基于Flowmaster的提灌站穩(wěn)態(tài)和 過渡過程仿真軟件開發(fā)

盧 珍，周小波，李光輝，曾文明，李玉玲，阮紅麗，梁 君，趙九洲，陳小明，郭躍生

(1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610066；2.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039； 3.宜賓市翠屏區(qū)農(nóng)林畜牧局，四川 宜賓 644000)

提灌站是解決丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在確保糧食安全生產(chǎn)方面擔(dān)負(fù)著重要作用。在提灌站方案設(shè)計(jì)中，泵的選型、管道匹配、閥門類型、閥門關(guān)閉規(guī)律以及水錘防護(hù)措施等是否合理，依據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算較為復(fù)雜。若設(shè)計(jì)方案不合理，可能導(dǎo)致提灌站抽不上水或者運(yùn)行工況不滿足要求，還可能存在一些安全隱患，甚至導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)生水錘事故，最終造成大量財(cái)力、物力和人力的損失[1]。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)研究方法，數(shù)值模擬仿真具有研究周期短、成本低、可預(yù)見性以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中的一個(gè)重要工具[2-5]。

作者利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合Flowmaster流體系統(tǒng)仿真軟件，應(yīng)用可視化編程技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)專門針對(duì)提灌站穩(wěn)態(tài)和過渡過程運(yùn)行的仿真軟件，為提灌站工程設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)較為方便快捷、安全可靠的設(shè)計(jì)方案優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的提前預(yù)測和修改完善，從而有效降低設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高工程運(yùn)行可靠性。

1 Flowmaster軟件的介紹

Flowmaster軟件是全球著名的一維流體系統(tǒng)仿真分析軟件，具有計(jì)算效率高、求解結(jié)果精確、建模方式快捷、軟件接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，具備開放而多樣的聯(lián)合仿真接口開發(fā)能力，易于實(shí)現(xiàn)軟件集成與半實(shí)物仿真。目前已被汽車、能源動(dòng)力、航空航天等諸多行業(yè)的各種流體系統(tǒng)所采用。該軟件提供了豐富多樣的元件，可以計(jì)算分析流體系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如開啟和關(guān)閉閥門、改變泵轉(zhuǎn)速時(shí)流體系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)處運(yùn)行參數(shù)變化。根據(jù)對(duì)流體系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行精確的計(jì)算分析，工程師可以快速地進(jìn)行流體系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。

2 仿真軟件的開發(fā)

2.1 仿真軟件的特點(diǎn)

該仿真軟件的特點(diǎn)是參數(shù)設(shè)置方便和計(jì)算效率高，登錄該軟件后，無需再搭建管路模型，只需直接選擇需要的管路模型，通過輸入水泵、管道、閥門等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)以及邊界條件和計(jì)算條件，通過運(yùn)行仿真，即可進(jìn)行設(shè)計(jì)方案穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算確定，過渡過程運(yùn)行工況下事故停泵后水泵流量變化、水泵轉(zhuǎn)速變化、止回閥后壓力變化以及壓力最大值的計(jì)算確定，通過穩(wěn)態(tài)和過渡過程的計(jì)算結(jié)果，即可判定設(shè)計(jì)方案的合理性，從而有效提高設(shè)計(jì)方案的可靠性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 軟件開發(fā)思路

采用Flowmaster組建提灌站管路系統(tǒng)計(jì)算模型，并將其作為計(jì)算核心，在后臺(tái)運(yùn)行計(jì)算。利用VB.NET面向?qū)ο蟮目梢暬幊烫攸c(diǎn)開發(fā)軟件登錄界面、前處理輸入界面、計(jì)算界面和后處理輸出界面等用戶交互界面，借助Flowmaster開放的聯(lián)合仿真接口開發(fā)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。仿真軟件開發(fā)流程見圖1。

