典型管网试验系统的随机负载仿真

高翔，张坤壮

武汉工程大学机电工程学院，湖北　武汉　430205

典型管网试验系统的随机负载仿真

高翔，张坤壮

武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430205

为了检验某类型船舶集中供水管网系统设计的合理性和验证数字仿真结果的准确性，设计了一套典型管网试验系统.典型管网试验系统以某型船舶集中供水系统的典型供水单元为蓝本，采用了差压式减压阀来模拟实际管网的纯水头差，采用节流阀来调节流动阻力损失，从而达到权衡考虑试验经济性与试验结果有效性的目标.设计了一套可编程控制器（PLC）控制系统，用于调节各支管的阻力特性与负载流量，检测与记录管网上各重要部位的压力与流量.通过PLC编程，利用线性同余发生器产生的随机数，实现管网对负载的随机控制，并对随机负载下的每层支管的压力与流量进行统计分析.试验结果表明，在随机负载的作用下各层支管末端的流量都充足，末端出现供水不足的估计概率很低，从而验证某类型船舶集中供水管网系统设计是合理的，在设计中进行的数字仿真结果是比较准确的.

典型管网；仿真；随机数

1　引言

船舶中存在许多复杂的管路系统，典型的有海水系统、中央冷却水系统、滑油、燃油、压载水等管路系统.船舶管网系统水力特性指管网流场中压力和流量的关系.船舶管网系统水力特性是水力计算、系统调试、系统优化设计等工程应用的理论基础，研究船舶管网系统水力特性是解决船舶管网系统应用问题的前提.

船舶特别是大型船舶的日用淡水管网系统是比较复杂的，因此设计人员在进行方案设计时通常将复杂的管网系统按船舶分段区域划分成几个或十几个独立的管网子系统，分别配套独立的集中供水单元，也称为独立的供水站［1-2］.

船舶日用淡水系统方案设计中包括两个内容，一是管网系统的设计，二是集中供水单元的性能指标参数的确定.对于不同的管网系统，首先要进行流动阻力特性的计算与仿真，再根据计算仿真结果指导设计确定配置多大流量和多大扬程的供水单元才能满足使用要求，从而确定集中供水单元的性能指标要求［3-4］.

为此，选择大型船舶供水管网系统中的一个典型管网进行研究，建造一个典型管网试验平台，为设计人员在设计大型船舶管网系统提供可靠的实验数据.

2　船舶典型管网的确定

考虑到设计大型船舶的生活用水管网比较复杂，分成12个供水管网子系统，各配置一套供水单元；为此将其中的一个作为船舶典型管网进行研究.它包括一根立干管和8层横支管（从低层向高层分别编号为#0～#7甲板支管）；将#0、#1、#2和#3甲板支管并联汇接至低区集管上；将#4、#5、#6和# 7甲板支管并联汇接至高区集管上；设置低区集管和高区集管的目的是为了均衡各支管的流量和压力，以及减少压力波动与管路振动；高区集管与低区集管之间有连通管相通，立干管与低区集管和高区集管相通，管路中设置截止阀，用于转换控制供水方式（供水支管串联、并联、混联等），如图1所示.

图1　船舶供水典型管网系统示意图Fig.1Schematic diagram of marine water supply network system

选择作为船舶供水典型管网的阻力特性主要是由各层支管的纯水头和流动阻力损失决定的.其中，若以供水站出水口作为纯水头零水位线的话，船舶典型管网各层支管的纯水头如表1所示；而流动阻力损失则是由管径、管长、变径弯头与管路中阀门的流量系数、以及各支管上用水点的流量系数等决定的［5-7］.

3　典型管网试验系统方案

3.1试验方案设计

船舶典型管网的实际结构庞大，垂直高度达23 m，搭建一个与实际结构同等大小的试验平台耗资巨大.因此在尽可能满足实际结构的前提下，减少管网支管布置的垂直高度，各层支管首部均安装差压式减压阀以补偿降低垂直高度而减少的重力压差.若以供水站出水口作为纯水头零水位线的话，降低垂直高度后的典型管网试验系统的各层支管管路的纯水头如表1所示.

每层支管与集水管之间设置差压型减压阀，以模拟实际管网各支管的层高所形成的纯水头特性，从而降低试验系统的建造成本.各层支管上的差压型减压阀的设定值如表1所示.

表1　典型管网实际与试验系统各层支管管路的纯水头Tab.1Water head of each branch pipe in real and test typical networkm

3.2随机控制功能的实现

每层支管接11个电磁阀，用以模拟用户用水.考虑到实际用户用水的随机性，需随机控制每层电磁阀的开启和关闭.随机控制的核心部分即为随机数的产生.

利用一定的算法由计算机产生一组随机数，与现实真随机数不同的是，该算法产生的随机数一旦算法固定，初值给定，产生的一组随机数序列就唯一确定，固称该随机数为伪随机数.计算机广泛采用线性同余法产生随机数，主要在于其算法简单，产生随机数速度快，占用内存少［8-10］.

