Flowmaster元件介绍.ppt

flowmaster元件简介 北京海基科技发展有限责任公司 flowmaster工程师 黄宏艳 元件种类 流体输运类 元件种类 流体做功类 系统简化 通常在建模过程中 应尽量根据实际系统对模型进行简化 简化后的系统模型能够大大的缩短计算时间 并能够反应出系统的关键性能与主要影响因素 可以忽略系统中流动阻力较小的部件 因为忽略这些部件并不会对计算结果产生很大的影响 可以用discreteloss部件代替系统中众多的流阻元件 代替的原则是使discreteloss部件流阻等于被替代的众多部件流阻和 即替代前后系统局部的流阻 流量曲线一致 这样做将大大提供系统的计算时间和收敛性 可以用一个泵元件替代并联支路的多个泵 替代原则同样为替代前后系统局部压升 流量曲线不变 等值流阻通路 串联 并联 管道类元件 六种形状cylindricalrectangularhexagonalprismaticrotatinghoseinternalduct三种摩擦模型colebrook whitehazen williamsfixedfriction 摩擦计算模型 摩擦计算模型的选用 选项1 colebrook white模型需要给出管路内壁的表面粗糙度 在singlephase稳态计算用户手册中给出了典型材料加工工艺管路内壁表面粗糙度的数值选项2 hazen williams模型在工业水供给及水分配处理行业常使用这种模型选项3 fixedfriction固定摩擦系数当雷诺数大于re 106以后 损失系数f渐渐趋于定值 这种方法可以提高系统中含有众多管路计算所需的时间当已知系统压力梯度时 可以通过给定损失系数的方法对模型进行校正 colebrook white模型常用管道的粗糙度 管道元件的使用 弯头类 相对来说弯头为低流阻元器件 通常只有当系统整个流动损失均较小时才需要考虑弯头的影响 在较长的系统管路计算中往往可以不考虑弯头的影响 弯头流阻计算方程如下 弯头元件的使用 控制阀 阀门的开度参数即可以在参数表中直接输入 也可以通过控件进行控制 如果既在参数表中输入了开度参数 又使用控件进行控制 则控件的参数值优先级大于参数表中设定值 flowmaster提供了不同阀门的流动损失系数曲线以及损失系数随阀门开度变化曲线 详见 internalflowsystems d s miller 1stedition 阀门压力损失方程为 控制阀 y valvevariablethrottle hydraulicpowerapplications pressurereliefvalve hp pressurereducingvalve hp ballvalvebutterflyvalvegatevalveglobevalveanglevalvesluicevalve 控制阀 蝶阀 blakeborough 同心蝶阀 该种蝶阀的结构特征为阀杆轴心 蝶板中心 本体中心在同一位置上 typea 单偏心蝶阀 其结构特征为阀杆轴心偏离了蝶板中心 从而使蝶板上下端不再成为回转轴心 分散 减轻了蝶板上下端与阀座的过度挤压 typeb 双偏心蝶阀 其结构特征为在阀杆轴心既偏离蝶板中心 也偏离本体中心 typec 三偏心蝶阀 其结构特征为在双偏心的阀杆轴心位置偏心的同时 使蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线 也就是说 经过第三次偏心后 蝶板的密封断面不再是真圆 而是椭圆 其密封面形状也因此而不对称 一边倾斜于本体中心线 另一边则平行于本体中心线 控制阀 球阀 ballvalve 一般使用旋转式的执行机构globevalve 最早的调节阀阀芯型面是球型面的 现在也广泛使用活塞或薄膜执行机构 ballvalve泄漏量小 流通能力 控制阀的使用 单向阀 单向阀 swing checkvalve可用来模拟任何单向流动的阀门 比如check reflux以及non return等类型阀门 这一类型阀门的特点是通常可以由压力损失 流速曲线给定阀门的流动特性 clapper checkvalve这类阀门为swing checkvalve中的一种特例 在阀门的顶部设置一摆片并依靠流体的流动决定摆片的打开或关闭 详见联机帮助文件 摆片依靠自身重力而关闭 当出现逆流时会辅助摆片关闭 使用这种阀门需要提供更详细的阀门参数 包括阀门的水力扭矩系数与阀门开度的关系曲线 单向阀 plug checkvalve在这类阀门体内流体通道发生90 的转变 阀门内部密封销可以沿垂直方向上下移动 当密封销位于阀门体最下端时 阀门处于关闭状态 当流体上游的压力大于流体下游的压力时 密封销渐渐向上运动 此时阀门逐渐打开并最终处于平衡状态 poppetcheckvalve这类阀门可以用来模拟大部分弹簧单向阀 可以有效的阻止管路内的反向流动 只有当流体压差作用在阀门盘上的力大于弹簧压力的时候 阀门才处于打开状态 并且压差不同开度也发生变化 