圖1 仿真軟件開發(fā)流程Fig.1 Development flow chartof simulation software

2.3 組建提灌站管路系統(tǒng)模型

提灌站水力系統(tǒng)由進(jìn)水池、進(jìn)水鋼管、水泵、閘閥、止回閥、出水鋼管、出水池等組成。根據(jù)實(shí)際的提灌站水力系統(tǒng)組成，確定計(jì)算類型，在Flowmaster中組建提灌站水力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和過渡過程計(jì)算模型，然后將計(jì)算模型打包，存放到指定位置，仿真計(jì)算過程中再用相關(guān)程序調(diào)用對(duì)應(yīng)水力模型。

在組建提灌站水力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和過渡過程計(jì)算模型過程中，進(jìn)水池和出水池采用壓力源邊界條件代替。提灌站水力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型和過渡過程計(jì)算模型見圖2。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型需去掉控制器組件。

圖2 提灌站水力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和過渡過程計(jì)算模型Fig.2 Hydraulic system steady state calculation modelof pump station 注：1-壓力源；2-鋼管；3-彎頭；4-鋼管；5-大小頭；6-水泵；7-大小頭；8-彎頭；9-閘閥；10-止回閥；11-彎頭；12-鋼管；13-壓力源；14-控制器。

2.4 界面設(shè)計(jì)

采用VB.NET進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，主要包括登錄界面、主界面、前處理界面、計(jì)算界面和后處理界面。

(1)登錄界面。通過在登錄界面輸入用戶名和密碼即可登錄仿真軟件。登錄界面見圖3。

圖3 登錄界面Fig.3 Login interface

(2)主界面。主界面主要具有新建、打開、保存文件以及選擇進(jìn)入前處理界面、計(jì)算界面和后處理界面的功能。主界面見圖4。

圖4 主界面Fig.4 Main interface

(3)前處理界面。前處理界面包括管路模型選擇界面和參數(shù)輸入界面。

管路模型選擇界面有IS泵管路模型、S型泵管路模型、D型泵管路模型3種，用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。管路模型選擇界面見圖5。

圖5 管路模型選擇界面Fig.5 Pipe model selection interface

確定管路模型的代碼如下：

If ListBox1.SelectedIndex = 0 Then

IS_selected = True

S_selected = False

D_selected = False

ElseIf ListBox1.SelectedIndex = 1 Then

IS_selected = False

S_selected = True

D_selected = False

ElseIf ListBox1.SelectedIndex = 2 Then

IS_selected = False

S_selected = False

D_selected = True

End If

參數(shù)輸入界面包括管路系統(tǒng)計(jì)算模型、計(jì)算類型選擇、元件參數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)輸入3個(gè)區(qū)域，其功能可以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)計(jì)算工況下，對(duì)管道、閥門、水泵等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)輸入以及計(jì)算條件的設(shè)置，也可以實(shí)現(xiàn)在瞬態(tài)計(jì)算工況下，對(duì)管道、閥門、水泵等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)輸入以及閥門關(guān)閉規(guī)律、計(jì)算條件的設(shè)置。參數(shù)輸入界面見圖6。

