基于 Flowmaster 的通風(fēng)管路虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與研究

付 鍇，馬 立，李洪鳳，王佳妮，蘇英杰（西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010）

基于 Flowmaster 的通風(fēng)管路虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與研究

Development and Study on Ventilation Line Virtual Experiment Based on Flowmaster

付 鍇，馬 立，李洪鳳，王佳妮，蘇英杰（西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010）

針對(duì)通風(fēng)管路的實(shí)際實(shí)驗(yàn)難以設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，提出一種建立于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的通風(fēng)管路實(shí)驗(yàn)。以通風(fēng)管路的比例調(diào)節(jié)法為例，詳細(xì)介紹了借助一維流體系統(tǒng)仿真解算工具Flowmaster搭建通風(fēng)管路虛擬實(shí)驗(yàn)的步驟。最后通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比例調(diào)節(jié)法的管網(wǎng)，管網(wǎng)的運(yùn)行工況已經(jīng)較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)工況，調(diào)試后風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量的誤差不到1%。

虛擬實(shí)驗(yàn)； 通風(fēng)管路； 比例調(diào)節(jié)法

本文提出了一種基于 Flowmaster 的通風(fēng)管路虛擬實(shí)驗(yàn)，作為一種新穎的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，在不費(fèi)一絲一毫實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的情形下，依然能夠?yàn)閷W(xué)生構(gòu)建一個(gè)完善的通風(fēng)管路虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)能夠指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)對(duì)實(shí)際問(wèn)題學(xué)會(huì)分析和處理。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，能夠舉一反三，使工程人員對(duì)相似情況依然能夠依此方法有清晰的判斷和處理手段。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)室與Flowmaster軟件

虛擬實(shí)驗(yàn)[1-4]是借助多媒體仿真以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而產(chǎn)生和發(fā)展的一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。它起源?20 世紀(jì)末，是以計(jì)算機(jī)為控制中心，利用軟件技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)模型，協(xié)調(diào)相關(guān)硬件設(shè)備技術(shù)形成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)形成虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，就可以讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)操作，像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或訓(xùn)練效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)環(huán)境中所取得的效果。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，也是教育領(lǐng)域應(yīng)用信息技術(shù)的一種創(chuàng)新。虛擬實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)在教育重要應(yīng)用領(lǐng)域，并逐步成為科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究中強(qiáng)有力的工具。

Flowmaster 是當(dāng)今全球最為著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件，以其高效的計(jì)算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方式而被全球著名的公司所采用。Flowmaster 由英國(guó) Flowmaster 公司開(kāi)發(fā)，目前已被 Mentor Graphic 公司收入門(mén)下，2004 年海基科技引入國(guó)內(nèi)。

Flowmaster 是全球領(lǐng)先的一維流體系統(tǒng)仿真解算工具，是面向工程的完備的流體系統(tǒng)仿真軟件包，對(duì)于各種復(fù)雜的流體系統(tǒng)，工程師可以利用 Flowmaster 快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行完備的分析。

在管網(wǎng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以通過(guò)合理選擇管徑等措施，盡可能達(dá)到在設(shè)計(jì)工況下的水力平衡。但由于管徑規(guī)格的限制，管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)并不能完全實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡，造成系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)發(fā)生水力失調(diào)。在常見(jiàn)的枝狀通風(fēng)管路中，常常發(fā)生距離動(dòng)力源較近的支路流量過(guò)大，而較遠(yuǎn)的流量不足的水力失調(diào)現(xiàn)象。因此，在管網(wǎng)安裝完成后必須進(jìn)行初始調(diào)節(jié)，對(duì)各管段的阻力特性和流量進(jìn)行一次全面的調(diào)整，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際工程的通風(fēng)管路中應(yīng)用較多的是比例調(diào)節(jié)法[5]。但是對(duì)于通風(fēng)管路，管路系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，實(shí)地調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且其風(fēng)量、壓力等參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差大，各調(diào)節(jié)閥以及相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器固有的誤差難以避免，使得通風(fēng)管路調(diào)試效果難以保證。

2 通風(fēng)管路調(diào)節(jié)原理

現(xiàn)以一個(gè)簡(jiǎn)化的氣體管路[6](圖 1)來(lái)說(shuō)明比例調(diào)節(jié)法的原理和步驟。如圖 1 所示是一個(gè)具有兩個(gè)支路和風(fēng)口的簡(jiǎn)單機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，打開(kāi)總風(fēng)閥，并將三通調(diào)節(jié)閥(圖 2)置于中間位置，測(cè)出此時(shí)兩支管的風(fēng)量，記為 LA和 LB，其計(jì)算式見(jiàn)式(1)

