基于Flowmaster的提灌站穩態和 過渡過程仿真軟件開發

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

(1.四川省農業機械研究設計院，成都 610066；2.西華大學能源與動力工程學院，成都 610039； 3.宜賓市翠屏區農林畜牧局，四川 宜賓 644000)

提灌站是解決丘陵地區農業灌溉用水的重要基礎設施，在確保糧食安全生產方面擔負著重要作用。在提灌站方案設計中，泵的選型、管道匹配、閥門類型、閥門關閉規律以及水錘防護措施等是否合理，依據相關公式進行計算較為復雜。若設計方案不合理，可能導致提灌站抽不上水或者運行工況不滿足要求，還可能存在一些安全隱患，甚至導致在實際運行中發生水錘事故，最終造成大量財力、物力和人力的損失[1]。

近年來，隨著計算機科學技術的飛速發展，數值模擬仿真技術已廣泛應用于各個領域。相比于傳統研究方法，數值模擬仿真具有研究周期短、成本低、可預見性以及可靠性高等優點，已成為工程設計和科學研究中的一個重要工具[2-5]。

作者利用計算機仿真技術，結合Flowmaster流體系統仿真軟件，應用可視化編程技術，開發了一個專門針對提灌站穩態和過渡過程運行的仿真軟件，為提灌站工程設計人員提供一個較為方便快捷、安全可靠的設計方案優化工具，實現對設計方案的提前預測和修改完善，從而有效降低設計成本和設計風險，提高工程運行可靠性。

1 Flowmaster軟件的介紹

Flowmaster軟件是全球著名的一維流體系統仿真分析軟件，具有計算效率高、求解結果精確、建模方式快捷、軟件接口豐富等優點，具備開放而多樣的聯合仿真接口開發能力，易于實現軟件集成與半實物仿真。目前已被汽車、能源動力、航空航天等諸多行業的各種流體系統所采用。該軟件提供了豐富多樣的元件，可以計算分析流體系統的運行情況，如開啟和關閉閥門、改變泵轉速時流體系統各節點處運行參數變化。根據對流體系統中各個環節的參數進行精確的計算分析，工程師可以快速地進行流體系統的優化設計[6]。

2 仿真軟件的開發

2.1 仿真軟件的特點

該仿真軟件的特點是參數設置方便和計算效率高，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、閥門等設備的關鍵參數以及邊界條件和計算條件，通過運行仿真，即可進行設計方案穩態運行情況下實際運行工況點參數的計算確定，過渡過程運行工況下事故停泵后水泵流量變化、水泵轉速變化、止回閥后壓力變化以及壓力最大值的計算確定，通過穩態和過渡過程的計算結果，即可判定設計方案的合理性，從而有效提高設計方案的可靠性，降低設計風險。

2.2 軟件開發思路

采用Flowmaster組建提灌站管路系統計算模型，并將其作為計算核心，在后臺運行計算。利用VB.NET面向對象的可視化編程特點開發軟件登錄界面、前處理輸入界面、計算界面和后處理輸出界面等用戶交互界面，借助Flowmaster開放的聯合仿真接口開發功能實現數據的有效傳輸。仿真軟件開發流程見圖1。

圖1 仿真軟件開發流程Fig.1 Development flow chartof simulation software

2.3 組建提灌站管路系統模型

提灌站水力系統由進水池、進水鋼管、水泵、閘閥、止回閥、出水鋼管、出水池等組成。根據實際的提灌站水力系統組成，確定計算類型，在Flowmaster中組建提灌站水力系統穩態和過渡過程計算模型，然后將計算模型打包，存放到指定位置，仿真計算過程中再用相關程序調用對應水力模型。

在組建提灌站水力系統穩態和過渡過程計算模型過程中，進水池和出水池采用壓力源邊界條件代替。提灌站水力系統穩態計算模型和過渡過程計算模型見圖2。穩態計算模型需去掉控制器組件。

圖2 提灌站水力系統穩態和過渡過程計算模型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 界面設計

采用VB.NET進行界面設計，主要包括登錄界面、主界面、前處理界面、計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入前處理界面、計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，用戶可根據實際需求進行選擇。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

參數輸入界面包括管路系統計算模型、計算類型選擇、元件參數和節點參數輸入3個區域，其功能可以實現在穩態計算工況下，對管道、閥門、水泵等設備的關鍵參數輸入以及計算條件的設置，也可以實現在瞬態計算工況下，對管道、閥門、水泵等設備的關鍵參數輸入以及閥門關閉規律、計算條件的設置。參數輸入界面見圖6。

圖6 參數輸入界面Fig.6 Parameter input interface

參數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)計算界面。點擊計算按鈕后，計算界面可顯示計算進度，計算界面的功能是通過聯合仿真接口與Flowmaster軟件進行參數傳輸，調用Flowmaster軟件進行后臺運行計算。計算界面見圖7。