圖6 參數(shù)輸入界面Fig.6 Parameter input interface

參數(shù)寫入到變量代碼如下：

If mark = 1 Then

source_A_total_pressure = DataGridView2.Rows(0).Cells(1).Value

ElseIf mark = 2 Then

pipe_A_length = DataGridView2.Rows(0).Cells(1).Value

pipe_A_diameter = DataGridView2.Rows(1).Cells(1).Value

ElseIf mark = 3 Then

bend_A_diameter = DataGridView2.Rows(0).Cells(1).Value

bend_A_deflection_angle = DataGridView2.Rows(1).Cells(1).Value

bend_A_radius_diameter = DataGridView2.Rows(2).Cells(1).Value

ElseIf mark = 4 Then

pipe_B_length = DataGridView2.Rows(0).Cells(1).Value

pipe_B_diameter = DataGridView2.Rows(1).Cells(1).Value

ElseIf mark = 5 Then

gradual_A_length = DataGridView2.Rows(0).Cells(1).Value

gradual _A_minor_diameter = DataGridView2.Rows(1).Cells(1).Value

gradual _A_major_diameter = DataGridView2.Rows(2).Cells(1).Value

ElseIf mark = 6 Then

pump_rated_flow = DataGridView2.Rows(0).Cells(1).Value

pump_rated_head = DataGridView2.Rows(1).Cells(1).Value

pump_rated_speed = DataGridView2.Rows(2).Cells(1).Value

pump_rated_power = DataGridView2.Rows(3).Cells(1).Value

pump_initial_speed = DataGridView2.Rows(4).Cells(1).Value

(4)計(jì)算界面。點(diǎn)擊計(jì)算按鈕后，計(jì)算界面可顯示計(jì)算進(jìn)度，計(jì)算界面的功能是通過聯(lián)合仿真接口與Flowmaster軟件進(jìn)行參數(shù)傳輸，調(diào)用Flowmaster軟件進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)行計(jì)算。計(jì)算界面見圖7。

圖7 計(jì)算界面Fig.7 Calculation interface

以下以IS型泵管路模型開發(fā)流程為例進(jìn)行介紹。

IS型泵穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序開發(fā)流程：①加載IS型泵管路特性曲線計(jì)算模型；②創(chuàng)建Suter-M、Suter-H曲線；③仿真平臺(tái)與Flowmaster之間參數(shù)傳遞；④不同流量下管路系統(tǒng)壓降計(jì)算，確定管路系統(tǒng)水頭特性；⑤加載IS型泵管路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型；⑥仿真平臺(tái)與Flowmaster之間參數(shù)傳遞；⑦計(jì)算系統(tǒng)流量、各元件流速、雷諾數(shù)、壓降，確定IS泵運(yùn)行工況。

不同流量下管路系統(tǒng)壓降計(jì)算代碼如下：

For i = 0 To 9

source1 = net.Component("1")

source1.UseAppUnitSet = True

source1.SetLineBySearch("", "Mass Flow Rate")

flowrate(i) = D_max_flowrate * 998 / 10 + i * D_max_flowrate * 998 / 10

source1.SetCLValue(flowrate(i))

source1.SaveChanges()

inde1 = res.ComponentIndex(2)

inde2 = res.ComponentIndex(3)

inde3 = res.ComponentIndex(4)

inde4 = res.ComponentIndex(5)

inde5 = res.ComponentIndex(6)

inde6 = res.ComponentIndex(7)

inde7 = res.ComponentIndex(8)

inde8 = res.ComponentIndex(9)

inde9 = res.ComponentIndex(10)

pressure_drop(0) = res.ComponentValue(inde1, 401, 1, 0)

pressure_drop(1) = res.ComponentValue(inde2, 401, 1, 0)

pressure_drop(2) = res.ComponentValue(inde3, 401, 1, 0)

pressure_drop(3) = res.ComponentValue(inde4, 401, 1, 0)

pressure_drop(4) = res.ComponentValue(inde5, 401, 1, 0)

pressure_drop(5) = res.ComponentValue(inde6, 401, 1, 0)

pressure_drop(6) = res.ComponentValue(inde7, 401, 1, 0)

pressure_drop(7) = res.ComponentValue(inde8, 401, 1, 0)

pressure_drop(8) = res.ComponentValue(inde9, 401, 1, 0)

For j = 0 To 8

pressure_drop_sum(i) = D_pressure_drop_sum(i) + D_pressure_drop(j)

