基于 Flowmaster 的通風管路虛擬實驗開發與研究

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

基于 Flowmaster 的通風管路虛擬實驗開發與研究

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，四川 綿陽 621010）

針對通風管路的實際實驗難以設計與開發，提出一種建立于虛擬實驗平臺上的通風管路實驗。以通風管路的比例調節法為例，詳細介紹了借助一維流體系統仿真解算工具Flowmaster搭建通風管路虛擬實驗的步驟。最后通過數據分析得出，利用虛擬實驗進行比例調節法的管網，管網的運行工況已經較好地達到了設計工況，調試后風量與設計風量的誤差不到1%。

虛擬實驗； 通風管路； 比例調節法

本文提出了一種基于 Flowmaster 的通風管路虛擬實驗，作為一種新穎的實驗教學手段，在不費一絲一毫實驗器材和實驗場地的情形下，依然能夠為學生構建一個完善的通風管路虛擬實驗環境，同時能夠指導學生運用所學對實際問題學會分析和處理。通過虛擬實驗的優勢，能夠舉一反三，使工程人員對相似情況依然能夠依此方法有清晰的判斷和處理手段。

1 虛擬實驗室與Flowmaster軟件

虛擬實驗[1-4]是借助多媒體仿真以及虛擬現實技術而產生和發展的一種實驗模式。它起源于 20 世紀末，是以計算機為控制中心，利用軟件技術構建系統的邏輯結構模型，協調相關硬件設備技術形成虛擬實驗系統，并通過計算機網絡形成虛擬實驗系統網絡化，就可以讓學生通過計算機操作，像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或訓練效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。它是計算機技術、虛擬現實技術、人機交互技術結合的產物，也是教育領域應用信息技術的一種創新。虛擬實驗是虛擬現實在教育重要應用領域，并逐步成為科學實驗和科學研究中強有力的工具。

Flowmaster 是當今全球最為著名的熱流體系統仿真分析軟件，以其高效的計算效率、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 Flowmaster 公司開發，目前已被 Mentor Graphic 公司收入門下，2004 年海基科技引入國內。

Flowmaster 是全球領先的一維流體系統仿真解算工具，是面向工程的完備的流體系統仿真軟件包，對于各種復雜的流體系統，工程師可以利用 Flowmaster 快速有效地建立精確的系統模型，并進行完備的分析。

在管網設計的過程中，可以通過合理選擇管徑等措施，盡可能達到在設計工況下的水力平衡。但由于管徑規格的限制，管網設計時并不能完全實現管網系統的水力平衡，造成系統在運行時發生水力失調。在常見的枝狀通風管路中，常常發生距離動力源較近的支路流量過大，而較遠的流量不足的水力失調現象。因此，在管網安裝完成后必須進行初始調節，對各管段的阻力特性和流量進行一次全面的調整，使其達到設計要求。在實際工程的通風管路中應用較多的是比例調節法[5]。但是對于通風管路，管路系統復雜且龐大，實地調試費時費力，并且其風量、壓力等參數實驗測試誤差大，各調節閥以及相應的測量儀器固有的誤差難以避免，使得通風管路調試效果難以保證。

2 通風管路調節原理

現以一個簡化的氣體管路[6](圖 1)來說明比例調節法的原理和步驟。如圖 1 所示是一個具有兩個支路和風口的簡單機械送風系統。當風機啟動后，打開總風閥，并將三通調節閥(圖 2)置于中間位置，測出此時兩支管的風量，記為 LA和 LB，其計算式見式(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之間的比例關系也就不會發生變化。由此可見，若設計的風量為 LA0和 LB

0，即使測出的風量與設計風量不同，只要調整兩風口的出風量達到 LA/LB= LA0/LB

0，再調節總風閥改變系統的總風量，使 LA=LA0或 LB=LB

0，即達到了設計要求，調試才告完成。式(1)這種按比例調節的方法為枝狀管網的流量調試提供了有效的手段。

圖1 風量調節示意

圖2 三通調節閥

3 構建模型

構造圖 3 的通風管網[2]，說明了比例調節法的實際應用。

圖3 通風管網初調節示意圖

假定該系統除總風閥外在三通管 A、B 處及各風口支管處，裝有三通調節閥(或其他類型的調節閥)。風量調整前，三通閥置于中間位置。

3.1 Flowmaster建模

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

圖4 通風管網在 Flowmaster 中的模型

由于重點放在氣體管路風量的比例調節上，風機提供的風量用風量源元件進行了替代，在 Flowmaster 中暫時沒有適用于氣體管路的三通調節閥，這里以兩個蝶閥來替換一個三通調節閥，其初始條件下每個蝶閥都處于全開狀態，即開度取 1。