这个部件同样可以模拟在阀门打开间隙过程中 压力分配所引起的迟滞现象 当研究阀门部分开启时的动态响应过程时 迟滞现象将非常有意义 单向阀 simplecheckvalve与springoperatedcheckvalve这类简单的单向阀门可以用来阻止管路中的逆流 并且只有当正向压差大于设定值时 阀门才会打开 可以将两个simplecheckvalves 没有弹簧 反向设置来模拟往复阀 上述两个没有弹簧和有弹簧simplecheckvalves的主要区别在于后者在零流量的时候同样有非常显著的压力损失 当阀门处于关闭状态时 仅仅有渗漏流量 单向阀 pilotcheckvalvepilotcheckvalve为一个两支路部件 拥有两个流动端口 pilotpressure端口在阀门内部并与流体入口端相连 pilotpressure在特定条件下将使阀门处于打开状态并发生逆流 除此之外pilotcheckvalve的工作特性与simplecheckvalve一致 这类阀门的典型应用是将hydrauliccylinder锁定在固定位置 需要特别注意的是pilotpressure端并不是必要的连接端之一 需要提供的参数包括沿着自由流动方向压力损失与流量关系曲线以及pilot反向关系曲线 单向阀的使用 换向阀 方向控制阀的流动特性通过流通面积 阀芯位置 压力损失 流量两条关系曲线进行模拟 流动通道的面积由端口连接关系 阀芯位置以及通道面积开度曲线共同确定 对于相应流动通道 压力损失通过压力损失 流量特性曲线给出 特定压降下的流量 实际流量 通道面积比 换向阀 换向阀的使用 安全阀 poppetreliefvalve提动式溢流阀poppetreliefvalve用于模拟流体由系统向外排放过程 可以用于稳态和动态过程分析 poppetreliefvalve可以模拟向大气中进行排放或者不同压差间的排放 如果流经阀门的压差大于触发压力 阀门将加速打开 如果动态过程的时间步长大于阀门的动作执行时间 易引起系统分析的不稳定 pressurereliefvalve减压阀处于关闭状态时会有少量的溢流 当正向流体压差大于阀门开启压力后阀门打开 打开后的流量受阀门上下游压力 阀门流动特性曲线等因素共同影响 安全阀的使用 接头类 flowmaster器件库中的接头部件包括各种角度的t型接头以及y型接头 各种接头又分为不同的流通支路面积比 接头属于低流动损失部件 只有当接头与管路的连接损失较大时才会对系统的结果产生较大的影响 此外 建议在建模时忽略接头元件 因为增加接头元件会大大提高动态计算所需时间 在 internalflowsystems 一书中 并没有考虑支路流量小于总流量10 的情况 以及没有考虑支路面积小于干路面积20 的情况 flowmaster将对超过这些范围的流动情况根据插值进行计算 建议在系统中省略接头元件 以防引起计算收敛错误 因为当接头支路流量为零时 接头的损失也趋于零 此时省略接头元件对系统结果引起的误差是可以被忽略不记的 过渡接头类 abrupttransition突变过渡接头gradualtransition渐变过渡接头这两个部件用于模拟因管路直径发生变化而引起的流动损失 在较长管路组成的系统中 由于管路直径变化所引起的流动损失相对整个系统的流阻较小 因而建议用户在这些情况下忽略这个部件 而直接将不同直径的管路连接到同一个节点上 节流孔类 sharp edged conical 尖角圆锥型 long长孔 radiussed半径型 square方型 sharp edged standardorificeplate 尖角圆盘型 节流孔类型 节流孔类型 泵类 根据流动特点 旋转流体机械水泵可以统分为三大类 radial径流泵 mixed混流泵 axial轴流泵在数学模型选用时 是根据比转速对泵进行分类 比转速 ns 的定义 泵类 flowmaster泵参数表中要求用户输入泵特性曲线 特性曲线的格式可以为无量钢的形式 也可以为流量 扬程实际值 flowmaster能够模拟泵的串联或并联支路计算 这对多泵系统的故障诊断是非常重要的功能 然而如果泵之间的相互影响并不是主要的研究对象 建议用户采用一个等效性能的单泵替代多个泵串联或并联的情况 径流时ns 25 混流时ns 147 轴流时ns 261 混流泵使用示例 泵类 fluidpower模块中提供了三种排量泵 vane叶轮泵 piston柱塞泵 gear齿轮泵在flowmaster模型中 齿轮泵的排量是固定的 而叶轮泵和活塞泵的排量即可以是固定的也可以是变化的 排量泵使用示例 positivedisplacement data basedpump 风扇与压缩机类 轴流风机使用示例 风扇使用示例 换热器类 换热器类 水箱类 generalreservoir普通水箱 constantheadreservoir固定高度水箱 variableheadreservoir变高度水箱 finiteareareservoir特定横截面水箱 