Next

計(jì)算系統(tǒng)流量、各元件流速、雷諾數(shù)、壓降，確定IS泵運(yùn)行工況代碼如下：

res_pipe1_pressure_drop = Math.Round(res.ComponentValue(index1, 401, 1, 0), 6)

res_pipe1_reynolds_number = Math.Round(res.ComponentArmValue(index1, 2, 91, 0))

res_pipe1_velocity = Math.Round(res.ComponentArmValue(index1, 2, 206, 0), 6)

res_pipe2_pressure_drop = Math.Round(res.ComponentValue(index2, 401, 1, 0), 6)

res_pipe2_reynolds_number = Math.Round(res.ComponentArmValue(index2, 2, 91, 0))

res_pipe2_velocity = Math.Round(res.ComponentArmValue(index2, 2, 206, 0), 6)

res_pipe3_pressure_drop = Math.Round(res.ComponentValue(index3, 401, 1, 0), 6)

res_pipe3_reynolds_number = Math.Round(res.ComponentArmValue(index3, 2, 91, 0))

res_pipe3_velocity = Math.Round(res.ComponentArmValue(index3, 2, 206, 0), 6)

res_bend1_pressure_drop = Math.Round(res.ComponentValue(index4, 401, 1, 0), 6)

res_bend1_reynolds = Math.Round(res.ComponentArmValue(index4, 2, 91, 0))

res_bend1_velocity = Math.Round(res.ComponentArmValue(index4, 2, 206, 0), 6)

IS型泵瞬態(tài)計(jì)算程序開發(fā)流程：①加載IS型泵管路系統(tǒng)瞬態(tài)計(jì)算模型；②創(chuàng)建Suter-M、Suter-H曲線和閥門開度曲線opening；③仿真平臺(tái)與Flowmaster之間參數(shù)傳遞；④瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長設(shè)置；⑤計(jì)算閥門關(guān)閉后節(jié)點(diǎn)壓力變化和泵轉(zhuǎn)速、流量變化。

瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間步長設(shè)置代碼如下：

gendat = net.GeneralData

gendat.SetLineBySearch("", "Simulation Start Time")

gendat.SetCLValue(opening_curve(0, 0))

gendat.SaveChanges()

gendat.SetLineBySearch("", "Simulation End Time")

gendat.SetCLValue(opening_curve(num_of_openingcurve1 - 1, 0))

gendat.SaveChanges()

gendat.SetLineBySearch("", "Time Step")

gendat.SetCLValue(Time_step)

gendat.SaveChanges()

計(jì)算閥門關(guān)閉后節(jié)點(diǎn)壓力變化和泵轉(zhuǎn)速、流量變化代碼如下：

com_num_of_atr = res.ComponentNumberOfAttribValues(index1, 9)

res_pump_volumeflow_ST = res.ComponentArmTimeHistory(index1, 2, 202)

res_pump_speed_ST = res.ComponentTimeHistory(index1, 9, com_num_of_atr)

index2 = res.NodeIndex(10)

res_node_10_pressure = res.NodeTimeHistory(index2, 294)

test = res.ComponentNumberOfAttribValues(index1, 206)

(5)后處理界面。后處理界面包括穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面和瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面。

穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面包括計(jì)算結(jié)果、特性曲線、管路系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型3個(gè)區(qū)域，其功能可以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)計(jì)算工況下，提灌站管路系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)的流量、功率、效率等關(guān)鍵參數(shù)的輸出和顯示，以及水泵特性曲線和管路特性曲線的顯示。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面見圖8。

瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面包括計(jì)算結(jié)果和管路系統(tǒng)瞬態(tài)計(jì)算模型2個(gè)區(qū)域，其功能可以實(shí)現(xiàn)在瞬態(tài)計(jì)算工況下，事故停泵后，蝶閥后壓力變化曲線以及最大壓力值的輸出和顯示，水泵轉(zhuǎn)速變化曲線、水泵流量變化曲線的輸出和顯示。瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面見圖9。后處理界面開發(fā)流程圖見圖10。

判斷計(jì)算類型代碼如下：

If IS_ selected = True Then

If Model_IS_SS_checked = True Then

IS穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果.ShowDialog()