3.2 技術路線圖

技術路線圖見圖 5。

圖5 技術路線圖

3.3 參數設置

圖5 中 F 表示的是風量源元件，由設計值取 2 800 m3/h；各管道統一選擇 Flowmaster 可壓縮管道中的“Pipe∶Cylindrical Gas”元件，為了便于分析和計算，長度統一取 5 m，Friction Data 里面選擇 Colebrook-White equation 即 Flowmaster 里提供的第一種計算管道摩擦阻力的方法，查表得管道絕對粗糙度取 0.002 5 mm，Hazen-Williams Friction Coefficient 取 110，Friction Factor 取 0.02。每段風管的直徑由各分口的設計風量所決定，因此由設計風速可以很快的計算得到各管段的直徑。計算結果如表 1 所示。

表1 風管水力計算表

對照表 1 便可以把對應管道的直徑進行輸入。在可壓縮管道的計算過程中，Flowmaster 要求對管道內的流動條件進行定義，并且此處忽略管道對外界的傳熱，因此在 Compressible Flow Process 選擇了第 4 種，即Adiabatic (絕熱)過程。各出風口由壓力源元件 P 進行代替，能測出各出風口的風量。對于各管道前的閥門開度都取 1，閥門直徑取對應管道的直徑。計算類型選擇第 8 種Compressible Steady State，其他選項取默認值。

4 模型調試

在初始條件下，保持各閥門的開度取 1，運行模型進行計算，可以得到最初管網風量分配的初測結果。初測結果如表 2 所示。

表2 管網風量分配的初測結果

分析表 2 的初測數據，發現該管網的風量分配時是各支管最遠風口的風量最小，同時支路間的風量分配是支路Ⅰ、Ⅱ較少，同時支路Ⅰ、Ⅱ的風量分配完全一致，這是因為以支路 1、2 前面的節點來分析，給定的參數取得都是一樣的，所以支路 1、2 的阻抗完全是一致，又由前面的公式可知風量分配必然是一致的。同樣的情況可以在支路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的風口 1 與風口 2，風口 5 與風口 6，風口 9 與風口 10之間發現，原理也是一樣。這也從側面證明了 Flowmaster可以用于氣體管路的比例調節法的模擬。

依據比例調節法的原理，此時，以風口 2 為基準，將風口 3 的風量調到與風口 2 相等，具體做法就是通過調節相應節點前面的蝶閥改變風口 3 這一支路前面的阻抗，使得兩阻抗的比值為 1，進而調節風口 4 的風量調到與風口 3相等，以此類推，將支管 1 上所有風口的風量調整均勻。采用同樣的方法分別將支路 2、3 的各風口風量比調整到設計比例。最后分別以 1、9 風口(或 5、9 風口)為代表，調節相應節點前的閥門使各支管間的風量分配達到 2∶2∶3的設計要求。這樣風量分配的調整才告完成。最后調整總風閥，使總風量調整到設計風量，整個管網的風量調整才告完成。

通過對相應節點前的閥門開度的調節，最后得到了管網調試后的風量分配結果，見表 3。由表 3 可見，通過比例調節法的運用，管網的運行工況已經較好地達到了設計工況，調試后風量與設計風量的誤差不到1%。

應用 Flowmaster 對比例調節法進行模擬仿真，對于實際工程的設備調試，將會顯著提高工程人員的工作效率，并且很直觀地指出問題存在的地方，取得了事半功倍的效果。

表3 調試結束后管網風量分配的結果

5 結 語

利用一維流體仿真軟件 Flowmaster 建立管網模型是一種切實可行的教學手段，可以有效彌補真實實驗效果不明顯的不足。基于 Flowmaster 的流體管網虛擬實驗，不僅可以運用于可壓縮流體中通風管路的風量調試，還可以對不可壓流體的管路，以及多相流的管路進行模擬，同時運用瞬態計算算法，得出流體的不同瞬態參數。

對于實際的工程項目，在人工繁瑣的調試前，同樣可以運用這種模擬方法對系統進行一次有效的計算模擬，可以有效地幫助工程人員對系統進行認識和分析，并且能夠大致明晰問題的癥結所在，從而高效完成系統調試任務。顯然事前的模擬調試將對實際工程的運行調試更具指導意義并提高效率。因此，該方法的提出不僅能夠很好地輔佐教學，對于工程實際問題也有廣泛的推廣價值。

[1]單美賢, 李藝. 虛擬實驗原理與教學應用[M]. 北京:教育科學出版社,2005.

[2]楊英慧,周振軍, 張君維. 基于網絡的虛擬實驗技術的應用分析[J].實驗技術與管理,2005,22(9):68-70.

[3]孫燕蓮,韓 巍,文福安.構建仿真實驗系統關鍵技術的研究[J]. 實驗技術與管理,2007,17(3):75-78.

[4]王鴻灝,上官右黎.計算機網絡虛擬實驗系統的設計與實現[J]. 計算機科學,2007,34(7).

[5]秦繼恒,安愛明.空調水系統水力平衡調節[J].暖通空調,2012.

[6]付祥釗,肖益民.流體輸配管網[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

TU50

A

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

2015-11-20

付鍇，現就讀于西南科技大學。作者通信地址：四川省綿陽市涪城區青龍大道中段59號西南科技大學，郵編：621010。