基于ATF Impulse的汽車試驗場涉水池供水控制系統(tǒng)的仿真分析

盛子豪，肖志權(quán)

（武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，武漢430200）

0 引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車試驗場成為了各大型汽車品牌公司研發(fā)新型汽車的重要研發(fā)測試場地。汽車試驗場，亦稱試車場，是主要用于測試新型汽車的綜合性能，進(jìn)行汽車整車道路試驗的場所。為滿足汽車的試驗要求，汽車試驗場將實際存在的各種道路經(jīng)過集中、濃縮、不失真地強(qiáng)化形成典型化的道路[1]。涉水池作為汽車試驗場內(nèi)眾多試驗場地中的一種，水深可調(diào)，用于制動器浸水恢復(fù)試驗[2]。

國內(nèi)某大型汽車試驗場涉水池供水控制系統(tǒng)[3]，現(xiàn)場測試時實際水位與目標(biāo)水位存在偏差，在低水位時尤其明顯。經(jīng)分析，出現(xiàn)該問題的原因是型號為D941X-DN300的電動閘閥在被控制關(guān)閥時，由于管道口徑較大，為300 mm，導(dǎo)致閥門需要大約120 s的關(guān)閉時間。并且，120 s關(guān)閥期間的出水量現(xiàn)場不便測量。本文針對該現(xiàn)象，利用專業(yè)流體動態(tài)分析軟件AFT Im?pulse7.0，以該汽車試驗場的涉水池供水系統(tǒng)為對象進(jìn)行動態(tài)仿真試驗。供水系統(tǒng)由蓄水池、潛水排污泵、電動閘閥、涉水池以及管道等組成，對供水系統(tǒng)設(shè)定用150 s到1 200 s的6種不同的運行時間，得出關(guān)閥120 s內(nèi)出水管口的出水量。并且得出關(guān)閥120 s內(nèi)出水管口的出水量與隨運行時間的變化規(guī)律，并根據(jù)仿真分析的結(jié)果給予了提前關(guān)閥的建議時間以便控制達(dá)到準(zhǔn)確水位。試驗結(jié)果為該汽車試驗場涉水池供水系統(tǒng)的水位準(zhǔn)確控制改進(jìn)提供數(shù)據(jù)和控制關(guān)閥時間的建議。AFT Impulse軟件在國內(nèi)汽車試驗場相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用較少，將其應(yīng)用到汽車試驗場涉水系統(tǒng)的仿真是一次創(chuàng)新嘗試。

1 軟件選擇

AFT Impulse是一款強(qiáng)大的流體動態(tài)分析軟件，目前已經(jīng)通過美國核管委會的認(rèn)證，具有較高的計算精度，可對不可壓縮流體和可壓縮流體進(jìn)行瞬態(tài)分析，包括水、汽油和其他精煉油品、化工產(chǎn)品、冷凍劑、制冷劑等不可壓縮流體和包括高壓蒸汽、壓縮空氣等可壓縮流體的管網(wǎng)系統(tǒng)，是確保管網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠的必要工具。其強(qiáng)大的流體分析計算功能符合對供水系統(tǒng)仿真分析的需要。

AFT Impulse采用圖形化的工作交互工作環(huán)境，用戶采用拖放的方式建模。單元包括：儲水器、分支、泵、切斷閥、單向閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥、氣體緩沖器、液體緩沖器、壓力吸收罐、噴嘴、真空切斷閥、盲端。管網(wǎng)是由Junction（連接設(shè)備）和Pipe（管道）構(gòu)成，用戶可以通過庫來選擇流體屬性，或自定義流體屬性。通用元件用戶通過雙擊元件，即可設(shè)定其屬性。用戶可以十分方便地設(shè)置管網(wǎng)系統(tǒng)的操作狀態(tài)，如閥、泵的開啟和關(guān)閉等動態(tài)事件。

軟件具有強(qiáng)大的多工況模擬功能，模擬系統(tǒng)操作，快速改變系統(tǒng)參數(shù)如閥門開度、泵的性能參數(shù)等裝置調(diào)節(jié)，可以將不同工況分別建立，并同時分析計算，避免重復(fù)建模。