storagevessel存贮器 2 armedtank两支路水箱 3 armedtank三支路水箱 thermalexpansionreservoir热膨胀水箱 水箱类 普通水箱 固定高度水箱 变高度水箱的用法是为系统提供压力边界条件 见如下方程 普通水箱可以计算流体流进 流出水箱时的流动损失 flowmaster提供了几种常见布置形式下的特性曲线 水箱类 变高度水箱用来模拟变压力的边界条件 用户可以给定水箱液面高度随时间变化曲线 特定横截面水箱同样可以模拟流体流进 流出水箱的损失 如果水箱内流体的高度参数没有设定 flowmaster将视为该支路流量为零 并根据连接点的压力计算出零流量下水箱内液面高度 存贮器元件通常用来模拟地下液体存贮器 例如燃油的地下储存和加注过程 燃油的取出通过向存贮器一侧泵入盐水 依靠盐水的高密度将另一侧的燃油压出 实现储运过程 两支路水箱可以用来模拟任意拥有两个支路的水箱 油箱 两个支路的高度可以分别给定 水箱类 三支路水箱元件基于两支路水箱模型 三个支路的参数可以分别给定 并且每一支路的流动方程均有两支路水箱类似 三支路水箱相当于向系统提供了三个压力边界 三支路水箱与两支路水箱的主要区别在于当某一支路暴露时的流动情况 液面高度 支路高度 此时如果水箱内压力高于支路连接点的压力 flowmaster将认为该支路的流量为零 而两支路水箱在这种情况下 暴露支路仍可能具有流量 详尽联机用户手册 热膨胀水箱元件也是基于两支路水箱模型 用来模拟可变内部压力的密闭容器 容器内部流体与外界环境之间的热交换同样可以被考虑 水箱使用示例 稳压器类 airvessel储气罐bladderaccumulator气囊稳压器ventedairvessel可排放储气罐储气罐用于模拟连接于系统流体管路的固定质量气体容腔 容腔内的气体受液体截留而保持固定的质量 气囊稳压器与储气罐结构类似 不同之处在于气体是经气囊封闭 可排放储气罐是一种罐内气体的吸收或排放受液体高度影响而发生变化的稳压装置 稳压器元件的作用是保证系统的压力处于最小和最大压力限制范围内 其工作原理是当系统压力降低时储气罐膨胀来填充液体损失的空间 而当系统压力升高后储气罐被压缩 稳压器使用示例 边界源类 flowsource流量源blankend零流量边界pressuresource压力源pressureversusflowsource压力与流量关系边界controlledflowsource可控流量源controlledpressuresource可控压力源这些部件用来给定流体系统的各类边界条件 典型的情况包括 1 给定固定压力边界 从而研究系统流量与压降的关系特性 2 给定一个压力边界和流量边界 从而研究实现该流量时的驱动压力 3 泵特性模拟 给定流量源的流量为正 表示流体由流量源向系统内部流动 反之表示流体由系统流向流量源 控制器类 控制器类 控制器向所控制的器件提供控制信号 控制信号可以为 1 用户输入信号 如参数列表控制器 2 由系统的其他参数运算得到 如压力 流量等 控制器可以对不同的元件参数进行控制 但最常用的方法是对阀门开度 泵转速进行控制 而控制器可以由其他部件读入信号 从而实现输出信号与输入信号间的逻辑转换关系 控制器类 com控件 控制器类 com控件 com控件由一系列控制器 传感器等部件组成 这些控件可以与flowmaster器件库中的泵 阀门等元件进行连接 多数的com控件包含集成的控制算法来实现特定的功能 并且其中的一部分算法已经固定在控件的参数表中 从而更容易的实现相应的功能 减少用户的工作量 与自动化功能类似 控制器和传感器可以引发相应事件实现与其他程序和部件的交互 例如clock部件可以为其他部件提供时间信号 而信号发生器部件 signalgenerator 可以作为信号源使用 用户可以使用signalsplitter控件将一路信号转换为两路 recorder控件可以记录由传感器检测的部件 节点的参数信息 控制器元件使用示例 汽缸类 1rod2acting单杆双向作用2rod2acting双杆双向作用1rod1acting单杆单向作用这三个部件可以用来模拟所有的液力汽缸 水力活塞 闭锁销及执行机构等元件 也可用来模拟自由浮式活塞 可以指定汽缸杆的作用力 初始位置 初始速度等参数 出于简化设置 在汽缸元件参数表中提供了固定作用力参数 在稳态计算时经常被使用 如果需要对汽缸的位置 速度进行控制 可以使用控件实现 汽缸类 负载类 这类部件与曲线或数据表控件工作方式类似 对于给定时刻或输入的部件工作信息信号 通过用户预先设定好的关系计算出负载信号 用户可以输入载荷信号随时间的变化关系 1 通过曲线或方程的方式进行描述 2 直接指定每一个时刻对应的载荷数值 电力 机械部件 flowmaster引入了一类全新的电力 机械器件库 flowmaster在流体机械系统的设计中发挥了非常重要的作用 用户可以对流体机械 电力元件 如伺服阀