基于FLOWMASTER的某型船艙底水系統(tǒng)管路仿真分析

徐　鵬,范　灝

(1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

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基于FLOWMASTER的某型船艙底水系統(tǒng)管路仿真分析

徐鵬1,范灝2

(1.海軍駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

摘要：針對某型船艙底水系統(tǒng)中排水泵布置位置距吸頭較遠，需核算最遠處吸頭吸力能否滿足需求的問題，對比基于FLOWMASTER的管路模擬仿真與基于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的管路水力計算結(jié)果，檢驗FLOWMASTER軟件在管路水力仿真計算中的可靠性。

關(guān)鍵詞：艙底水系統(tǒng)；仿真；FLOWMASTER

管路水力計算是船舶保障系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)方法基于經(jīng)驗公式計算不同觀測點處流體壓降，并以此作為評價管網(wǎng)設(shè)計的參考。而實際中管路及元件規(guī)格多樣、空間位置分布較為復(fù)雜，單純依靠經(jīng)驗公式進行水力計算過程較為繁瑣，而采用試驗方法雖結(jié)果準確卻成本高昂。因此，使用軟件在管路水力計算中進行模擬仿真對管路水力性能評估具有重要意義[1]。FLOWMASTER[2]是一款適用范圍廣泛的流體系統(tǒng)仿真軟件[3]，能夠通過流體網(wǎng)絡(luò)分析方法完成流體系統(tǒng)的計算與分析，并參考模擬結(jié)果改進管路設(shè)計[4]。本文主要對比傳統(tǒng)經(jīng)驗公式計算方法與FLOWMASTER模擬仿真在某型船艙底水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1某型船艙底水系統(tǒng)問題

艙底水系統(tǒng)是重要的保船系統(tǒng)，要求該系統(tǒng)在船舶正常航行時，不僅對水密艙室內(nèi)生成的艙底水能有效地排除，而且在緊急情況下，對水密艙室在有限進水情況下也能進行有效地排水[5]。該系統(tǒng)一般由排水泵、濾器、閥件及管路等元件組成。艙底水系統(tǒng)的功能決定了排水泵應(yīng)盡可能靠近需要依靠其抽出艙底水的艙室。若多個艙室部位設(shè)有吸口并匯至同一根總管，則理論上應(yīng)將該管路中排水泵布置在與各吸口等距處[6]。

某型船在底艙上方的冷站(位于左舷)與電站(位于右舷)中設(shè)有一段艙底水管路，在抽水工況下與船上其他系統(tǒng)的接口通過截止閥隔開，選取其中工作管段如圖1所示。

圖1　某型船冷站與電站內(nèi)艙底水管路

兩艙內(nèi)包含吸口的支路通過截止止回閥，經(jīng)艙底水總管接至同一臺艙底排水泵。原設(shè)計中兩艙各設(shè)置一臺排水泵，而由于艙室設(shè)備與管路布置困難，只能安裝一臺排水泵在冷站內(nèi)靠近左舷的位置，導致電站內(nèi)靠近右舷處的吸口與其距離較遠(水平距離大于16 m)。此前采用相似設(shè)計艙底水系統(tǒng)的船出現(xiàn)過吸力不足的情況，為此需要核算該系統(tǒng)能否保證每個吸頭處吸力。

2艙底水系統(tǒng)管網(wǎng)計算與仿真

2.1基于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的管網(wǎng)計算

基于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的管路水力計算主要通過沿程阻力及局部阻力計算出整個管路的阻力。

沿程阻力也稱摩擦阻力Δpm(Pa)，直管段沿程阻力可按下式計算[7]。

(1)

式中：λ——摩擦阻力系數(shù)，m；

v——水的流速，m/s；

ρ——水的密度，kg/m3；

d——管道直徑，m；

R——比摩組，Pa/m；

l——管道長度，m。

水在管內(nèi)流動過程中，當遇到各種配件如彎頭、三通、閥門等時，由于摩擦和渦流而導致的能量損失稱為局部壓力損失，簡稱局部阻力Δpj。局部阻力可按下式計算。

(2)

式中：ζ——管道配件局部阻力系數(shù)。

局部阻力也可以用相同管徑直管段的長度來表示，稱為局部阻力當量長度ld(m)。

(3)

式中：d——管道直徑，m。

在實際計算中，R、ζ和ld值可通過查表獲取。在管路阻力計算中還需要考慮豎直方向高度變化帶來的壓力變化。

排水泵吸上真空度為7 m水頭，額定流量為0.02 m3/s，該段艙底水主管路內(nèi)徑102 mm，主管路計算流速為1.41 m/s，比摩阻為304 Pa/m，吸口支管路內(nèi)徑84 mm，計算得出支管路流速為2.08 m/s，則比摩阻為893 Pa/m；截止閥局部阻力系數(shù)取0.2，主管路截止閥為DN100的球閥，局部阻力為198.81 Pa，支管路截止閥為DN80的截止閥，局部阻力為432.64 Pa；濾器局部阻力系數(shù)取2.5，則局部阻力為2 485.13 Pa；DN100的45°彎頭局部阻力當量長度為2.59 m，90°彎頭局部阻力當量長度為2.04 m；DN80的90°彎頭局部阻力當量長度為1.52 m；三通處支路流向主路局部阻力系數(shù)為1.50，主路方向局部阻力系數(shù)為0.10。以此計算各吸口處真空度：

