基于 Flowmaster 的通风管路虚拟实验开发与研究

付 锴，马 立，李洪凤，王佳妮，苏英杰（西南科技大学，四川 绵阳 621010）

基于 Flowmaster 的通风管路虚拟实验开发与研究

Development and Study on Ventilation Line Virtual Experiment Based on Flowmaster

付 锴，马 立，李洪凤，王佳妮，苏英杰（西南科技大学，四川 绵阳 621010）

针对通风管路的实际实验难以设计与开发，提出一种建立于虚拟实验平台上的通风管路实验。以通风管路的比例调节法为例，详细介绍了借助一维流体系统仿真解算工具Flowmaster搭建通风管路虚拟实验的步骤。最后通过数据分析得出，利用虚拟实验进行比例调节法的管网，管网的运行工况已经较好地达到了设计工况，调试后风量与设计风量的误差不到1%。

虚拟实验； 通风管路； 比例调节法

本文提出了一种基于 Flowmaster 的通风管路虚拟实验，作为一种新颖的实验教学手段，在不费一丝一毫实验器材和实验场地的情形下，依然能够为学生构建一个完善的通风管路虚拟实验环境，同时能够指导学生运用所学对实际问题学会分析和处理。通过虚拟实验的优势，能够举一反三，使工程人员对相似情况依然能够依此方法有清晰的判断和处理手段。

1 虚拟实验室与Flowmaster软件

虚拟实验[1-4]是借助多媒体仿真以及虚拟现实技术而产生和发展的一种实验模式。它起源于 20 世纪末，是以计算机为控制中心，利用软件技术构建系统的逻辑结构模型，协调相关硬件设备技术形成虚拟实验系统，并通过计算机网络形成虚拟实验系统网络化，就可以让学生通过计算机操作，像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。它是计算机技术、虚拟现实技术、人机交互技术结合的产物，也是教育领域应用信息技术的一种创新。虚拟实验是虚拟现实在教育重要应用领域，并逐步成为科学实验和科学研究中强有力的工具。

Flowmaster 是当今全球最为著名的热流体系统仿真分析软件，以其高效的计算效率、精确的求解能力、便捷快速的建模方式而被全球著名的公司所采用。Flowmaster 由英国 Flowmaster 公司开发，目前已被 Mentor Graphic 公司收入门下，2004 年海基科技引入国内。

Flowmaster 是全球领先的一维流体系统仿真解算工具，是面向工程的完备的流体系统仿真软件包，对于各种复杂的流体系统，工程师可以利用 Flowmaster 快速有效地建立精确的系统模型，并进行完备的分析。

在管网设计的过程中，可以通过合理选择管径等措施，尽可能达到在设计工况下的水力平衡。但由于管径规格的限制，管网设计时并不能完全实现管网系统的水力平衡，造成系统在运行时发生水力失调。在常见的枝状通风管路中，常常发生距离动力源较近的支路流量过大，而较远的流量不足的水力失调现象。因此，在管网安装完成后必须进行初始调节，对各管段的阻力特性和流量进行一次全面的调整，使其达到设计要求。在实际工程的通风管路中应用较多的是比例调节法[5]。但是对于通风管路，管路系统复杂且庞大，实地调试费时费力，并且其风量、压力等参数实验测试误差大，各调节阀以及相应的测量仪器固有的误差难以避免，使得通风管路调试效果难以保证。

2 通风管路调节原理

现以一个简化的气体管路[6](图 1)来说明比例调节法的原理和步骤。如图 1 所示是一个具有两个支路和风口的简单机械送风系统。当风机启动后，打开总风阀，并将三通调节阀(图 2)置于中间位置，测出此时两支管的风量，记为 LA和 LB，其计算式见式(1)

式中：SC-A——支路 C-A 的阻抗；

SC-B——支路 C-B 的阻抗。

只要不改变 C-A 的阻抗和 C-B 的阻抗阻力特性，LA和 LB之间的比例关系也就不会发生变化。由此可见，若设计的风量为 LA0和 LB

0，即使测出的风量与设计风量不同，只要调整两风口的出风量达到 LA/LB= LA0/LB

0，再调节总风阀改变系统的总风量，使 LA=LA0或 LB=LB

0，即达到了设计要求，调试才告完成。式(1)这种按比例调节的方法为枝状管网的流量调试提供了有效的手段。

图1 风量调节示意

图2 三通调节阀

3 构建模型

构造图 3 的通风管网[2]，说明了比例调节法的实际应用。

图3 通风管网初调节示意图

假定该系统除总风阀外在三通管 A、B 处及各风口支管处，装有三通调节阀(或其他类型的调节阀)。风量调整前，三通阀置于中间位置。

3.1 Flowmaster建模

通过 Flowmaster 软件可以借助里面的元件快速搭建与图 1 ～图 3 拟合的通风管路，如图 4 所示。

图4 通风管网在 Flowmaster 中的模型

由于重点放在气体管路风量的比例调节上，风机提供的风量用风量源元件进行了替代，在 Flowmaster 中暂时没有适用于气体管路的三通调节阀，这里以两个蝶阀来替换一个三通调节阀，其初始条件下每个蝶阀都处于全开状态，即开度取 1。

