FlowSystem軟件元件庫的開發與應用

楊瀾 YANG Lan；程會方 CHENG Hui-fang；陳健華 CHEN Jian-hua

（上海核工程研究設計院股份有限公司，上海 200233）

0 引言

核電廠涉及上百個不同功能的工藝系統，技術難度高，且安全問題尤其重要。這些不同功能的系統自身結構復雜，由各類管道、管件、設備、測量和控制儀表等構成了繁雜龐大的管網，對核電廠的研究與設計具有重要影響。因此，對核電廠各系統進行仿真分析，得到各系統的流動特性以評估系統設計方案、系統運行工況、流體設備性能、運行規程等，可以更好地改善及優化各系統的設計，進而提升核電廠運行的安全性和穩定性。

核電涉及的元件種類眾多，元件庫的完整性及計算參數的設定直接影響計算模型的搭建，是流體管網計算中極為重要的一環。目前較為主流的管網仿真分析軟件有Flowmaster、Fathom 等[1]，這些軟件為通用管網仿真軟件，而非針對核電開發。核電廠中的管道、管件、設備、測量和控制儀表等種類繁多[2]，而核電廠由于其特殊性，又包含一些核電廠專用的元件如穩壓器、蒸汽發生器、鼓泡器等，有必要開發更適合核電設計的元件庫。

FlowSystem（以下簡稱FS）作為一款國產系統級管網仿真軟件，為國內核電及其他領域的流體管路設計提供了更多的選擇。FS 收集了核電設計中不同專業的流體仿真需求，并收集核電設計過程中的實際算例作為元件驗證算例，開發設計了更貼合核電設計的元件庫。該元件庫串聯起不同的元件、標準及求解器等，形成了閉環的計算體系。據此，本文將介紹FS 軟件元件庫的開發及其應用。

1 FS 元件庫的開發

本課題開發的系統級管網仿真分析軟件，對流體管網系統的設計進行定性和定量的分析以及優化設計。通過軟件對系統進行精確的壓力、流量、流速、溫度分析，快速優化設計，幫助企業降低生產成本，提高產品性能，縮減產品開發時間和試驗次數，提高系統設計質量。對于各種復雜的流體管網系統，工程師可以利用該軟件快速建立系統模型，進行各種類型的分析，并能便捷地實現數據的存取、調用，基于各種歷史數據和實際經驗數據提高流體管網系統分析的準確性。

FlowSystem 軟件計算的基礎便是多種多樣的元件，在此基礎上通過不同組合實現不同工況、應用背景的場景的模型還原，因此元件庫的開發和擴展在軟件的開發過程中占據相當大的比重，是核心模塊。FS 在元件庫建立的前期工作中收集了各專業各系統的流體管網仿真需求，涉及如主系統、各輔助系統、暖通專業、給排水專業等，針對各專業計算需求，開發設計了上百種不同元件。元件列在FS 左側工具欄內，如圖1 所示，分為源、節點、管道、通用彎管、管連接件、三通、四通、阻力元件、孔口元件、閥門、傳導元件、容器、過濾器、換熱元件等，共一百多種。此外，FS 針對核電設計需求開發的特殊元件有風管元件、空調元件、消防元件、蒸汽發生器、鼓泡器等，這些元件與其他元件一起整合在工具欄內，方便用戶計算。

圖1 元件庫界面

元件庫開發的基本功能包含界面功能、元件參數設置功能、元件關系功能及計算結果查看功能。界面功能支持元件的新建、拖拽、復制、刪除、對齊等。每個元件均具有設置功能，用戶可設置如元件的幾何參數、適用的標準等。FS可識別元件之間的邏輯關系，為計算復雜的管網做準備。元件包含計算結果查看功能，包括穩態和瞬態的計算結果查看。

流體管網計算中，不僅需要包含完整的元件種類，各元件涉及的算法、標準等也極大地影響著計算結果。FS 元件支持多重標準計算，在元件參數設置框中有對應的標準選擇欄，用戶可根據自己的需要針對特定元件選擇需要的標準進行求解計算。此外，FS 也支持用戶自定義曲線。用戶可按照規范導入形式將數據導入數據庫，將曲線橫坐標作為用戶輸入參數，求解器會調用此曲線，根據用戶輸入進行插值計算調用。自定義曲線配合阻力元件使用，可形成自定義阻力元件，滿足用戶的多種計算需求。

FS 元件庫的元件種類基本涵蓋了核電系統設計涉及的元件種類。其元件又包含了常用的可自定義的標準曲線及參數，因此FS 元件庫既能進行簡單算例的計算，如泵性能的計算、閥門開關時的壓降變化[3]等；也能滿足以核電工藝系統為單位的計算要求，如主系統、各類輔助系統、各類廢物系統、各類暖通系統和各類給排水系統等。目前該軟件元件計算已有各類驗證工作并完成相關驗證報告。該驗證工作選取核電設計工作中的實際算例，旨在滿足核電設計中的流體管網計算需求。

2 FS 元件庫的應用

元件庫為真實流動模型提供豐富的系統組件，用來完成單管道系統的分析和多支路系統的分析。系統開發并集成多種不同的阻力/源選項，用于模擬分支中的動量源或匯。這些選項包括：一般管道、方形/橢圓/扇形截面管道、管道（含出入口損失）、薄孔口、厚孔口、一般閥門、泵（給定性能曲線），泵（給定功率）、控制閥門、換熱器和可壓縮流孔口等。用戶通過元件分類標簽，鼠標左鍵單擊拖動元件至模型窗口，打開元件配置選項對其參數進行具體的設置，設置完成邊界條件及各種元件參數后，即可點擊求解計算完成，并查看計算結果。圖2 展示了包含出入口、管道及孔板的簡單算例。

圖2 簡單算例

用戶在使用FS 構建的元件庫時，其中最重要的一點就是定義元件的參數。元件的參數多種多樣，主要參數有尺寸和數據表。對于元件涉及的標準，軟件進行了歸納整理并形成固定選項欄在元件界面進行顯示，讓用戶自行進行選擇，并支持相同元件不同標準的計算求解，如圖3所示。

圖3 元件參數設置頁面

此外，軟件支持用戶在數據庫中自定義元件涉及的參數曲線，以便適應多種計算情況，見圖4。流體系統中若存在流固耦合傳熱時，其中包含的導體包括固固傳導、流固傳導、固體環境傳導、輻射傳導等。固固傳導中包含的參數有傳導面積和傳導距離；流固傳導中包含的參數有換熱面積和換熱系數。

圖4 數據庫曲線設置頁面

各元件參數設置完畢，求解計算完成之后，可生成計算結果報告進行查看。圖5 展示了計算結果報告中的一節，計算結果以表格的形式展現，該節展示了圖2 算例中編號為9 和10 的圓管中流體的流速、壓降、雷諾數、損耗系數等計算結果。

圖5 計算結果顯示

3 結論

目前較主流的流體管網仿真軟件的元件庫僅包含通用元件，而非針對核電開發。而核電由于其特殊性，需要使用大量的專用特殊元件，有必要針對核電設計需求開發元件庫。FS 軟件收集核電設計需求，開發了更適合核電設計的元件庫。該元件庫包含上百種不同的元件，基本涵蓋核電工藝系統所涉及的元件，包含了如風管元件、空調元件、消防元件、蒸汽發生器、鼓泡器等核電設計需要的特殊元件。由于核電廠的特殊性，針對核電廠開發流體管路仿真分析軟件，可以使其元件庫更貼合核電設計，為國內核電設計提供重要的計算工具。