式中：SC-A——支路 C-A 的阻抗；

SC-B——支路 C-B 的阻抗。

只要不改變 C-A 的阻抗和 C-B 的阻抗阻力特性，LA和 LB之間的比例關(guān)系也就不會(huì)發(fā)生變化。由此可見(jiàn)，若設(shè)計(jì)的風(fēng)量為 LA0和 LB

0，即使測(cè)出的風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量不同，只要調(diào)整兩風(fēng)口的出風(fēng)量達(dá)到 LA/LB= LA0/LB

0，再調(diào)節(jié)總風(fēng)閥改變系統(tǒng)的總風(fēng)量，使 LA=LA0或 LB=LB

0，即達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，調(diào)試才告完成。式(1)這種按比例調(diào)節(jié)的方法為枝狀管網(wǎng)的流量調(diào)試提供了有效的手段。

圖1 風(fēng)量調(diào)節(jié)示意

圖2 三通調(diào)節(jié)閥

3 構(gòu)建模型

構(gòu)造圖 3 的通風(fēng)管網(wǎng)[2]，說(shuō)明了比例調(diào)節(jié)法的實(shí)際應(yīng)用。

圖3 通風(fēng)管網(wǎng)初調(diào)節(jié)示意圖

假定該系統(tǒng)除總風(fēng)閥外在三通管 A、B 處及各風(fēng)口支管處，裝有三通調(diào)節(jié)閥(或其他類型的調(diào)節(jié)閥)。風(fēng)量調(diào)整前，三通閥置于中間位置。

3.1 Flowmaster建模

通過(guò) Flowmaster 軟件可以借助里面的元件快速搭建與圖 1 ～圖 3 擬合的通風(fēng)管路，如圖 4 所示。

圖4 通風(fēng)管網(wǎng)在 Flowmaster 中的模型

由于重點(diǎn)放在氣體管路風(fēng)量的比例調(diào)節(jié)上，風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量用風(fēng)量源元件進(jìn)行了替代，在 Flowmaster 中暫時(shí)沒(méi)有適用于氣體管路的三通調(diào)節(jié)閥，這里以兩個(gè)蝶閥來(lái)替換一個(gè)三通調(diào)節(jié)閥，其初始條件下每個(gè)蝶閥都處于全開(kāi)狀態(tài)，即開(kāi)度取 1。

3.2 技術(shù)路線圖

技術(shù)路線圖見(jiàn)圖 5。

圖5 技術(shù)路線圖

3.3 參數(shù)設(shè)置

圖5 中 F 表示的是風(fēng)量源元件，由設(shè)計(jì)值取 2 800 m3/h；各管道統(tǒng)一選擇 Flowmaster 可壓縮管道中的“Pipe∶Cylindrical Gas”元件，為了便于分析和計(jì)算，長(zhǎng)度統(tǒng)一取 5 m，F(xiàn)riction Data 里面選擇 Colebrook-White equation 即 Flowmaster 里提供的第一種計(jì)算管道摩擦阻力的方法，查表得管道絕對(duì)粗糙度取 0.002 5 mm，Hazen-Williams Friction Coefficient 取 110，F(xiàn)riction Factor 取 0.02。每段風(fēng)管的直徑由各分口的設(shè)計(jì)風(fēng)量所決定，因此由設(shè)計(jì)風(fēng)速可以很快的計(jì)算得到各管段的直徑。計(jì)算結(jié)果如表 1 所示。

表1 風(fēng)管水力計(jì)算表

對(duì)照表 1 便可以把對(duì)應(yīng)管道的直徑進(jìn)行輸入。在可壓縮管道的計(jì)算過(guò)程中，F(xiàn)lowmaster 要求對(duì)管道內(nèi)的流動(dòng)條件進(jìn)行定義，并且此處忽略管道對(duì)外界的傳熱，因此在 Compressible Flow Process 選擇了第 4 種，即Adiabatic (絕熱)過(guò)程。各出風(fēng)口由壓力源元件 P 進(jìn)行代替，能測(cè)出各出風(fēng)口的風(fēng)量。對(duì)于各管道前的閥門(mén)開(kāi)度都取 1，閥門(mén)直徑取對(duì)應(yīng)管道的直徑。計(jì)算類型選擇第 8 種Compressible Steady State，其他選項(xiàng)取默認(rèn)值。

4 模型調(diào)試

在初始條件下，保持各閥門(mén)的開(kāi)度取 1，運(yùn)行模型進(jìn)行計(jì)算，可以得到最初管網(wǎng)風(fēng)量分配的初測(cè)結(jié)果。初測(cè)結(jié)果如表 2 所示。

