FlowSystem軟件元件庫的開發(fā)與應(yīng)用

楊瀾 YANG Lan；程會方 CHENG Hui-fang；陳健華 CHEN Jian-hua

（上海核工程研究設(shè)計院股份有限公司，上海 200233）

0 引言

核電廠涉及上百個不同功能的工藝系統(tǒng)，技術(shù)難度高，且安全問題尤其重要。這些不同功能的系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由各類管道、管件、設(shè)備、測量和控制儀表等構(gòu)成了繁雜龐大的管網(wǎng)，對核電廠的研究與設(shè)計具有重要影響。因此，對核電廠各系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到各系統(tǒng)的流動特性以評估系統(tǒng)設(shè)計方案、系統(tǒng)運行工況、流體設(shè)備性能、運行規(guī)程等，可以更好地改善及優(yōu)化各系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)而提升核電廠運行的安全性和穩(wěn)定性。

核電涉及的元件種類眾多，元件庫的完整性及計算參數(shù)的設(shè)定直接影響計算模型的搭建，是流體管網(wǎng)計算中極為重要的一環(huán)。目前較為主流的管網(wǎng)仿真分析軟件有Flowmaster、Fathom 等[1]，這些軟件為通用管網(wǎng)仿真軟件，而非針對核電開發(fā)。核電廠中的管道、管件、設(shè)備、測量和控制儀表等種類繁多[2]，而核電廠由于其特殊性，又包含一些核電廠專用的元件如穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、鼓泡器等，有必要開發(fā)更適合核電設(shè)計的元件庫。

FlowSystem（以下簡稱FS）作為一款國產(chǎn)系統(tǒng)級管網(wǎng)仿真軟件，為國內(nèi)核電及其他領(lǐng)域的流體管路設(shè)計提供了更多的選擇。FS 收集了核電設(shè)計中不同專業(yè)的流體仿真需求，并收集核電設(shè)計過程中的實際算例作為元件驗證算例，開發(fā)設(shè)計了更貼合核電設(shè)計的元件庫。該元件庫串聯(lián)起不同的元件、標(biāo)準(zhǔn)及求解器等，形成了閉環(huán)的計算體系。據(jù)此，本文將介紹FS 軟件元件庫的開發(fā)及其應(yīng)用。

1 FS 元件庫的開發(fā)

本課題開發(fā)的系統(tǒng)級管網(wǎng)仿真分析軟件，對流體管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行定性和定量的分析以及優(yōu)化設(shè)計。通過軟件對系統(tǒng)進(jìn)行精確的壓力、流量、流速、溫度分析，快速優(yōu)化設(shè)計，幫助企業(yè)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品性能，縮減產(chǎn)品開發(fā)時間和試驗次數(shù)，提高系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量。對于各種復(fù)雜的流體管網(wǎng)系統(tǒng)，工程師可以利用該軟件快速建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行各種類型的分析，并能便捷地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取、調(diào)用，基于各種歷史數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗數(shù)據(jù)提高流體管網(wǎng)系統(tǒng)分析的準(zhǔn)確性。

FlowSystem 軟件計算的基礎(chǔ)便是多種多樣的元件，在此基礎(chǔ)上通過不同組合實現(xiàn)不同工況、應(yīng)用背景的場景的模型還原，因此元件庫的開發(fā)和擴展在軟件的開發(fā)過程中占據(jù)相當(dāng)大的比重，是核心模塊。FS 在元件庫建立的前期工作中收集了各專業(yè)各系統(tǒng)的流體管網(wǎng)仿真需求，涉及如主系統(tǒng)、各輔助系統(tǒng)、暖通專業(yè)、給排水專業(yè)等，針對各專業(yè)計算需求，開發(fā)設(shè)計了上百種不同元件。元件列在FS 左側(cè)工具欄內(nèi)，如圖1 所示，分為源、節(jié)點、管道、通用彎管、管連接件、三通、四通、阻力元件、孔口元件、閥門、傳導(dǎo)元件、容器、過濾器、換熱元件等，共一百多種。此外，F(xiàn)S 針對核電設(shè)計需求開發(fā)的特殊元件有風(fēng)管元件、空調(diào)元件、消防元件、蒸汽發(fā)生器、鼓泡器等，這些元件與其他元件一起整合在工具欄內(nèi)，方便用戶計算。

圖1 元件庫界面

元件庫開發(fā)的基本功能包含界面功能、元件參數(shù)設(shè)置功能、元件關(guān)系功能及計算結(jié)果查看功能。界面功能支持元件的新建、拖拽、復(fù)制、刪除、對齊等。每個元件均具有設(shè)置功能，用戶可設(shè)置如元件的幾何參數(shù)、適用的標(biāo)準(zhǔn)等。FS可識別元件之間的邏輯關(guān)系，為計算復(fù)雜的管網(wǎng)做準(zhǔn)備。元件包含計算結(jié)果查看功能，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的計算結(jié)果查看。