(4)

式中阻力含義如圖2所示p0、p1、p2及p3分別表示排水泵入口、吸口1、吸口2和吸口3處的真空度，∑Δp為各段管路的阻力。

計算結(jié)果顯示，吸口1、2、3處真空度(水頭)分別為4.697、3.664和2.213 m。

2.2基于FLOWMASTER的管網(wǎng)仿真

FLOWMASTER是基于D.S.Miller的著作Internal Flow Systems中損失系數(shù)部分發(fā)展而來的面向工程的流體系統(tǒng)仿真軟件包。它采用了流體網(wǎng)絡(luò)分析方法，該方法將系統(tǒng)簡化為一系列的節(jié)點和管段連接而成，對節(jié)點作了如下假定：①節(jié)點具有一定容積，節(jié)點內(nèi)的流體處于均勻狀態(tài)(節(jié)點內(nèi)各個物理量處處相等)；②流體質(zhì)量的積存只能在節(jié)點內(nèi)部，全部流動阻力集中在支路上[8]。

設(shè)某管網(wǎng)由B條管段，N+1個節(jié)點構(gòu)成，則其數(shù)學模型如下。

式中：A——管網(wǎng)的N×B階關(guān)聯(lián)矩陣；

G——支路流量，為B階列向量；

M——節(jié)點質(zhì)量，N階列向量；

AT——管網(wǎng)的B×N階關(guān)聯(lián)矩陣;

S——各支路阻力系數(shù)，B×B階對角陣；

Z——管段高度差，B階列向量；

DH——各支路上動力源的升壓，B階列向量；

L——各管段的流感，在數(shù)值上等于流量變化1單位時引氣的壓力變化量；

H——各節(jié)點的焓值；

p——節(jié)點處的壓力；

ρ——節(jié)點處的流體密度；

g——重力加速度。

圖2　管路真空度與阻力示意

事實上，式(5)就是流體力學連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的網(wǎng)絡(luò)表達形式，F(xiàn)LOWMASTER就是聯(lián)立求解上述方程組，求得問題的解[9]。

針對該段艙底水系統(tǒng)管路進行建模[10]，選取的模型組件包括儲液器，用于模擬艙底水和排出水；離心泵，用于模擬排水泵；截止閥，用于模擬截止閥和濾器；彎頭、三通和剛性圓形截面管段等。管路模型見圖3。

圖3　FLOWMASTER管路模型

選擇不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)仿真進行模擬，按照管路各組件規(guī)格設(shè)置對應(yīng)參數(shù)：排水泵額定流量40 m3/h，額定揚程65 m；管路內(nèi)徑為DN100對應(yīng)102 mm，DN80對應(yīng)84 mm，管路當量絕對粗糙度為0.5 mm；主管路截止閥類型選球閥，開度設(shè)為1，用于模擬濾器的截止閥開度設(shè)為0.73，3個支管路開度依次設(shè)為1，其余為0，共分3組。按照管路空間位置設(shè)置各連接節(jié)點處高度參數(shù)。

仿真運算完成后可以直接調(diào)取壓降、流速和流量等參數(shù)顯示在管路圖中(三通兩口間壓降無法直接顯示)，本文僅選取待核查的流阻結(jié)果如下，圖中單位均為105Pa。

1)吸口1處真空度為0.530 2×105Pa=5.302 m水頭。

圖4　吸口1管路沿程阻力

2)吸口2處真空度為0.444 4×105Pa=4.444 m水頭。

圖5　吸口2管路沿程阻力

3)吸口3處真空度為0.252 2×105Pa=2.522 m水頭。

圖6　吸口3管路沿程阻力

2.3計算與仿真結(jié)果對比

首先，兩種方法的計算結(jié)果均表明，該段管路設(shè)計能夠滿足艙底水系統(tǒng)需要。

其次，傳統(tǒng)方法與模擬仿真在閥件、彎頭等位置流阻結(jié)果差異較直管段更為明顯，分析可能原因是仿真的流速結(jié)果及流體模型均與傳統(tǒng)方法計算時選取的有所差異。

3結(jié)論

基于FLOWMASTER的管路模擬仿真結(jié)果與基于傳統(tǒng)經(jīng)驗公式的計算結(jié)果差距在可接受范圍內(nèi)，認為模擬仿真結(jié)果具有一定可靠性。

傳統(tǒng)方法只能計算管路流阻，而模擬仿真則能夠同時獲取整個管路模型中任意位置的流速、流量和壓力等相關(guān)水力參數(shù)。且利用FLOWMASTER完善的模型庫和功能模塊可以較為方便的完成建模與數(shù)據(jù)處理等過程，簡化了設(shè)計人員對管路的研究工作。在全船性分布的復(fù)雜程度更高的管網(wǎng)系統(tǒng)中使用FLOWMASTER軟件進行水力計算將具有多方面優(yōu)勢，能夠為管網(wǎng)系統(tǒng)的快速迭代優(yōu)化設(shè)計提供可靠參考。

參考文獻

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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

中圖分類號：U664.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0086-04

第一作者簡介：徐鵬(1980-)，男，學士，工程師E-mail:fanhiro@live.cn

基金項目：國家部委基金資助項目

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:艦船日用水系統(tǒng)