表2 管網(wǎng)風(fēng)量分配的初測(cè)結(jié)果

分析表 2 的初測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該管網(wǎng)的風(fēng)量分配時(shí)是各支管最遠(yuǎn)風(fēng)口的風(fēng)量最小，同時(shí)支路間的風(fēng)量分配是支路Ⅰ、Ⅱ較少，同時(shí)支路Ⅰ、Ⅱ的風(fēng)量分配完全一致，這是因?yàn)橐灾?1、2 前面的節(jié)點(diǎn)來(lái)分析，給定的參數(shù)取得都是一樣的，所以支路 1、2 的阻抗完全是一致，又由前面的公式可知風(fēng)量分配必然是一致的。同樣的情況可以在支路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的風(fēng)口 1 與風(fēng)口 2，風(fēng)口 5 與風(fēng)口 6，風(fēng)口 9 與風(fēng)口 10之間發(fā)現(xiàn)，原理也是一樣。這也從側(cè)面證明了 Flowmaster可以用于氣體管路的比例調(diào)節(jié)法的模擬。

依據(jù)比例調(diào)節(jié)法的原理，此時(shí)，以風(fēng)口 2 為基準(zhǔn)，將風(fēng)口 3 的風(fēng)量調(diào)到與風(fēng)口 2 相等，具體做法就是通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)前面的蝶閥改變風(fēng)口 3 這一支路前面的阻抗，使得兩阻抗的比值為 1，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)口 4 的風(fēng)量調(diào)到與風(fēng)口 3相等，以此類推，將支管 1 上所有風(fēng)口的風(fēng)量調(diào)整均勻。采用同樣的方法分別將支路 2、3 的各風(fēng)口風(fēng)量比調(diào)整到設(shè)計(jì)比例。最后分別以 1、9 風(fēng)口(或 5、9 風(fēng)口)為代表，調(diào)節(jié)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)前的閥門(mén)使各支管間的風(fēng)量分配達(dá)到 2∶2∶3的設(shè)計(jì)要求。這樣風(fēng)量分配的調(diào)整才告完成。最后調(diào)整總風(fēng)閥，使總風(fēng)量調(diào)整到設(shè)計(jì)風(fēng)量，整個(gè)管網(wǎng)的風(fēng)量調(diào)整才告完成。

通過(guò)對(duì)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)前的閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)，最后得到了管網(wǎng)調(diào)試后的風(fēng)量分配結(jié)果，見(jiàn)表 3。由表 3 可見(jiàn)，通過(guò)比例調(diào)節(jié)法的運(yùn)用，管網(wǎng)的運(yùn)行工況已經(jīng)較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)工況，調(diào)試后風(fēng)量與設(shè)計(jì)風(fēng)量的誤差不到1%。

應(yīng)用 Flowmaster 對(duì)比例調(diào)節(jié)法進(jìn)行模擬仿真，對(duì)于實(shí)際工程的設(shè)備調(diào)試，將會(huì)顯著提高工程人員的工作效率，并且很直觀地指出問(wèn)題存在的地方，取得了事半功倍的效果。

表3 調(diào)試結(jié)束后管網(wǎng)風(fēng)量分配的結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

利用一維流體仿真軟件 Flowmaster 建立管網(wǎng)模型是一種切實(shí)可行的教學(xué)手段，可以有效彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果不明顯的不足。基于 Flowmaster 的流體管網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以運(yùn)用于可壓縮流體中通風(fēng)管路的風(fēng)量調(diào)試，還可以對(duì)不可壓流體的管路，以及多相流的管路進(jìn)行模擬，同時(shí)運(yùn)用瞬態(tài)計(jì)算算法，得出流體的不同瞬態(tài)參數(shù)。

對(duì)于實(shí)際的工程項(xiàng)目，在人工繁瑣的調(diào)試前，同樣可以運(yùn)用這種模擬方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一次有效的計(jì)算模擬，可以有效地幫助工程人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)識(shí)和分析，并且能夠大致明晰問(wèn)題的癥結(jié)所在，從而高效完成系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)。顯然事前的模擬調(diào)試將對(duì)實(shí)際工程的運(yùn)行調(diào)試更具指導(dǎo)意義并提高效率。因此，該方法的提出不僅能夠很好地輔佐教學(xué)，對(duì)于工程實(shí)際問(wèn)題也有廣泛的推廣價(jià)值。

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1674-814X(2017)02-0059-04

2015-11-20

付鍇，現(xiàn)就讀于西南科技大學(xué)。作者通信地址：四川省綿陽(yáng)市涪城區(qū)青龍大道中段59號(hào)西南科技大學(xué)，郵編：621010。