ElseIf Model_IS_ST_checked = True Then

IS泵瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果.ShowDialog()

End If

ElseIf S_ selected = True Then

If SModel_IS_SS_checked = True Then

S穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果.ShowDialog()

ElseIf SModel_IS_ST_checked = True Then

S泵瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果.ShowDialog()

End If

圖8 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面Fig.8 Steady state calculation results output interface

圖9 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果輸出界面Fig.9 Transient state calculation results output interface

圖10 后處理輸出界面開發(fā)流程Fig.10 Development flow chart of post-processing output interface

ElseIf D_ selected = True Then

If Model_D_SS_checked = True Then

D穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果.ShowDialog()

ElseIf Model_D_ST_checked = True Then

D泵瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果.ShowDialog()

End If

End If

輸出各元件壓降、雷諾數(shù)等計(jì)算結(jié)果代碼如下：

TextBox1.Text = res_pipe1_pressure_drop * 100

Label1.Text = "壓降"

TextBox2.Text = res_pipe1_reynolds_number

Label2.Text = "雷諾數(shù)"

TextBox3.Text = res_pipe1_velocity

Label3.Text = "流速"

確定蝶閥后最大壓力代碼如下：

res_node_10_ pressure_max = res_node_10_ pressure(0, 1)

res_node_10_ pressure_min = res_node_10_ pressure(0, 1)

For i = 1 To node_10_length1-1

If res_node_10_ pressure(1, i) > res_node_10_ pressure_max Then

res_node_10_ pressure_max = res_node_10_ pressure(1, i)

End If

If res_node_10_ pressure(1, i) < res_node_10_ pressure_min Then

res_node_10_ pressure_min = res_node_10_ pressure(1, i)

End If

Next

3 現(xiàn)場測試與計(jì)算案例對(duì)比

為了分析仿真軟件的計(jì)算精度是否滿足要求，以某提灌站管路系統(tǒng)為計(jì)算對(duì)象，提灌站基本參數(shù)見表1。首先在提灌站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，進(jìn)行現(xiàn)場測試，然后在仿真軟件上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，最后將現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和仿真軟件計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果見表2。

表1 提灌站基本參數(shù) m

表2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與仿真軟件計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Thesimulation data Compared with the test data

由表2可知，該提灌站管路系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，現(xiàn)場測試的水泵實(shí)際工作流量為682.17 m3/h，仿真軟件計(jì)算的水泵實(shí)際工作流量為672.84 m3/h，仿真軟件計(jì)算的流量結(jié)果比現(xiàn)場測試的流量小了9.33 m3/h，仿真計(jì)算誤差為-1.37%；現(xiàn)場測試的水泵實(shí)際工作揚(yáng)程為32.48 m，仿真軟件計(jì)算的水泵實(shí)際工作揚(yáng)程為33.86 m，仿真軟件計(jì)算的揚(yáng)程比現(xiàn)場測試的揚(yáng)程高了1.38 m，仿真計(jì)算誤差為+4.24%。水泵實(shí)際工作流量和實(shí)際工作揚(yáng)程的仿真計(jì)算誤差較小，仿真計(jì)算結(jié)果具有實(shí)際參考價(jià)值。

4 結(jié) 語

基于flowmaster的提灌站穩(wěn)態(tài)和過渡過程運(yùn)行仿真軟件界面設(shè)計(jì)簡單、友好。該軟件專業(yè)性強(qiáng)、計(jì)算速度快、計(jì)算精度高，設(shè)計(jì)人員僅需輸入水泵、管道、閥門等設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)以及邊界條件和計(jì)算條件即可進(jìn)行運(yùn)行仿真計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)人員即可判斷設(shè)計(jì)方案的合理性，若設(shè)計(jì)方案不合理，便可快速地進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改完善。可作為提灌站工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)選型時(shí)參考。

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