1.Flowmaster计算软件

（1）Flowmaster概述

该软件以《Internal Flow Systems》［126］的实验设计及原始数据为基础提供系统流体设计Flowmaster擅长对流体管路系统进行整体分析，作为一款专业的一维工程流体管路系统的分析软件，Flowmaster同时是面向工程的完备流体系统仿真软件包，对于各种复杂的流体管网系统，都可以利用Flowmaster快速有效地建立系统模型，并进行完备的分析。Flowmaster可以对系统中的各个环节进行精确的压力、流量、温度、流速分析，快速地帮助工程师完成和优化系统的设计。

Flowmaster具备的分析模块可以对流体系统（含液压系统）进行稳态和瞬态分析；其所具备的动态色彩显示和图表显示等强大的后处理功能能够对系统部件性能进行实时的监测和评估；可用来进行不可压流动与换热计算、可压缩气体计算、两相流计算、汽车整车热管理、燃气轮机叶片冷却及二次空气系统、航空飞机燃油、环控、液压系统等；被广泛应用于汽车制造、航空航天、燃气轮机、能源核电、常规电力、油气输送、市政工程等领域［127］文献［128］以Flowmastr软件为平台，以实际工程为例，建立无负压供水系统模型，并在不同用水量、不同水泵配置和不同市政压力等工况条件下进行模拟。

Flowmaster软件可以看作是一个计算工具＋数据库的组合，利用Flowmaster图形界面提供的建模环境，用户可以建立各种流体管网的仿真模型。Flowmaster的模型是基于图形界面的一维流体系统图，管网中的各个元件用形象的图标表示。例如，水泵采用图5－13所示图形表示。

图5－13 水泵的一维表示图形

（2）元件

元件是Flowmaster中流体系统的主要组成部分，Flowmaster具有丰富的元件库，可以针对不同的应用领域可以选择不同的组成元件，仅对使用较为频繁的元件进行说明。元件可以分为动力元件、控制元件以及辅助元件，以下分别从这三方面进行介绍。

1）动力元件。

①泵类。泵类元件见表5－5。

表5－5 泵类元件表

离心泵扭矩计算公式为

式中，P为泵的功率；ω为泵的转速。

泵功率的计算公式为

式中，ρ为流体的密度；H为泵的扬程；η为泵的效率

②边界源类。边界源类元件见表5－6。

表5－6 边界源类元件表

2）控制元件。

①阀门类。阀门类元件见表5－7。

表5－7 阀门类元件表

（续

所有的阻力计算都是采用以下公式：

式中，p1为节点1的压力；p2为节点2的压力；K为损失系数；m2为通过节点2的质量流量；A为截面积；ρ为流体密度。

根据文献［137］可得到

式中，D为管道内径；Cv为阀门流量系数；fT为完全湍流区的摩擦系数；L／D为管道直径阻力的等效长度。由表5－8可查到不同管径下的摩擦系数。

表5－8 摩擦系数与管径的取值表

注：1in＝25.4 mm

②节流孔。节流孔元件见表5－9

表5－9 节流孔元件表

续表

③阻力元件。阻力元件见表5－10，阻力设置方式见表5－11

表5－10 阻力元件表

表5－11 阻力设置方式表

图5－14 采用3D CFD软件FloEFD计算压降和温差

阻力元件可用来模拟过滤器、长孔板和多级孔板、安全壁、特殊孔板、弯头以及变径接头等器件。

④控制器类。控制器类元件见表5－12。(www.daowen.com)

表5－12 控制器类元件表

控制器类元件参数由定制手册进行确定3）辅助元件。①管道类元件。管道类元件见表5－13。

表5－13 管道类元件表

Flowmaster有多种管路模型，其沿程损失的计算模型也不相同。沿程损失计算模型及使用条件见表5－14。

表5－14 沿程损失计算模型及使用条件

表5－14中，

；f为水与管道内壁的摩擦阻力因数；f1为层流时的摩擦阻力因数；ft为湍流时的摩擦阻力因数；k为管路的绝对粗糙度；CHW为粗糙因数，可由表5－15选择；D为管径；Re为雷诺数。

表5－15 Hazen－Williams模型粗糙系数的选择

②弯头类元件。弯头类元件见表5－16

表5－16 弯头类元件表

（续

弯头类元件阻力损失计算按照公式Δp＝KbCRe Cf

ρV2

2

进行计算。其中，Kb为弯头流动损失系数；CRe为层流修正系数；Cf为粗糙度修正系数；ρ为流体密度；V为流体体积。

③接头类元件。接头类元件见表5－17。

表5－17 接头类元件表

④稳压类元件。稳压类元件见表5－18。稳压元件有时也可以作为动力元件使用

表5－18 稳压类元件表

⑤水箱类元件。水箱类元件见表5－19

表5－19 水箱类元件表

⑥热交换器类元件。热交换器类元件见表5－20

表5－20 热交换器类元件表

管道流量不同，则换热器的效率也不同，表5－21表示在同一壳侧流量下不同管侧流量时换热器的效率值。

表5－21 换热器的效率值

2.PipeFlow计算软件

Pipe Flow Expert是一款管道系统水力建模的专业的软件。它易于使用且具有在同类软件中最好的用户界面，便于绘制各种管道系统，这些系统中可以包括多个容器、泵、附件、阀门、流量控制阀、减压阀、背压阀等部件［129］。

目前用于管道工艺设计的工艺模拟软件有很多，如OLGA2000、PipeFlow、PipePhase、PipeSIM、TACET等，其中较先进的是OLGA2000软件和PipeFlow软件。OLGA2000软件是瞬态模拟软件，具有自己独特的数学计算模型。PipeFlow软件是稳态模拟软件，具有一系列的组合经验关系式，在工程设计中选取不同的组合经验关系式，常常能够取得较好的模拟效果，但组合经验关系式的选取需要设计者根据经验来决定［130］。

该软件简单易用，可以从连接点、局部水头损失进行对比分析。

（1）连接点

PipeFlow中的连接点主要包括容器、结点和出口点，见表5－22。

表5－22 连接点的分类

（2）局部水头损失

局部水头损失包括管道附件、组件压力损失和水泵。管道可以采用不通的材质和管径管道附件可以分为各种接头。组件压力损失可以提到设置的组件来建模。水泵可以看成一个负的压力损失，也可以看成一个压力源。局部水头损失的关键元件描述见表5－23。

表5－23　关键元件描述