总而言之，图书馆是社会公共文化资源的重要组成部分之一，其功能和宗旨就是为读者提供人性化服务，做好读者人性化服务是一项系统持久的社会服务工程。图书馆人开展读者人性化服务，以法律为依托，从人性化出发，以读者为核心，依法为读者服务，在法律规定的范围内，调动读者充分利用图书馆文献信息资源，满足读者最大需求，发挥图书馆的社会功能，依法推广全民阅读，依法保障读者合法权益顺畅无阻，促进图书馆事业科学发展，实现全民共享文献资源。

线性同余法的数学公式为X（n+1）=（a·X（n）+c）%m式中，各系数为：模m，m＞0；系数a，0＜a＜m；增量c，0≤c＜m；原始值（种子）0≤X（0）＜m.

参数c，m，a的取值比较重要，直接影响伪随机数产生的质量.一般而言，线性同余法的m是2的指数次幂（一般为232或者264），因为这样取模操作选取最右的32或64位即可.多数编译器的库中使用了该理论实现其伪随机数发生器.三菱PLC可以采用该算法产生一组随机数，每次所给的初值不同就会得到不同的随机数组，继而满足随机功能的实现.三菱FX3U系列PLC中已集成随机数指令，用户不用编辑算法，可直接调用.三菱FX3U中随机数指令为：FNC 184 RND/RNDP

这个指令产生0～32 767的伪随机数，将其数值作为随机数保存到目标元件D中.

在伪随机数系列中，每次计算出随机数的原始值，然后使用该随机数的原始值计算出伪随机数.

3.3PLC控制程序设计

PLC程序的编写采用GX Works2，该软件是三菱电机推出的三菱综合PLC编程软件，是专用于PLC设计、调试、维护的编程工具.与传统的GX Developer软件相比，提高了功能及操作性能，变得更加容易使用.

利用PLC控制每层11个电磁阀的中的一个或多个电磁阀的随机开启或关闭，并通过压力传感器和流量传感器记录每层支管的压力与流量，将记录结果保存到Excel文件中，程序流程图如图2所示.

图2　PLC程序流程图Fig.2Flowchart of PLC program

4　试验结果

典型管网每层支管所接的11个电磁阀模拟每层11个房间的用户用水.随机开启或关闭各层支管所接的11个电磁阀，试验记录了100 s内每层支管的首部和末端的压力和流量，并统计出每层支管末端流量分布，根据流量分布直方图拟合出其正太分布曲线，计算出该层支管出现供水不足（流量小于5 L/min）的概率，每层支管都用该方法进行模拟计算以得出整个典型管网试验系统的性能参数.现以其中一层支管为例进行结果分析，如#0甲层支管压力与流量曲线以及#0甲层支管末端流量分布直方图如图3、图4所示.

由图3可知，在随机负载作用下，#0甲支管首末端压力和流量以及主管压力变化趋势基本一致，都同时增大或减小，#0甲支管首末端流量基本都在10 L/min以上.

由图4可知，#0甲支管流量分布近似正态分布，流量平均值为12.372 3 L/min，出现供水不足（流量小于5 L/min）的概率为3.508 7×10-8，该概率极低，即可认为基本不会出现供水不足.

图3　#0甲支管压力与流量曲线Fig.3Curves of pressure and flow of#0 branch

图4　#0甲支管末端流量分布直方图Fig.4Flow distribution histogram at the end of#0 branch

5　结语

为大型船舶典型管网设计了一套试验系统，典型管网试验系统每层支管与集水管之间设置差压型减压阀，以模拟实际管网各支管的层高所形成的纯水头特性，降低了试验系统的垂直高度从而降低试验系统的建造成本.利用PLC随机数功能模拟实际用户随机开启和关闭电磁阀，从而测试每层支管压力和流量随时间的变化，分析统计出每层支管末端流量的分布直方图并拟合其正态分布曲线，计算出每层出现供水不足的概率，检测所试验的典型管网系统是否满足用户的正常用水.利用GX Works2的模拟调试大大缩短设计周期，更容易检验程序中的错误，保证程序的有效性和可靠性.

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本文编辑：陈小平

Simulation of Random Load of Typical Pipe Network Test System

GAO Xiang，ZHANG Kunzhuang
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

To verify the rationality of the design of the centralized water supply system on a certain type of ship and the accuracy of the numerical simulation results，we designed a typical pipe network test system，taking the typical water supply unit of a centralized water supply system on a certain type of ship as a model，using the dif⁃ferential pressure relief valve to simulate the actual water head，and using the throttle to adjust the flow resis⁃tance loss，so as to achieve the balance of economy and validity of the test.We designed a set of programmable logic controller（PLC）system for regulating the resistance characteristic and load of each branch，detecting and recording pressure and flow on the important positions of the pipe network.We realized the random controlling of load by PLC，using the random number generated by linear congruence generator，and statistically analyzing the pressure and flow of each branch under random load.The results show that the flow at the end of each branch is sufficient under random load，and the probability of water shortage at the end of each branch is very low，thus verifying that the design of water supply system on the ship is reasonable and the simulation results are accurate in the design.

typical pipe network；simulation；random number

TH39

A

10.3969/j.issn.1674⁃2869.2016.05.017

1674-2869（2016）05-0500-06

2016-07-12

高翔，博士，教授.E-mail：gxiangs@mail.wit.edu.cn