管系水力计算软件开发

何春平 林楚霞

摘 要：本文利用Visual Basic语言编写了一款可以进行管系水力计算的软件，用于校核管系流量、选取管径和泵的参数等，辅助管系设计。

关键词：Visual Basic；管系水力计算；管系设计

中图分类号：U664.84 文献标识码：A

Abstract： This paper describes the development of a software for piping hydraulic calculation with Visual Basic language， which will be used to assist piping design， such as to check the flow of piping system and to choose the pipe dimensions and the pump parameters，etc.

Key words： Visual Basic； Piping hydraulic calculation； Piping design

1 前言

管系生产设计中，有时会遇到管路中流体实际压力、流量不能满足设计要求的情况。此时，传统的方法只能根据粘性流体力学进行手工计算，验证管系设计是否存在问题。但是，船舶管路长度长、形状复杂，而用于水力计算的公式繁琐，在校核流量时还需进行反复的迭代，导致手工计算过程耗时耗力、出错率较高。

本文针对上述问题，利用Visual Basic语言编写了一款管系水力计算软件。使用者只需在软件界面选择其所要实现的功能，并输入软件计算时需要的已知参数，即可快速计算出结果，准确高效。

2 理论基础

管系水力计算的核心问题是确定沿程损失系数和局部损失系数。局部损失系数可通过查表快速得出；手工计算沿程损失系数时，一般根据流体雷诺数、管径和管壁粗糙度查询莫迪图得出。

3 软件开发

3.1 软件结构

本软件结构如图1所示。

3.2 软件功能

根据不同的输入参数和计算结果，本软件可实现下列三种功能：

（1）已知特定流体在管路中的流量，计算该流体在管路中损失的压头。可用于确定泵的参数；

（2）管路入口压力一定时，计算特定流体在该管路中的流量。可校核流量是否满足设备要求；

（3）多支路管系流量或阻力损失计算。可用于复杂管系计算。

3.2.1 阻力损失计算

计算阻力时，读取在阻力计算界面中输入的流量和管路参数，计算出雷诺数Re。再根据上文公式，计算沿程阻力损失系数λ；查表得局部阻力损失系数；按下式计算出管路阻力后直接输出计算结果，即为总阻力损失。

3.2.2 流量计算

计算流量时，读取在流量计算界面中输入的流量初始值和管路参数，按照上述方法计算出管路阻力Rc，并与界面中输入的阻力值Rp进行对比。若Rc>Rp则增加流量，每次增加的流量值为输入的步长；若Rc

3.2.3 多支路管系计算

多支路管系是船舶管系最常见的系统，如淡水驳运系统、冷却水系统、压载水系统、燃油驳运系统等。计算多支路管系时，先将管系简化为计算模型（如图2中所示）。该模型主要由n路支管和n台用水设备组成，假定每台用水设备皆位于该支路最高点，则设备之后的管路阻力可忽略不计，设备出水口水压为零。每台用水设备都有额定流量和阻力，设备实际流量只有不小于额定流量时，设备才能正常工作。因此，软件以各台设备额定流量为迭代初始值进行计算。计算过程中，根据各支路交点处压力相同，使用伯努利方程迭代求解各支路流量。

计算过程中，首先计算出管系末端第n台和第n-1台设备所在支路阻力Rn、R n-1。若Rn>Rn-1则增大第n-1台设备流量；若Rn

然后，将这两台设备组成的管路作为一路支管与第n-2台设备所在支路进行迭代计算，其阻力分别为C1、R n-2。当C1与R n-2误差大于设定的阈值时，若C1>R n-2 则增大第n-2台设备流量；若C1

依此类推，直到第1台设备所在支管与另外n-1台设备组成的管路迭代计算完成之后，方可求出管路的总流量和总阻力。

3.3 计算结果显示

计算结果在软件界面的灰色文本框中显示。除了提供各个计算功能的目标值，计算中间值（如流速、雷诺数、沿程损失系数等）也将在独立的区域显示，方便使用者选取。

4 计算实例

由于多支路管系的手工计算过于冗长，限于篇幅，下面以简单管路为例验证软件计算的正确性。

一条镀锌管路，已知管长l=120 m、管径d=0.2 m，管路有10个90o的弯头，弯头弯曲半径R=0.22 m，管路入口泵的水头为6.5 m、出口水头为2 m，出口与入口高差1.5 m。计算该管路中水的流量。

查表得镀锌管管壁绝对摩擦度为ε=0.39 mm，水的运动粘度ν=1×10-6 m/s，d/R=1.1的90o的弯头局部损失系数ζ=0.355。

由于总阻力损失计算值，因此管路中流量需加大。试取Q=170 m3/h，继续上述步骤的计算过程，直到计算值与实际值差值在可接受的范围内。

经过3次迭代之后，当Q=190 m3/h、h1=2.92 m時， h1h =0.97，误差在允许的范围内，此值即为所求的流量。

5 结论

本文利用Visual Basic语言编写的管系水力计算软件，实现了参数化计算船舶管系阻力和流量等功能，减少了手工计算量，计算快捷准确；对复杂的船舶管系进行简化建模，可进行多支路管系的流体力学计算，计算结果可用于泵的选型或管系校核。