流體管網(wǎng)計算中，不僅需要包含完整的元件種類，各元件涉及的算法、標(biāo)準(zhǔn)等也極大地影響著計算結(jié)果。FS 元件支持多重標(biāo)準(zhǔn)計算，在元件參數(shù)設(shè)置框中有對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)選擇欄，用戶可根據(jù)自己的需要針對特定元件選擇需要的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行求解計算。此外，F(xiàn)S 也支持用戶自定義曲線。用戶可按照規(guī)范導(dǎo)入形式將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，將曲線橫坐標(biāo)作為用戶輸入?yún)?shù)，求解器會調(diào)用此曲線，根據(jù)用戶輸入進(jìn)行插值計算調(diào)用。自定義曲線配合阻力元件使用，可形成自定義阻力元件，滿足用戶的多種計算需求。

FS 元件庫的元件種類基本涵蓋了核電系統(tǒng)設(shè)計涉及的元件種類。其元件又包含了常用的可自定義的標(biāo)準(zhǔn)曲線及參數(shù)，因此FS 元件庫既能進(jìn)行簡單算例的計算，如泵性能的計算、閥門開關(guān)時的壓降變化[3]等；也能滿足以核電工藝系統(tǒng)為單位的計算要求，如主系統(tǒng)、各類輔助系統(tǒng)、各類廢物系統(tǒng)、各類暖通系統(tǒng)和各類給排水系統(tǒng)等。目前該軟件元件計算已有各類驗證工作并完成相關(guān)驗證報告。該驗證工作選取核電設(shè)計工作中的實際算例，旨在滿足核電設(shè)計中的流體管網(wǎng)計算需求。

2 FS 元件庫的應(yīng)用

元件庫為真實流動模型提供豐富的系統(tǒng)組件，用來完成單管道系統(tǒng)的分析和多支路系統(tǒng)的分析。系統(tǒng)開發(fā)并集成多種不同的阻力/源選項，用于模擬分支中的動量源或匯。這些選項包括：一般管道、方形/橢圓/扇形截面管道、管道（含出入口損失）、薄孔口、厚孔口、一般閥門、泵（給定性能曲線），泵（給定功率）、控制閥門、換熱器和可壓縮流孔口等。用戶通過元件分類標(biāo)簽，鼠標(biāo)左鍵單擊拖動元件至模型窗口，打開元件配置選項對其參數(shù)進(jìn)行具體的設(shè)置，設(shè)置完成邊界條件及各種元件參數(shù)后，即可點擊求解計算完成，并查看計算結(jié)果。圖2 展示了包含出入口、管道及孔板的簡單算例。

圖2 簡單算例

用戶在使用FS 構(gòu)建的元件庫時，其中最重要的一點就是定義元件的參數(shù)。元件的參數(shù)多種多樣，主要參數(shù)有尺寸和數(shù)據(jù)表。對于元件涉及的標(biāo)準(zhǔn)，軟件進(jìn)行了歸納整理并形成固定選項欄在元件界面進(jìn)行顯示，讓用戶自行進(jìn)行選擇，并支持相同元件不同標(biāo)準(zhǔn)的計算求解，如圖3所示。

圖3 元件參數(shù)設(shè)置頁面

此外，軟件支持用戶在數(shù)據(jù)庫中自定義元件涉及的參數(shù)曲線，以便適應(yīng)多種計算情況，見圖4。流體系統(tǒng)中若存在流固耦合傳熱時，其中包含的導(dǎo)體包括固固傳導(dǎo)、流固傳導(dǎo)、固體環(huán)境傳導(dǎo)、輻射傳導(dǎo)等。固固傳導(dǎo)中包含的參數(shù)有傳導(dǎo)面積和傳導(dǎo)距離；流固傳導(dǎo)中包含的參數(shù)有換熱面積和換熱系數(shù)。

圖4 數(shù)據(jù)庫曲線設(shè)置頁面

各元件參數(shù)設(shè)置完畢，求解計算完成之后，可生成計算結(jié)果報告進(jìn)行查看。圖5 展示了計算結(jié)果報告中的一節(jié)，計算結(jié)果以表格的形式展現(xiàn)，該節(jié)展示了圖2 算例中編號為9 和10 的圓管中流體的流速、壓降、雷諾數(shù)、損耗系數(shù)等計算結(jié)果。

圖5 計算結(jié)果顯示

3 結(jié)論

目前較主流的流體管網(wǎng)仿真軟件的元件庫僅包含通用元件，而非針對核電開發(fā)。而核電由于其特殊性，需要使用大量的專用特殊元件，有必要針對核電設(shè)計需求開發(fā)元件庫。FS 軟件收集核電設(shè)計需求，開發(fā)了更適合核電設(shè)計的元件庫。該元件庫包含上百種不同的元件，基本涵蓋核電工藝系統(tǒng)所涉及的元件，包含了如風(fēng)管元件、空調(diào)元件、消防元件、蒸汽發(fā)生器、鼓泡器等核電設(shè)計需要的特殊元件。由于核電廠的特殊性，針對核電廠開發(fā)流體管路仿真分析軟件，可以使其元件庫更貼合核電設(shè)計，為國內(nèi)核電設(shè)計提供重要的計算工具。