基于FLOWMASTER的某型船舱底水系统管路仿真分析

徐　鹏,范　灏

(1.海军驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



基于FLOWMASTER的某型船舱底水系统管路仿真分析

徐鹏1,范灏2

(1.海军驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：针对某型船舱底水系统中排水泵布置位置距吸头较远，需核算最远处吸头吸力能否满足需求的问题，对比基于FLOWMASTER的管路模拟仿真与基于传统经验公式的管路水力计算结果，检验FLOWMASTER软件在管路水力仿真计算中的可靠性。

关键词：舱底水系统；仿真；FLOWMASTER

管路水力计算是船舶保障系统研究的重要内容之一。传统方法基于经验公式计算不同观测点处流体压降，并以此作为评价管网设计的参考。而实际中管路及元件规格多样、空间位置分布较为复杂，单纯依靠经验公式进行水力计算过程较为繁琐，而采用试验方法虽结果准确却成本高昂。因此，使用软件在管路水力计算中进行模拟仿真对管路水力性能评估具有重要意义[1]。FLOWMASTER[2]是一款适用范围广泛的流体系统仿真软件[3]，能够通过流体网络分析方法完成流体系统的计算与分析，并参考模拟结果改进管路设计[4]。本文主要对比传统经验公式计算方法与FLOWMASTER模拟仿真在某型船舱底水系统中的应用。

1某型船舱底水系统问题

舱底水系统是重要的保船系统，要求该系统在船舶正常航行时，不仅对水密舱室内生成的舱底水能有效地排除，而且在紧急情况下，对水密舱室在有限进水情况下也能进行有效地排水[5]。该系统一般由排水泵、滤器、阀件及管路等元件组成。舱底水系统的功能决定了排水泵应尽可能靠近需要依靠其抽出舱底水的舱室。若多个舱室部位设有吸口并汇至同一根总管，则理论上应将该管路中排水泵布置在与各吸口等距处[6]。

某型船在底舱上方的冷站(位于左舷)与电站(位于右舷)中设有一段舱底水管路，在抽水工况下与船上其他系统的接口通过截止阀隔开，选取其中工作管段如图1所示。

图1　某型船冷站与电站内舱底水管路

两舱内包含吸口的支路通过截止止回阀，经舱底水总管接至同一台舱底排水泵。原设计中两舱各设置一台排水泵，而由于舱室设备与管路布置困难，只能安装一台排水泵在冷站内靠近左舷的位置，导致电站内靠近右舷处的吸口与其距离较远(水平距离大于16 m)。此前采用相似设计舱底水系统的船出现过吸力不足的情况，为此需要核算该系统能否保证每个吸头处吸力。

2舱底水系统管网计算与仿真

2.1基于传统经验公式的管网计算

基于传统经验公式的管路水力计算主要通过沿程阻力及局部阻力计算出整个管路的阻力。

沿程阻力也称摩擦阻力Δpm(Pa)，直管段沿程阻力可按下式计算[7]。

(1)

式中：λ——摩擦阻力系数，m；

v——水的流速，m/s；

ρ——水的密度，kg/m3；

d——管道直径，m；

R——比摩组，Pa/m；

l——管道长度，m。

水在管内流动过程中，当遇到各种配件如弯头、三通、阀门等时，由于摩擦和涡流而导致的能量损失称为局部压力损失，简称局部阻力Δpj。局部阻力可按下式计算。

(2)

式中：ζ——管道配件局部阻力系数。

局部阻力也可以用相同管径直管段的长度来表示，称为局部阻力当量长度ld(m)。

(3)

式中：d——管道直径，m。

在实际计算中，R、ζ和ld值可通过查表获取。在管路阻力计算中还需要考虑竖直方向高度变化带来的压力变化。

排水泵吸上真空度为7 m水头，额定流量为0.02 m3/s，该段舱底水主管路内径102 mm，主管路计算流速为1.41 m/s，比摩阻为304 Pa/m，吸口支管路内径84 mm，计算得出支管路流速为2.08 m/s，则比摩阻为893 Pa/m；截止阀局部阻力系数取0.2，主管路截止阀为DN100的球阀，局部阻力为198.81 Pa，支管路截止阀为DN80的截止阀，局部阻力为432.64 Pa；滤器局部阻力系数取2.5，则局部阻力为2 485.13 Pa；DN100的45°弯头局部阻力当量长度为2.59 m，90°弯头局部阻力当量长度为2.04 m；DN80的90°弯头局部阻力当量长度为1.52 m；三通处支路流向主路局部阻力系数为1.50，主路方向局部阻力系数为0.10。以此计算各吸口处真空度：

(4)

式中阻力含义如图2所示p0、p1、p2及p3分别表示排水泵入口、吸口1、吸口2和吸口3处的真空度，∑Δp为各段管路的阻力。

计算结果显示，吸口1、2、3处真空度(水头)分别为4.697、3.664和2.213 m。

2.2基于FLOWMASTER的管网仿真

FLOWMASTER是基于D.S.Miller的著作Internal Flow Systems中损失系数部分发展而来的面向工程的流体系统仿真软件包。它采用了流体网络分析方法，该方法将系统简化为一系列的节点和管段连接而成，对节点作了如下假定：①节点具有一定容积，节点内的流体处于均匀状态(节点内各个物理量处处相等)；②流体质量的积存只能在节点内部，全部流动阻力集中在支路上[8]。

