03-flowmaster稳态与瞬态仿真

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1、Flowmaster稳态与瞬态仿真北京海基科技发展有限责任公司Flowmaster工程师：黄宏艳稳态仿真稳态算例1稳态算例2稳态算例3稳态算例4瞬态仿真瞬态仿真Flowmaster瞬态分析模块提供了分析基于时间变化的真实流动现象的能力。对于其中某些元件，为了进行瞬态分析，还需要增加一些参数。在建立瞬态分析模型时，需要注意以下几点：•根据所要分析的现象明确分析目标（如泵的启动过程，阀的关闭过程等）；•考虑管道长度和波传播速度对计算时间的影响。如果有可能，将两段或多段管道合并成一条管道，忽略较短的管道，另外，可以将某些管道按刚性进行模拟；•当数据不足或不确

2、定时，需进行参数的灵敏度分析。引起强烈压力波动的原因压力波或流体瞬态特性，是由于流动变化引起的特定流体中压力变化的传播。任何系统，只要包含运动流体（或该流体能够产生运动）流过管道或通道，都能产生压力波。其他用来表征压力波的术语还有水力瞬态特性或水锤等。压力的变化是由于流体的动能、流体和管壁的应力势能之间的相互转换而产生的。一个流体的扰动导致扰动区域流体压力的变化，然后，该压力变化以压力波的形式在流体中传播。阀门开度的突然变化、泵、涡轮等部件的启动与停机、系统中急剧的温度变化等都会引起强烈的压力波动。波的传递与最大压力变化估计以阀门为例，当阀门关闭时，压

3、力波在管道中向上和向下传播。此时，在扰动处的压力变化最大，其值可由Joukowsky方程得到：其中：Δp压力变化量；ρ液体密度；a波传播速度；Δv流体速度变化用液柱高度表示压力，则Joukowsky方程可表示为：其中：ΔH液柱高度；g重力加速度这个简单理论非常有用，但在实际系统流体瞬态特性分析中，还要考虑以下因素：•波的反射•管道摩擦损失•气穴（如果发生）流动的“快速”、“缓慢”和“极慢”变化“快速”事件“快速”事件是指流动变化发生的时间小于1个波动传播周期。此时，最大压力变化值可由Joukowsky方程计算，管道必须按照弹性管道模型进行模拟。“缓慢”

4、事件“缓慢”事件是指流动变化发生的时间大于1个波动传播周期，但小于500个波动传播周期。此时，最大压力变化值的计算是在按照快速事件计算得到压力变化值上乘以某一系数。当流动变化时间为2－3个波动传播周期时，压力损失可以忽略，当大于10个波动传播周期时，就可以应用刚性假设，并采用刚性管道模型。“极慢”事件“极慢”事件是指流动变化发生的时间大于500个波动传播周期。此时，最大压力变化值和流动速度变化成比例，并和波传播速度相互独立，需要采用刚性管道模型进行模拟。压力传播速度-计算公式估算压力波传播速度的方法主要有两种，一种是根据公式计算，该公式适用于计算任意流

5、体通过不同任意材料管道的波速；另一种方法是通过查表得到，该方法只适用于计算水中的波速。压力传播速度-水管中的波速下图显示了水流过不同材料的管道时的压力波传播速度。横坐标表示的是管道内径和壁厚的比值。纵坐标表示材料的杨氏模量，右侧坐标给出了不同材料的杨氏模量范围。瞬态管道模型在瞬态分析中，Flowmaster提供了以下四种管道模型：•刚性管•自适应管•弹性管•可变波速管刚性管道模型该模型用来模拟管道中的不可压流动，这里不考虑流体和管道的弹性效应。当弹性效应可以忽略不计时，用户可以用该模型模拟管道中流体的摩擦和惯性效应。如上文所述，在某些类型的瞬态事件中，

6、用户可以考虑使用刚性模型，因为这样可以大大缩短计算时间。该模型可用于以下几种仿真计算中：•质量振动•长系统中的短管道•“缓慢”事件弹性管道计算模型该模型用来模拟包含流体流动（或能够产生流动）的管道的弹性效应。这里运用了特征线法，因此用户需要定义网络模型中所有弹性管道的网格尺度。为了准确给出弹性管道的网格尺度，用户需要专门安排时间进行计算，计算公式如下：S网格节点数L管道长度(m)a波速(m/s)△t时间步长在模拟弹性管道时，S必须在大于3的整数的±0.2范围内。弹性管道计算模型要想使所有管道的S值满足限制条件，用户需要不断调整L，a和Δt的值，用户可按

7、照以下方法进行：•设置合适的时间步长；•对管道长度进行微小调整；•将管道末端处理成刚性管，使主管段满足S的限制条件；•调整波传播速度。一般来说，波速的估算会有10％左右的误差，因此波速的微小调整不会影响整体计算精度。阀门瞬态计算模型瞬态分析中控制阀的开启状态可以通过控制阀元件从参数输入表格输入，也可以通过外部控制器进行控制。单向阀用于瞬态分析时需要输入一些其他参数，如特征作用时间等。进气和放气阀（空气阀门）用来模拟系统容腔和外部气罐之间的气体流动。它也可以用来模拟几点上气穴的产生和消失，这里可以设置阀门开启压力等于蒸气压，关闭压力大于所连接节点的最大压

8、力。另一种模拟气穴的简单方法是激活相应节点的自动蒸发选项。泵的瞬态计算模型•逻辑状态-1:泵以