圖7 計算界面Fig.7 Calculation interface

以下以IS型泵管路模型開發流程為例進行介紹。

IS型泵穩態計算程序開發流程：①加載IS型泵管路特性曲線計算模型；②創建Suter-M、Suter-H曲線；③仿真平臺與Flowmaster之間參數傳遞；④不同流量下管路系統壓降計算，確定管路系統水頭特性；⑤加載IS型泵管路系統穩態計算模型；⑥仿真平臺與Flowmaster之間參數傳遞；⑦計算系統流量、各元件流速、雷諾數、壓降，確定IS泵運行工況。

不同流量下管路系統壓降計算代碼如下：

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

計算系統流量、各元件流速、雷諾數、壓降，確定IS泵運行工況代碼如下：

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型泵瞬態計算程序開發流程：①加載IS型泵管路系統瞬態計算模型；②創建Suter-M、Suter-H曲線和閥門開度曲線opening；③仿真平臺與Flowmaster之間參數傳遞；④瞬態計算時間步長設置；⑤計算閥門關閉后節點壓力變化和泵轉速、流量變化。

瞬態計算時間步長設置代碼如下：

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()

計算閥門關閉后節點壓力變化和泵轉速、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。后處理界面包括穩態計算結果輸出界面和瞬態計算結果輸出界面。

穩態計算結果輸出界面包括計算結果、特性曲線、管路系統穩態計算模型3個區域，其功能可以實現在穩態計算工況下，提灌站管路系統實際運行工況點的流量、功率、效率等關鍵參數的輸出和顯示，以及水泵特性曲線和管路特性曲線的顯示。穩態計算結果輸出界面見圖8。

瞬態計算結果輸出界面包括計算結果和管路系統瞬態計算模型2個區域，其功能可以實現在瞬態計算工況下，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，水泵轉速變化曲線、水泵流量變化曲線的輸出和顯示。瞬態計算結果輸出界面見圖9。后處理界面開發流程圖見圖10。

判斷計算類型代碼如下：

If IS_ selected = True Then

If Model_IS_SS_checked = True Then

IS穩態計算結果.ShowDialog()

ElseIf Model_IS_ST_checked = True Then

IS泵瞬態計算結果.ShowDialog()

End If

ElseIf S_ selected = True Then

If SModel_IS_SS_checked = True Then

S穩態計算結果.ShowDialog()

ElseIf SModel_IS_ST_checked = True Then

S泵瞬態計算結果.ShowDialog()

End If

圖8 穩態計算結果輸出界面Fig.8 Steady state calculation results output interface

圖9 瞬態計算結果輸出界面Fig.9 Transient state calculation results output interface

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

ElseIf D_ selected = True Then

If Model_D_SS_checked = True Then

D穩態計算結果.ShowDialog()

ElseIf Model_D_ST_checked = True Then

D泵瞬態計算結果.ShowDialog()

End If

End If

輸出各元件壓降、雷諾數等計算結果代碼如下：

TextBox1.Text = res_pipe1_pressure_drop * 100

Label1.Text = "壓降"

TextBox2.Text = res_pipe1_reynolds_number

Label2.Text = "雷諾數"

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 現場測試與計算案例對比

為了分析仿真軟件的計算精度是否滿足要求，以某提灌站管路系統為計算對象，提灌站基本參數見表1。首先在提灌站穩態運行情況下，進行現場測試，然后在仿真軟件上進行穩態仿真計算，最后將現場測試數據和仿真軟件計算數據進行對比。對比結果見表2。

表1 提灌站基本參數 m

表2 現場測試數據與仿真軟件計算數據對比Tab.2 Thesimulation data Compared with the test data

由表2可知，該提灌站管路系統在穩態運行情況下，現場測試的水泵實際工作流量為682.17 m3/h，仿真軟件計算的水泵實際工作流量為672.84 m3/h，仿真軟件計算的流量結果比現場測試的流量小了9.33 m3/h，仿真計算誤差為-1.37%；現場測試的水泵實際工作揚程為32.48 m，仿真軟件計算的水泵實際工作揚程為33.86 m，仿真軟件計算的揚程比現場測試的揚程高了1.38 m，仿真計算誤差為+4.24%。水泵實際工作流量和實際工作揚程的仿真計算誤差較小，仿真計算結果具有實際參考價值。

4 結 語

基于flowmaster的提灌站穩態和過渡過程運行仿真軟件界面設計簡單、友好。該軟件專業性強、計算速度快、計算精度高，設計人員僅需輸入水泵、管道、閥門等設備的關鍵參數以及邊界條件和計算條件即可進行運行仿真計算，根據計算結果設計人員即可判斷設計方案的合理性，若設計方案不合理，便可快速地進一步對設計方案進行修改完善。可作為提灌站工程設計人員在設計選型時參考。

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