3.2 技术路线图

技术路线图见图 5。

图5 技术路线图

3.3 参数设置

图5 中 F 表示的是风量源元件，由设计值取 2 800 m3/h；各管道统一选择 Flowmaster 可压缩管道中的“Pipe∶Cylindrical Gas”元件，为了便于分析和计算，长度统一取 5 m，Friction Data 里面选择 Colebrook-White equation 即 Flowmaster 里提供的第一种计算管道摩擦阻力的方法，查表得管道绝对粗糙度取 0.002 5 mm，Hazen-Williams Friction Coefficient 取 110，Friction Factor 取 0.02。每段风管的直径由各分口的设计风量所决定，因此由设计风速可以很快的计算得到各管段的直径。计算结果如表 1 所示。

表1 风管水力计算表

对照表 1 便可以把对应管道的直径进行输入。在可压缩管道的计算过程中，Flowmaster 要求对管道内的流动条件进行定义，并且此处忽略管道对外界的传热，因此在 Compressible Flow Process 选择了第 4 种，即Adiabatic (绝热)过程。各出风口由压力源元件 P 进行代替，能测出各出风口的风量。对于各管道前的阀门开度都取 1，阀门直径取对应管道的直径。计算类型选择第 8 种Compressible Steady State，其他选项取默认值。

4 模型调试

在初始条件下，保持各阀门的开度取 1，运行模型进行计算，可以得到最初管网风量分配的初测结果。初测结果如表 2 所示。

表2 管网风量分配的初测结果

分析表 2 的初测数据，发现该管网的风量分配时是各支管最远风口的风量最小，同时支路间的风量分配是支路Ⅰ、Ⅱ较少，同时支路Ⅰ、Ⅱ的风量分配完全一致，这是因为以支路 1、2 前面的节点来分析，给定的参数取得都是一样的，所以支路 1、2 的阻抗完全是一致，又由前面的公式可知风量分配必然是一致的。同样的情况可以在支路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的风口 1 与风口 2，风口 5 与风口 6，风口 9 与风口 10之间发现，原理也是一样。这也从侧面证明了 Flowmaster可以用于气体管路的比例调节法的模拟。

依据比例调节法的原理，此时，以风口 2 为基准，将风口 3 的风量调到与风口 2 相等，具体做法就是通过调节相应节点前面的蝶阀改变风口 3 这一支路前面的阻抗，使得两阻抗的比值为 1，进而调节风口 4 的风量调到与风口 3相等，以此类推，将支管 1 上所有风口的风量调整均匀。采用同样的方法分别将支路 2、3 的各风口风量比调整到设计比例。最后分别以 1、9 风口(或 5、9 风口)为代表，调节相应节点前的阀门使各支管间的风量分配达到 2∶2∶3的设计要求。这样风量分配的调整才告完成。最后调整总风阀，使总风量调整到设计风量，整个管网的风量调整才告完成。

通过对相应节点前的阀门开度的调节，最后得到了管网调试后的风量分配结果，见表 3。由表 3 可见，通过比例调节法的运用，管网的运行工况已经较好地达到了设计工况，调试后风量与设计风量的误差不到1%。

应用 Flowmaster 对比例调节法进行模拟仿真，对于实际工程的设备调试，将会显著提高工程人员的工作效率，并且很直观地指出问题存在的地方，取得了事半功倍的效果。

表3 调试结束后管网风量分配的结果

5 结 语

利用一维流体仿真软件 Flowmaster 建立管网模型是一种切实可行的教学手段，可以有效弥补真实实验效果不明显的不足。基于 Flowmaster 的流体管网虚拟实验，不仅可以运用于可压缩流体中通风管路的风量调试，还可以对不可压流体的管路，以及多相流的管路进行模拟，同时运用瞬态计算算法，得出流体的不同瞬态参数。

对于实际的工程项目，在人工繁琐的调试前，同样可以运用这种模拟方法对系统进行一次有效的计算模拟，可以有效地帮助工程人员对系统进行认识和分析，并且能够大致明晰问题的症结所在，从而高效完成系统调试任务。显然事前的模拟调试将对实际工程的运行调试更具指导意义并提高效率。因此，该方法的提出不仅能够很好地辅佐教学，对于工程实际问题也有广泛的推广价值。

[1]单美贤, 李艺. 虚拟实验原理与教学应用[M]. 北京:教育科学出版社,2005.

[2]杨英慧,周振军, 张君维. 基于网络的虚拟实验技术的应用分析[J].实验技术与管理,2005,22(9):68-70.

[3]孙燕莲,韩 巍,文福安.构建仿真实验系统关键技术的研究[J]. 实验技术与管理,2007,17(3):75-78.

[4]王鸿灏,上官右黎.计算机网络虚拟实验系统的设计与实现[J]. 计算机科学,2007,34(7).

[5]秦继恒,安爱明.空调水系统水力平衡调节[J].暖通空调,2012.

[6]付祥钊,肖益民.流体输配管网[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

TU50

A

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

2015-11-20

付锴，现就读于西南科技大学。作者通信地址：四川省绵阳市涪城区青龙大道中段59号西南科技大学，邮编：621010。