2 涉水池供水系統(tǒng)模型搭建及各元件參數(shù)設(shè)置

2.1 模型搭建

涉水池供水系統(tǒng)是通過輸水管道連接由潛水排污泵（300WQ600-20-55）將蓄水池中的儲存水進(jìn)行抽調(diào)，經(jīng)過電動閘閥（D941X-DN300），從出水管道口注入到涉水池。所以，根據(jù)涉水池供水系統(tǒng)的實際情況，調(diào)用兩個容器作為蓄水池和涉水池，調(diào)用一個泵模型和一個閥門模型作為潛水排污泵和電動閘閥，由管道模型將各個連接件連接。涉水池供水模型如圖1所示。

圖1 涉水池供水系統(tǒng)模型

2.2 各元件參數(shù)設(shè)置

合理有效的參數(shù)設(shè)置是涉水池供水系統(tǒng)模型能夠運行的前提，如果參數(shù)設(shè)置不合理，軟件不允許模型運行，仿真試驗也就無法進(jìn)行。要對模型的各連接件設(shè)置實際元件的參數(shù)，使涉水池供水系統(tǒng)模型貼合運行實況，使仿真試驗的輸出結(jié)果更貼近實際。

2.2.1 蓄水池和管道的參數(shù)設(shè)置

由于本文的涉水池供水系統(tǒng)采用恒壓供水，供水壓力不受蓄水池液位高度變化而影響。且為保證蓄水池水量充足，所以為蓄水池模型選擇了容積無限大的Infinite Reservoir模型。并根據(jù)工程參數(shù)設(shè)定了液面海拔高度為10.6 m，管道海拔高度為7 m。對于管道材質(zhì)則選擇了系統(tǒng)自帶的管道選項，并根據(jù)工程參數(shù)設(shè)定了管道口徑為300 mm（12 inch），3段管道總長度為250 m。蓄水池參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

圖2 蓄水池參數(shù)設(shè)置

2.2.2 泵的參數(shù)設(shè)置

潛水排污泵（300WQ600-20-55）作為供水系統(tǒng)中的動力裝置，該元件模型的參數(shù)設(shè)置尤為關(guān)鍵。反映泵性能的是H-Q（水頭-流量）曲線，軟件中對于該曲線的計算公式如式（1）所示：

將廠家提供的數(shù)據(jù)值代入到式（1）中解得如式（2）所示：

得到了泵模型的H-Q（水頭-流量）性能曲線函數(shù)式，對Q從0～1 000 m3/h以100 m3/h遞增賦值，得到11個點，軟件生成性能曲線。H-Q（水頭-流量）參數(shù)如圖3所示。

圖3 H-Q參數(shù)

2.2.3 閥門參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)本次仿真試驗電動閘閥（D941X-DN300）關(guān)閉時間大約為2 min的需求，閥門參數(shù)的設(shè)置主要是要設(shè)定其Cv值隨開度變化的關(guān)系，閥門Cv值與開度是兩個概念，國外叫Cv，國內(nèi)習(xí)慣叫Kv，Cv表示的是閥門的流通能力，它的定義是：當(dāng)調(diào)節(jié)閥全開，閥兩端的壓差ΔP為100 kPa，流體重度r=1 gf/cm3（即常溫水）時，每小時流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的流量數(shù)，以m3/h或t/h計。閥門開度是指閥門在調(diào)節(jié)的時候，閥芯（或閥板）改變流道節(jié)流面積時閥芯（或閥板）運動的位置，一般用百分比表示，關(guān)閉狀態(tài) 為0%，全 開 為100%[4]。查 找 到 電 動 閘 閥（D941X-DN300）的最大Cv值為8 250和部分Cv值對應(yīng)開度的數(shù)據(jù)，得到閥門Cv值隨開度變化曲線。Cv-開度曲線如圖4所示。

圖4 Cv-開度曲線

由于電動閘閥（D941X-DN300）關(guān)閉時間大約為120 s，給閥門模型設(shè)定要設(shè)置瞬態(tài)過程，通過設(shè)置Cv值隨運行時間的變化來模擬閥門關(guān)閉的過程。在設(shè)定運行時間為600 s的工況下，定義閥門從480 s到600 s為120 s的關(guān)閉過程，軟件計算生成的閥門Cv-時間變化曲線如圖5所示。

