設(shè)置后，泵就能夠按照給定的狀態(tài)運行。 若控制轉(zhuǎn)速，則不能設(shè)置初始轉(zhuǎn)速； 若控制扭矩，則必須設(shè)置初始轉(zhuǎn)速。泵的瞬態(tài)計算模型在瞬態(tài)分析時，還需要一些其他參數(shù)，如電機(jī)和泵的慣量和摩擦力矩等。如果不知道慣量的精確數(shù)據(jù)，可以按下圖進(jìn)行估算?？刂破鞯氖褂肍lowmaster 提供了一系列控制器，主要有以下幾類： 曲線輸入控制器 列表輸入控制器 PID 控制器另外還有一些專用控制器，例如： 電機(jī)扭矩控制器 泄壓