技术分享 | Flomaster稳态与瞬态仿真

在船舶行业，设计流体系统时面临着诸多工程问题，包括以下几种：

（1）耗能问题

在整船上，有各种泵、压缩机等数十台之多，这些部件的耗功很大，达数百千瓦至数千千瓦。通过与国外同吨位船舶相比，我国设计的船舶整船耗电量在大数十千瓦至数百千瓦，造成整船经济性指标较低。

（2）部件匹配问题

流体系统中涉及到各种各样的流体部件、控制元件、机械电子元件，如泵、换热器、各种节流阀、单向阀、节流孔板等，供应商通常能够给出各个部件的性能数据，但这些部件构成船舶上的某个系统之后，系统性能如何，即各个元件之间的匹配特性，目前尚无法得知。

（3）汽蚀问题

由于受船舶总体布置的影响，管路设计时要考虑泵的汽蚀。通常泵厂家都能提供泵的汽蚀余量，但在传统的手工计算中无法精确计算泵入口水压，尤其是在变工况时，这样，在选泵时只能加大余量。

（4）瞬态问题

在流动和换热问题中，经常遇到瞬态问题，如压载水、流体货物的装载和卸载等。由于在整个过程中水位、压力等一直在变化，或者由于控制调节造成的阀门开度变化、泵转速变化（包括泵的启停）等，也会造成压力、流量变化，因此，手工计算是无法实现的。

（5）船舶管网水锤和气锤问题

在船舶管网系统中，由于部件的动态过程（如水泵转速的变化、水泵的启停、阀门开度的调节等）引起的压力波动（水锤、汽锤现象），这类问题也是无法通过手工计算的方法解决的。

（6）换热问题

对于整船的热管理也是一个很大的问题。传统的手工计算，仅能对稳定的流动进行计算，对于换热计算，仅能估算，准确度比较低，尤其是当系统中换热设备较多时，会出现有的设备过热，有的设备过冷的现象。

另外，油、化学品等的物性是受温度影响的，在手工计算过程中，仅能按照某一固定温度下的物性来计算，而不能考虑其变化。

SimcenterFlomaster热流体系统仿真软件，能够对各种复杂的热流体系统进行仿真分析，计算得出系统各支路和各元件的压力、流量、温度等运行参数。在进行换热计算时，可考虑元件与流体介质及环境的传导换热、对流换热及辐射换热，同时还考虑温度变化对流体介质物性的影响以及引起的流体相态变化。软件也可以基于搭建的系统模型开展各种类型的计算分析，例如可压与不可压缩稳态或瞬态、换热、配平、填充计算等。

可解决的典型工程问题如下：

• 精确预测各系统压力、温度、流速、流量等参数变化

• 部件选型设计与系统匹配分析

• 阻力压差平衡计算

• 水泵能耗计算

• 水系统流量、阻力、压力分析

• 通风系统流量及阻力分配分析

• 水锤计算及抑制分析

船舶冷却系统

下面我们使用Flomaster进行稳态与瞬态仿真计算，展示其有关操作。

当我们搭建完系统模型，元件参数也输入完毕时，需要在网络视图窗口“SimulationData”中选择仿真计算类型：

仿真计算类型选择

其中多达15种仿真计算类型，根据设计的流体系统与仿真目标进行合理选择。

稳态系统一般是指只考虑系统当前时刻的状态，同时设计手册中的公式大部分也只能计算稳态系统。在稳态仿真计算时，系统模型输入边界一般为定值，仿真结果也为定值。不考虑结果随时间的变化。

仿真对象：此算例以某燃料系统通过油泵与油箱输送油料为例，进行某工况下的稳态分析，如图1.1所示。系统具体工作原理为：4号油泵将1号油箱内的燃油压入2号油箱，1号油箱和2号油箱的油料靠重力作用可以流进3号油箱，5号油泵将3号油箱内的燃油压出，送至8号燃油消耗处，多余燃油通过9号与10号管路分别回至1号油箱与2号油箱。

图1.1目标模型

仿真目的：观察与分析燃料系统各处的稳态流量与压力分布情况

仿真类型：不可压缩稳态

参数输入完毕，提交仿真运算，待仿真结束后，观察燃料系统的压力和流量分布。如图1.2、1.3所示。

图1.2压力分布

图1.3流量分布

模型计算能正常运行，结果符合预测。

系统的瞬态特性是指系统的性能不仅与当前时刻的状态有关，还与之前时刻有关，强调系统在一段时间内的演变过程。其中，系统的负荷和响应都会随时间变化。

仿真对象：两个泵从水池向外泵水，每个泵的出口都设有单向阀，之后汇为一个总管，并由总管分为两路向水池供水，第一个供水池、泵及单向阀位于参考水平面，两个用水池中上方水池在高于参考面50m的工作平面上，下方水池位于低参考面40m的工作平面上。流向低处用水池的支路受阀门控制。

系统仿真时间为10秒，初始时两个水泵均正常工作、阀门完全打开。阀门在开始的2秒钟内逐渐关闭，2秒钟后，一个水泵停止工作。本算例将研究在阀门下游是否产生气穴现象，因此将阀门下游节点的参数设置为”Auto-vapourisation”。

图1.4干管泵水系统

提交仿真后，观察通过管路11的流量与管路内部压力，下图为仿真结果：

图1.5通过管路11的流量与管路内部压力

再观测阀门下游节点的仿真结果，查看是否产生气穴：

图1.6阀门下游产生气穴

由以上仿真结果可知，Flomaster可以很好地模拟流体系统的瞬态特性，并模拟在流体系统中容易发生的水锤和气穴效应。

气穴现象将产生极为严重的影响，可以在此系统中采用下列措施防止气穴的产生：

• 减缓阀门动作；

• 在控制阀下游设置泄气阀；

• 在控制阀处设置稳压气罐。

SimcenterFlomaster的易用性非常强，研究人员只需根据实际系统选择相应元件即可快速搭建成一个完整的系统模型，并以此模型开展各种类型的计算分析。通过对SimcenterFlomaster的合理运用，可以起到在系统设计时部件选型和匹配、预测研发设备的性能、设计方案优化等诸多功效，为系统设计带来极大便利。