圖5 Cv-時間變化曲線

2.2.4 涉水池參數(shù)的設(shè)置

由于本文研究分析的汽車試驗場中的涉水池形狀是一個不規(guī)則的槽體。為了使試驗數(shù)據(jù)對后續(xù)控制水位有實際意義的幫助，應(yīng)盡可能和實際涉水池的數(shù)據(jù)保持一致。應(yīng)在容器模型中選擇Finite Open Tank模型，該模型可以通過輸入液面高度和容器容積的關(guān)系，來定義涉水池的形狀。根據(jù)從涉水池數(shù)據(jù)，計算出的涉水池體積V與液位高度h的關(guān)系式如式（3）所示：

對h進(jìn)行賦值，在模型中輸入V-h數(shù)值。數(shù)值表如表2所示。

表2 V-h數(shù)值

根據(jù)設(shè)計方圖紙設(shè)置液位初始高度為0 m，連接管道海拔13.2 m，涉水池底部海拔12 m。參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6 涉水池參數(shù)

3 輸出數(shù)據(jù)分析

參數(shù)設(shè)置完畢后，在“分析”菜單欄里選擇“瞬態(tài)控制”選項，通過該選項來設(shè)定系統(tǒng)運行時長。針對涉水池供水系統(tǒng)的實驗需要，對系統(tǒng)模型設(shè)定“150 s”、“200 s”、“300 s”、“500 s”、“600 s”、“1 200 s”這6種工況，對應(yīng)6種不同的系統(tǒng)運行時長，并對閥門模型和泵模型設(shè)定相應(yīng)的120 s的關(guān)閉時間。對比6個不同運行時間段，涉水池液位可以達(dá)到的高度變化，以及關(guān)閥的120 s內(nèi)注入涉水池的體積流量。圖7~8為例舉的系統(tǒng)運行時間為600 s的涉水池液位變化曲線圖與涉水池的總流量體積變化曲線。

圖7 涉水池液位高度vs時間曲線

圖8 總體積流量vs時間曲線

經(jīng)過對輸出數(shù)據(jù)的整理，對比其關(guān)閥前后的流量體積差與液位偏差，整理數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)對比

通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，給系統(tǒng)設(shè)置不同的運行時長，關(guān)閥前后注入涉水池的體積差基本不變，為10.25 m3左右；隨著運行時間增多，液位偏差逐漸變小與現(xiàn)場分析情況相符。根據(jù)關(guān)閥前后體積流量差與潛水排污泵穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的比值，可得出提前關(guān)閥、關(guān)泵從而達(dá)到目標(biāo)液位，以及關(guān)閥前液位。本文建立該仿真模型最終得到提前關(guān)閥時長為18.3 s。

4 結(jié)束語

本文采用AFT Impulse流體動態(tài)分析軟件，通過建模仿真，復(fù)現(xiàn)國內(nèi)某大型汽車試驗場涉水池供水系統(tǒng)在6種不同工況下的供水過程，得出所需的關(guān)閥前后數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比后得出如下結(jié)論：（1）不同運行時長關(guān)閥120 s過程中注入涉水池的流量體積基本不變，為10.25 m3左右；（2）隨著液位增高，120 s內(nèi)的注水體積對液位精確度影響變小，在低液位影響較大，高液位基本沒有影響；（3）通過數(shù)據(jù)對比，利用AFT Impulse軟件對涉水池供水系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，輸出結(jié)果與現(xiàn)場情況符合，該軟件的仿真分析對于涉水池水位的準(zhǔn)確控制是有意義的；（4）建議根據(jù)關(guān)閥過程中注入涉水池流量基本不變的規(guī)律，在原先的控制系統(tǒng)上控制閥門提前關(guān)閉，達(dá)到水位的準(zhǔn)確控制。

本文仿真模型得到提前18.3 s關(guān)閉電動閘閥和潛水排污泵的結(jié)果。從研究結(jié)果可以看出，本研究對汽車試驗場涉水池供水系統(tǒng)的仿真分析得出了不同運行時長關(guān)閥前后供水體積差，給予以前關(guān)閥管泵的建議時間，對汽車試驗場涉水池供水系統(tǒng)水位的準(zhǔn)確控制具有指導(dǎo)意義。