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(shí)間變化的真實(shí)流動(dòng)現(xiàn)象的能力。對(duì)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(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)： 根據(jù)所要分析的現(xiàn)象明確分析目標(biāo)（如泵的啟動(dòng)過程，閥的關(guān)閉過程等）； 考慮管道長(zhǎng)度和波傳播速度對(duì)計(jì)算時(shí)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(shí)，需進(jìn)行參數(shù)的靈敏度分析。引起強(qiáng)烈壓力波動(dòng)的原因壓力波或流體瞬態(tài)

2、特性，是由于流動(dòng)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(yùn)動(dòng)流體（或該流體能夠產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)）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(dòng)能、流體和管壁的應(yīng)力勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的。一個(gè)流體的擾動(dòng)導(dǎo)致擾動(dòng)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(dòng)與停機(jī)、系統(tǒng)中急劇的溫度變化等都會(huì)引起強(qiáng)烈的壓力波動(dòng)。波的傳遞與最大壓力變化估計(jì)以閥門為例，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，壓力波在管道中向上和向下傳播。此時(shí)，在擾動(dòng)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(gè)簡(jiǎn)單理論非常有用，但在實(shí)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(dòng)的“快速”、“緩慢”和“極慢”變化“快速”事件 “快速”事件是指流動(dòng)變化發(fā)生的時(shí)間小于1個(gè)波動(dòng)傳播周期。此時(shí)，最大壓力變化值可由Joukowsky方程計(jì)算，管道必須按照彈性管道模型進(jìn)行模擬?！熬徛笔录?“緩慢”事件是指流動(dòng)變化發(fā)生的時(shí)間大于1個(gè)波動(dòng)傳播周期，但小于500個(gè)波動(dòng)傳播周期。此時(shí)，最大壓力變化值的計(jì)算是在按照快速事件計(jì)算得到壓

4、力變化值上乘以某一系數(shù)。當(dāng)流動(dòng)變化時(shí)間為23個(gè)波動(dòng)傳播周期時(shí)，壓力損失可以忽略，當(dāng)大于10個(gè)波動(dòng)傳播周期時(shí)，就可以應(yīng)用剛性假設(shè)，并采用剛性管道模型?！皹O慢”事件 “極慢”事件是指流動(dòng)變化發(fā)生的時(shí)間大于500個(gè)波動(dòng)傳播周期。此時(shí)，最大壓力變化值和流動(dòng)速度變化成比例，并和波傳播速度相互獨(dú)立，需要采用剛性管道模型進(jìn)行模擬。壓力傳播速度-計(jì)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(jì)算，該公式適用于計(jì)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(jì)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(shí)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(dòng)，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(jì)時(shí)，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?yàn)檫@樣可以大大縮短計(jì)算時(shí)間。該模型可用于以下幾種仿真計(jì)算中： 質(zhì)量振動(dòng) 長(zhǎng)系統(tǒng)中的短管道 “緩慢”事件彈性管道計(jì)算模型該模型用來模擬包含流體流動(dòng)（或能夠產(chǎn)生流動(dòng)）的管道的彈性效應(yīng)。這里運(yùn)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(shí)間進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：S 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù) L 管道長(zhǎng)度 (m)a 波速 (m/s) t 時(shí)間步長(zhǎng) 在模擬彈性管道時(shí)，S必須在大于3的整數(shù)的0.2范圍內(nèi)。彈性管道計(jì)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(shí)間步長(zhǎng)； 對(duì)管道長(zhǎng)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(huì)有10左右的誤差，因此波速的微小調(diào)整不會(huì)影響整體計(jì)算精度。閥門瞬態(tài)計(jì)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(shí)需要輸入一些其他參數(shù)，如特征作用時(shí)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(dòng)。它也可以用來模擬幾點(diǎn)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(diǎn)的最大壓力。另一種模擬氣穴的簡(jiǎn)單方法是激活相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)蒸發(fā)選項(xiàng)。泵的瞬態(tài)計(jì)算模型 邏輯狀態(tài) -1 : 泵以衡定轉(zhuǎn)度運(yùn)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(yùn)行通過定義轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)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(yùn)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(jì)算模型在瞬態(tài)分析時(shí)，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