设某管网由B条管段，N+1个节点构成，则其数学模型如下。

式中：A——管网的N×B阶关联矩阵；

G——支路流量，为B阶列向量；

M——节点质量，N阶列向量；

AT——管网的B×N阶关联矩阵;

S——各支路阻力系数，B×B阶对角阵；

Z——管段高度差，B阶列向量；

DH——各支路上动力源的升压，B阶列向量；

L——各管段的流感，在数值上等于流量变化1单位时引气的压力变化量；

H——各节点的焓值；

p——节点处的压力；

ρ——节点处的流体密度；

g——重力加速度。

图2　管路真空度与阻力示意

事实上，式(5)就是流体力学连续性方程、动量方程和能量方程的网络表达形式，FLOWMASTER就是联立求解上述方程组，求得问题的解[9]。

针对该段舱底水系统管路进行建模[10]，选取的模型组件包括储液器，用于模拟舱底水和排出水；离心泵，用于模拟排水泵；截止阀，用于模拟截止阀和滤器；弯头、三通和刚性圆形截面管段等。管路模型见图3。

图3　FLOWMASTER管路模型

选择不可压缩流体稳态仿真进行模拟，按照管路各组件规格设置对应参数：排水泵额定流量40 m3/h，额定扬程65 m；管路内径为DN100对应102 mm，DN80对应84 mm，管路当量绝对粗糙度为0.5 mm；主管路截止阀类型选球阀，开度设为1，用于模拟滤器的截止阀开度设为0.73，3个支管路开度依次设为1，其余为0，共分3组。按照管路空间位置设置各连接节点处高度参数。

仿真运算完成后可以直接调取压降、流速和流量等参数显示在管路图中(三通两口间压降无法直接显示)，本文仅选取待核查的流阻结果如下，图中单位均为105Pa。

1)吸口1处真空度为0.530 2×105Pa=5.302 m水头。

图4　吸口1管路沿程阻力

2)吸口2处真空度为0.444 4×105Pa=4.444 m水头。

图5　吸口2管路沿程阻力

3)吸口3处真空度为0.252 2×105Pa=2.522 m水头。

图6　吸口3管路沿程阻力

2.3计算与仿真结果对比

首先，两种方法的计算结果均表明，该段管路设计能够满足舱底水系统需要。

其次，传统方法与模拟仿真在阀件、弯头等位置流阻结果差异较直管段更为明显，分析可能原因是仿真的流速结果及流体模型均与传统方法计算时选取的有所差异。

3结论

基于FLOWMASTER的管路模拟仿真结果与基于传统经验公式的计算结果差距在可接受范围内，认为模拟仿真结果具有一定可靠性。

传统方法只能计算管路流阻，而模拟仿真则能够同时获取整个管路模型中任意位置的流速、流量和压力等相关水力参数。且利用FLOWMASTER完善的模型库和功能模块可以较为方便的完成建模与数据处理等过程，简化了设计人员对管路的研究工作。在全船性分布的复杂程度更高的管网系统中使用FLOWMASTER软件进行水力计算将具有多方面优势，能够为管网系统的快速迭代优化设计提供可靠参考。

参考文献

[1] 邹俊杰.船舶舱底污水系统的仿真研究[J].船海工程,2008，37(4):35-38.

[2] 刘振东.专业热流体系统仿真平台Flowmaster[J].CAD/CAM与制造业信息化,2011(11):22-27.

[3] 梅星新,汤玲迪,汤跃.FLOWMASTER在空调冷水系统水力平衡中的应用[J].暖通空调,2014(4):92-95.

[4] 施红,蒋彦龙,刘志丽,等.SIMULATION OF BLEED AIR BEHAVIOR DURING AIRCRAFT IN FLIGHT BASED ON FLOWMASTER[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,Jun， 2013(2):132-138.

[5] 黄恒祥,叶令况,张富华,等.船舶设计实用手册轮机分册[M].北京:国防工业出版社,1999.

[6] 焦震宇,刘惠.流体仿真软件Flowmaster在冷却水泵配置分析中的应用[J].冶金动力,2009(4):89-93.

[7] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[8] 张光鹏,许诺,张武平.FLOWMASTER在暖通空调中的应用[J].制冷与空调,2006(3):34-36.

[9] 方成跃,赵观辉.管道内波速变化对水锤现象的影响分析[J].中国舰船研究,2012(6):71-77.

[10] 杜延超.城市供水管网优化设计计算[J].西南民族大学学报(自然科学版),2008(3):552-559.

Simulation of Bilge Water System in a Ship Based on FLOWMASTER

XU Peng1, FAN Hao2

(1 Office of Military Representatives in No.426 Factory, Dalian Liaoning 116005, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Since a pump of the bilge water system on a ship is far away from where bilge suctions are installed, it is necessary to calculate the effective suction. By comparing the pipenet hydraulics calculated results using FLOWMASTER simulation to that using the traditional method based on empirical formula, the reliability of FLOWMASTER simulation for the pipeline hydraulics is verified.

Key words:bilge water system; simulation; FLOWMASTER

中图分类号：U664.5

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0086-04

第一作者简介：徐鹏(1980-)，男，学士，工程师E-mail:fanhiro@live.cn

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.023

修回日期：2016-01-21

研究方向:舰船日用水系统